数字光纤直放站在既有线GSM-R改造中的应用研究

梁 静

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

1 概述

随着铁路GSM-R 网络技术的不断发展，铁路地形较为复杂、隧道群、多山体阻挡的弱场区域多采用“光纤直放站+天线”或者漏泄同轴电缆的方式进行覆盖。铁路光纤直放站是一种通信基站信号拉远设备，主要包括模拟光纤直放站和数字光纤直放站，它是通过近端机把基站射频信号转换成光信号，然后通过光纤传送到远端机。模拟光纤直放站系统设计简单，成本低、信号质量可靠，在铁路GSM-R 网络弱场覆盖方案中应用较多，但是由于模拟光纤传输的固有特性给工程设计和运营维护中带来很多问题：一是远端机之间传输损耗的不同，造成远端机输出功率和覆盖范围的不同；二是远端机接入基站，上行噪声叠加引起基站灵敏度下降，导致基站覆盖距离不能过长；三是存在传输时延，导致基站和光纤直放站远端机、远端机及远端机之间的距离受限；四是考虑噪声抬升、组网方式等因素，基站所带远端机数量受到限制[1]。

针对模拟光纤直放站在实际应用过程中存在的种种问题，采用数字技术的光纤直放站在铁路GSM-R 无线覆盖中得到越来越多的应用。数字光纤直放站将模拟射频信号转换成数字信号，利用光纤进行数字信号传输[2]。相比模拟光纤直放站，具有以下几个方面的优势：一是采用数字功放技术，功率大，上行具有分集接收通道，具有较强的覆盖能力；二是利用数字技术抑制噪声，消除了多级级联对基站上行底噪的抬升；三是具备自动时延校准功能，保证多个远端机之间同步收发，消除重叠覆盖区域的多径干扰，从而增大了远端机之间的设备间距，直放站远端机选址更加灵活，不受距离限制；四是组网方式灵活，可采用链型、环型、星型及混合结构组网，调试简单，工程环境适应性更强[3]。

以沪昆线为背景，深入探讨数字光纤直放站在GSM-R 系统改造中的应用。

2 数字光纤直放站组成及组网

数字光纤直放站主要由近端机、远端机及网管等组成。近端机主要由信号处理模块（简称数字模块或数字板）、介质双工器、介质滤波器、功分器、电源模块及射频电缆等组成；远端机主要由信号处理模块、功放模块、开关电源、腔体双工器、射频开关、功分器、光旁路开关及切换控制板等组成；网管主要由网管服务器和网管终端等组成[4]。

数字光纤直放站组网方式有链型结构、环型结构、星型结构及混合结构[5]，分别如图1 所示。

图1 数字光纤直放站组网方案Fig.1 Networking scheme of digital optical fiber repeater

3 方案介绍

沪昆铁路全线采用普通单网网络覆盖，针对多隧道、丘陵地形，采用“数字光纤直放站+漏缆”方式对弱场区域进行覆盖；针对无山体阻挡、地形开阔地带，采用“数字光纤直放站+定向天线”方式进行覆盖；针对多隧道、丘陵但漏缆容易丢失、被盗情况，采用“数字光纤直放站+小型双极化定向天线”方式对隧道区间进行覆盖[6，7]。

以大石板区间的覆盖方案为例，分别如图2、3所示。

如图2、3 所示，该区间上行线路有隧道5 座，下行线路有隧道4 座，上行线路和下行线路线间距最大为630 m，最小为25 m，采用“数字光纤直放站远端机+漏缆”贯通，覆盖整个上下行隧道区间，在隧道间的明区间，采用隧道洞顶天线的方式覆盖，隧道洞顶采用小型双极化定向天线进行覆盖；区间数字光纤直放站远端机接入车站处设置的数字直放站近端机，车站处的数字光纤直放站远端机采用定向天线进行覆盖[8，9]。

图2 弱场覆盖方案示意图Fig.2 Schematic diagram of weak field coverage scheme

3.1 链路预算

GSM-R 网络采用普通单网覆盖方式，GSM-R网络覆盖电平满足在95%的地点和时间统计概率下，接收机输入端最小可用接收电平不小于-98 d Bm，基站之间应设置足够的覆盖重叠区以保证列车运行中成功完成越区切换。线路允许速度按照95 k m/h 计算，为保证系统可靠性，最大切换时间取10 s（二次切换），两基站覆盖重叠距离为264 m[10]。

