GSM-R 数字光纤直放站交织冗余覆盖方案研究

胡 鹏

我国地域广阔，铁路建设环境复杂，其中山区铁路沿线，深路堑、大弯道、长大隧道多，通常是GSM-R 网络基站天线覆盖的弱场区，一般采用光纤直放站结合天线或漏泄电缆的方式进行场强覆盖［1］。

光纤直放站目前有模拟光纤直放站和数字光纤直放站2 种。随着数字处理技术的进步，制造工艺的提升，数字直放站的硬件更加稳定可靠，运维成本大幅降低；同时由于模拟直放站在应用过程中存在局限性，数字光纤直放站替代模拟光纤直放站必将成为铁路发展的趋势。

成昆铁路米易至攀枝花段地处攀西山区，沿线地形复杂，长大隧道多，为了可靠稳定地解决弱场区场强覆盖问题，最终确定采用GSM-R 数字直放站交织冗余覆盖方案。本文以冉家湾隧道数字光纤直放站交织冗余覆盖方案为例，对数字直放站的性能指标进行了检测分析，为后续工程实施奠定基础。

1 数字光纤直放站

1.1 数字光纤直放站原理及系统构成

数字中频技术的实现过程：将射频（RF）信号通过模拟下变频变成中频（LF）信号，然后通过模数（A/D）转换器变成数字中频信号，再经过数字下变频（DDC）变成数字基带信号；经数字信号处理后，再经过数字上变频（DUC）变成数字中频信号，然后通过数模（D/A）转换器变成模拟中频信号，最后通过模拟上变频恢复到射频信号。这是在目前的元器件制造工艺水平基础上的软件无线电技术的具体应用。

GSM-R 数字光纤直放站系统如图1 所示，主要由近端机、远端机、光纤和网管设备构成［2］。其主要原理为：在GSM-R 基站侧，近端机将射频信号数字处理为数字中频信号，经光纤传输至远端机，并在远端机利用数模转换为模拟中频信号，再还原成射频信号，最后通过射频单位再生和放大，实现GSM-R 基站信号拉远覆盖。

图1 GSM-R 数字光纤直放站系统

1.2 数字直放站与模拟直放站的对比

模拟光纤直放站传输的是未解调的射频信号，经过光纤传输后引入的噪声和干扰是不可恢复的，所以传输距离较短［3］。组网结构必须采用星型结构，1 个中继端最多连接4 个远端，中继端和任意一个远端距离不超过20 km。

数字光纤直放站传输的是经解调后的数字信号，经过光纤传输后引入的噪声和干扰只要在规定范围内（这个范围较大，只要在一定的误码率下接收端能正确识别数字信号即可），就可以恢复原始的数字信号，所以传输距离较长，而且可以适应不同的网络结构。组网结构可选用星型、菊花链型、拓扑型等［4］，只需升级软件就可以适应不同的结构类型，硬件完全相同。采用星型结构时，1 个中继端可以连接多个远端，中继端和任意一个远端距离理论上可以达到100 km；采用菊花链型结构时，远端之间可以互连而不必每个远端都与中继端相连，传输距离与星型结构相同。

光信号衰减如图2所示。在一定范围内，随着光信号衰减，模拟传输方式的动态范围随之迅速下降，而数字传输方式则可以保持动态范围稳定不变［5］。

数字光纤直放站较模拟光纤直放站的优势主要有如下几点：①射频信号和光信号在传输过程中是独立的，两者互不影响；②动态范围大，信号不随光信号的衰减而衰减；③采用数字方式实现信号分路与合路，不会产生信号损耗；④光的色散因素对数字传输影响较小，短距离传输时可采用多模光纤；⑤数字光器件具有更高的可靠性，平均无故障工作时间（MTBF）更长，能有效减少运营维护的费用［6-8］。

图2 光信号衰减

但数字光纤直放站也存在缺点，例如，多个直放站远端机共用一个基站作为信号源，如果基站故障，将出现较长距离的信号盲区，导致通信中断，需采取电力设备的冗余配置等措施来加强系统的可靠性［9］。

对于同样覆盖90 km 的铁路线路，采用模拟直放站的方案需要2 套模拟直放站设备；采用数字直放站的方案仅需1 套数字直放站设备。

2 成昆铁路米攀段及冉家湾隧道概况

成昆铁路为国家规划的纵向综合运输大通道——临河至防城港运输大通道的重要组成部分，是西北、川西、川北地区至云南、东盟、南亚地区的客货主通道［10］。

成昆铁路米易至攀枝花段是成昆铁路的重要组成部分，正线全长93.844 km，新建160 km/h 双线隧道12 座，单线隧道2 座（营盘山左线隧道17.891 km，营盘山右线隧道17.934 km），隧道总长96.987 km。 其中， 隧道左线贯通长度为79.053 km，占正线线路总长的84.2%。其中，冉家湾隧道全长12.754 km，属于长大双线隧道。进口里程DK572+893，出口里程DK585+647。在冉家湾隧道进口及出口分别设置通信基站5 及基站6。