考虑到线路采用数字光纤直放站方式进行无线覆盖，由于数字光纤直放站需要对既有的模拟信号进行模-数转换处理，将大大加大基站与所带的第一个数字光纤直放站远端机之间的时延差，故本工程中需要在基站附近增设一个数字光纤直放站远端机，关闭基站发射信号，基站仅作为信源使用[11]。故本研究中仅考虑数字光纤直放站远端机上下行链路平衡。应路局要求，数字光纤直放站远端机功率采用5 W。

场强覆盖计算采用Ok umur a-Hata 模型，覆盖距离计算公式如下。

1）市区模型公式

2）郊区模型公式

3）开阔地模型公式

其中：

f：工作频率（按930 MHz 计算）；

图3 弱场覆盖方案系统图Fig.3 System diagram of weak field coverage scheme

hb：基站天线高度（m）；

hm：机车台天线高度（4 m）；

a(hm)：移动台天线高度校正因子，按中小城市取值；

d：传播距离（km）。

3.1.1 空间波覆盖计算

根据上下行链路预算公式及覆盖距离计算公式[12，13]，结合不同的无线电波传播环境和天线挂高，下行塔顶功分器损耗为-6 d B，馈线及接头损耗为-3 d B，发射天线增益为17 d B；上行接收天线增益为17 d B，接收馈线及接头损耗为-3 d B，塔顶功分器损耗为-3 d B，并考虑相应附加损耗、设计余量等因素计算得出数字光纤直放站远端机的覆盖范围如表1 所示。

结合图2 和图3，新梁家沟隧道出口数字光纤直放站远端机RU02、新小溪1 号隧道入口处数字光纤直放站远端机RU03 和小溪2 号隧道入口处数字光纤直放站远端机RU04 之间的设备间距分别约为790 m、515 m；区间基站处距离新梁家沟隧道入口处约为815 m。区间基站铁塔高度为20 m，隧道洞顶敷设天线的高度按照隧道壁高度5 m 考虑，该区域较多山体阻挡，屏蔽较大，考虑采用市区模型进行无线覆盖，图3 大石板区间覆盖为同一小区，不存在越区切换，根据表1 中的覆盖预测，能够满足覆盖要求[14，15]。

表1 数字光纤直放站远端机覆盖范围Tab.1 Digital optical f i ber repeater RU coverage

3.1.2 漏泄同轴电缆覆盖计算

同理，根据上下行链路预算公式及覆盖距离计算公式，结合不同的无线电波传播环境，直放站远端机最大输出功率按照5 W 考虑，下行功分器损耗为-3 d B，馈线及接头损耗为-3 d B，漏缆注入功率为31 d B，接收馈线及接头损耗为-3 d B；上行接收馈线及接头损耗为-3 d B，功分器损耗为-3 d B，漏缆耦合损耗为68 d B，宽度因子为7 d B，漏缆传输损耗指标为27 d B/k m，并考虑相应附加损耗、设计余量等因素计算得出数字光纤直放站远端机单边漏缆传输距离为1.44 k m，双边漏缆传输距离为2.88 k m。根据漏缆覆盖预测情况，结合图3 中隧道区间漏缆贯通方案，满足覆盖要求[16，17]。

根据图3，数字光纤直放站远端机RU05 上下行隧道所连接的漏缆长度分别为2.09 k m 和1.95 k m，上下行漏缆长度差值0.14 k m，上下行漏缆传输损耗差值为0.14×27=3.78 d B，应在数字直放站远端机功分器与避雷器之间增设5 d B 耦合器，以平衡上下行隧道漏缆注入功率，耦合器直通端通过避雷器接上行隧道漏缆，耦合器耦合端通过避雷器接下行隧道漏缆[18]。

3.2 时延调整

数字光纤直放站具有自动时延调整的特点，时延调整的重要因素最大时间提前量TA，是指移动台信号到达基站的实际时间和假设该移动台与基站距离为0 时移动台信号到达基站的时间的差值。如果是正常小区，TA 值范围为0 ～63；如果是双时隙扩展小区，TA 值范围为0 ～255。在应用方面，每个TA 值约等于3.64 μs，距离为550 m；不同路径到达接收点的TA 值不能超过15。考虑光纤传输时延约为4.76 μs/k m，远端机的转发时延为1.5 微妙/台，时延调整范围大于100 μs；设备间隔按照1.5 千米/台；按照远端机数量×远端机转发时延+最远设备距离×光纤传输时延=时延调整范围（等于100 μs）计算，可分别得出以下结果：

1) 当采用链型组网时，按照8 台远端机设计，最远设备可达18.8 km；

2) 当采用环型组网时，分别按照8 台，7 台，6 台，5 台远端机设计：

按照8 台远端机设计，最远设备可达9.4 km；

按照7 台远端机设计，最远设备可达9.5 km；

按照6 台远端机设计，最远设备可达9.7 km；

按照5 台远端机设计，最远设备可达9.8 km。

3.3 组网方案

结合各组网方案优缺点，沪昆铁路GSM-R 移动通信系统改造工程采用环型组网方案，该组网方案网络具有自愈能力，在一段光纤出现故障时可以进行链路倒换[19]。如图3 设计方案所示，5 个数字光纤直放站远端机组成一个环，最远设备间距=1.97+0.755+1.915=4.64<9.8，满足设计要求。

3.4 小型双极化天线的应用分析

相比单极化天线，双极化天线具有垂直和水平两个极化方案，可节省单个定向基站的天线数量，具有电调天线的优点，可降低呼损减少干扰，可立杆或立柱架设，节省征地建塔的投资。小型双极化天线是综合考虑铁路应用环境而研发的高增益定向天线，双极化设计，增强上行信号接收效果；体积小，结构牢固，安装简便；使用效果好，可实现丘陵、隧道和弯道等场所的应用；经济效益良好，成本远低于漏缆覆盖方案。可安装在隧道外或者隧道壁上，在隧道外采用立杆或立塔方式安装，在隧道壁采用壁挂方式安装[20]。

关于小型双极化天线的相关科研课题及应用较少，主要有两个典型科研项目，一是成都局电务处组织、中铁二院通号院、成都通信段、深圳思科泰公司等在渡口支线试验段工程中共同开展的“低造价数字中继系统在既有线GSM-R 改造中的运用研究”，二是广铁电务处组织，广州通信段、思科泰公司等在广珠货线试验段工程中共同开展的“GSM-R 区段数字光纤直放站天线取代漏缆研究”，其中渡口支线试验段工程设备安装调试完成后主要进行了场强覆盖测试，未请GSM-R 系统验收机构进行GSM-R 系统验收测试（如Qo S 测试），科研结论是否符合工程预期尚待验证；广珠货线试验段工程科研课题目前尚未完成，科研结论及相关测试结果尚不可知。

小型双极化定向天线在沪昆铁路的应用是首例，工程实施过程中需特别注意以下几点：1）施工单位需组织建设单位、设计单位、维护管理单位针对隧道壁、隧道顶、立杆/塔等天线安装召开首件评估会，根据首件评估确定的工艺要求进行后续设备安装工作；2）设备安装前应对设备进行相应的测试，待测试合格后方可进行安装；设备安装应牢固，并符合设备的相应要求；线缆布放应平直整齐，固定牢靠，接头配线正确可靠[21]。

4 总结及展望

以沪昆铁路为背景，大石板区间设计方案为基础，探讨了数字光纤直放站在既有线GSM-R 改造中的应用技术，主要包括链路预算、时延调整、组网方案及小型双极化天线应用等四部分。沪昆铁路地形特殊，丘陵及隧道较多，在工程实施过程中需特别注意特殊点位的馈线敷设，漏缆敷设及设备安装调试等，确保在有限的天窗时间内完成隧道内的漏缆敷设及光缆敷设工程；因篇幅有限，尚未对小型双极化天线在隧道内的覆盖预测和应用进行分析研究，在实际的工程设计与实施过程中，需根据线路的具体情况，针对性地进行方案比选、系统设计，选择更加经济高效的技术方案。