3 冉家湾隧道数字直放站交织冗余覆盖方案

3.1 交织信号功率分控

如图3 所示， 数字直放站远端机有主路（X 路）和交织路（Y 路）2 组光口，可以分别连接两边近端机的光信号。远端机可以区分来自于主路（X 路） 光口的载波信号和来自于交织路（Y 路）光口的载波信号，并在远端机中实现对2 路信号分别设置衰减值的功能［11］。

3.2 双信源交织冗余覆盖组网方案

因成昆铁路米攀段地处攀西地区，为保障场强覆盖，冉家湾隧道上下行（D6K572+769 至D6K583+269） 区域采用GSM-R 交织组网方式，使用数字光纤直放站进行无线覆盖。其中，隧道内各个远端机均采用2 路信号，前4 个远端机以基站5 的信号为主信号，经过切换点后，后4 个远端机以基站6 的信号为主信号，形成冗余覆盖保护。冉家湾隧道内无线场强覆盖见图4。

图3 交织信号功率分控示意

图4 冉家湾隧道内无线场强覆盖

4 冉家湾隧道交织冗余覆盖方案性能指标分析

依据《铁路数字移动通信系统（GSM-R）工程检测规程》（TB 10430—2014）、《铁路数字移动通信系统（GSM-R） 设计规范》（TB 10088—2015）以及《高速铁路通信工程施工质量验收标准》（TB 10755—2018）， 对 冉 家 湾 隧 道 上 下 行（D6K572+769 至D6K583+269）无线系统进行测试，包括掉话率、场强覆盖、漫游切换、越区切换中断时间、语音质量、TA 值、单网覆盖和故障模拟等性能指标的测试。

4.1 静态测试

1）静态无线场强覆盖测试。根据《铁路数字移动通信系统（GSM-R）工程检测规程》（TB 10430—2014），无线场强覆盖率标准要求最小可用接收电平≥-98 dB，所测区间冉家湾隧道内电平≥-98 dB，无线场强覆盖率均为100%，满足标准要求，单项判定合格。

2）掉话率测试。测试期间未发生掉话。

3）越区切换测试。共进行20 次越区切换测试，越区切换成功率为100%；越区切换中断时间小于0.5 s（95%），测试结果为100%，满足标准要求。测试结果见表1。

表1 越区切换测试结果

4）语音质量测试。测试期间语音质量正常，无6、7 级严重质差。

5）TA 值 测 试。 测 试 期 间TA 值 未 出 现突变。

6）故障模拟测试。将基站6 所带直放站关闭，基站5 所带直放站的无线场强覆盖满足标准要求；语音质量正常，无6、7 级严重质差；TA 值未出现突变；未出现掉话，掉话率为0%。

将直放站远端机D6K580+269 断电，在直放站远端机D6K578+769 覆盖区域（D6K577+289～D6K579+519） 的无线场强覆盖满足标准要求；语音质量正常，无6、7 级严重质差；TA 值未出现突变；未出现掉话，掉话率为0%。

4.2 动态测试

1)语音业务和非列车运行控制类电路交换数据业务服务质量。呼叫（连接）建立失败概率和呼叫（连接） 建立时间均满足标准要求，测试结果见表2。

2）动态无线场强覆盖。动态无线场强覆盖情况检测结果如图5所示，主信号和从信号电平≥-98 dB，信号接收良好，且主、从信号之间差异明显，不会造成干扰，小区切换正常。单项判定满足标准要求。

表2 业务质量测试结果

图5 动态无线场强覆盖图

3）载干比测试。载干比标准要求为≥12 dB，现场测试结果＞15 dB，满足标准要求，单项判定合格。

综上所述，数字光纤直放站在双信源交织组网方式下，冉家湾隧道（上下行）内，GSM-R 系统各项技术指标，如呼叫（连接）建立失败概率、场强覆盖范围、越区切换成功率、越区切换中断时间、载干比、语音质量、TA值等均满足技术条件要求。

5 结论

为了可靠稳定地解决成昆铁路米攀段沿线地形复杂，长大隧道多造成的弱场区场强覆盖问题，最终研究采用GSM-R 数字光纤直放站交织冗余方案。

本文以成昆铁路米攀段冉家湾隧道上下行区间GSM-R 数字光纤直放站交织冗余覆盖方案为例，检测验证了各项性能指标，均满足技术要求。对于隧道内信号的冗余覆盖，提高服务水平，降低运维成本具有重要意义，也为后续全线工程推广和实施奠定了坚实基础，提供了有益参考。