数字光纤直放站性能及应用研究

丁 珣

(中国铁建电气化局集团有限公司 北京 100043)

1 引言

作为列控信息的传输平台，基于行车安全性考虑，GSM-R网络的性能要求很高，合理的网络覆盖，是提升系统性能的关键[1]。从我国高速铁路建设之初，就开始采用模拟光纤直放站系统作为弱场信号补强的关键设备，但采用该设备时会有上行质量和多径干扰等方面的限制[2]，为解决该问题，结合铁路无线通信的发展趋势，提出了采用数字光纤直放站延伸GSM-R基站覆盖的方法，经过理论分析，认为数字光纤直放站具有上行噪声抑制和多径延时调整等功能[3－4]，后行业主管部门发布了数字光纤直放站的有关技术要求以及行业标准，开启了数字光纤直放站应用的序幕。数字光纤直放站除实现弱场补强的功能外，同时还可具备动环监控和漏缆监测等功能[5]，可以使用环形、星形、链形等组网方式[6]。不同隧道长度下适用的数字光纤直放站组网方式不同[7]，并应根据链路预算论证隧道口直放站的覆盖距离[8]。目前数字光纤直放站已逐步在既有线GSM-R改造中和新建高速铁路中应用[9]，经工程试验论证了通过对中频信号数字化处理，解决了模拟直放站因光纤长度变化而产生的损耗不一致的问题，实现了各远端机信号增益一致[10]。数字光纤直放站覆盖区段有关服务质量指标满足规范要求[11]。有关研究总结了有关数字光纤直放站运用时应注意的若干问题[12]和参数调整方法[13]。为更全面地分析数字光纤直放站的重要特性和应用注意事项，本文对京沈客专京冀段联调联试经验进行充分总结，以期后续工程提供数字光纤直放站调试指导。

2 特性分析

以京沈客专京冀段MY-XLXX09基站为例，通过分析在电路域列控数据业务长呼呼叫时该基站小区内的所有测量报告，见表1，得出数字光纤直放站的特性表现验证情况。

表1 MY-XLXX09基站测量报告

2.1 上行底噪抑制

数字光纤直放站系统通过调整上行链路底噪抑制门限，减小远端机上行底噪叠加；作为选频直放站，可以在上行链路滤除非工作频点信号，以降低上行底噪。远端机具备对每个上行载频信号检测能力，没有信号时，自动关闭上行信道，屏蔽上行底噪传输和累加。

从表1可以看出，在MY-XLXX09小区内，只在75号测量报告中上行质量为2级，其余测量报告中上行质量均为0级，整体上行质量良好。

2.2 多径干扰抑制

来自同一信源的信号，经过不同的传播路径，如折射、反射、衍射等，到达接收机时信号的时间、幅度都不同。若不同路径信号之间同时达到载干比小于12 dB，且时延差大于15 μs时，将会产生多径干扰。

数字光纤直放站系统通过采取手动和自动调节两种方式，保持各远端机的系统时延一致，从而抑制多径干扰。但数字光纤直放站信号转换处理会引入延时，因此在设置系统时延时，应综合考虑各远端机模数转换处理时延的差异性。

从表1可看出在MY-XLXX09小区TA值为54或55，无TA跳变，且只有少数测量报告中下行质量为1级或2级，其余均为0级，整体下行质量良好。

2.3 自动功率控制

GSM-R网络采用交织覆盖时，数字光纤直放站近、远端机应设置主路和从路，分别接入两个施主基站信源。远端机具有主从信源自动功率控制功能，即当检测到主信号丢失时，自动控制从信号抬高功率；当主信号恢复后，从信号自动恢复到原来的发射功率；主信号功率调整后，从信号输出功率自动跟随调整，保持主从信号功率差不变。

如图1所示，红色圈出部分为两个数字光纤直放站远端机覆盖区域，主路信号(棕色)与从路信号(粉色)功率差为6 dB左右。

图1 数字光纤直放站主从信号电平

联调联试期间，在测试半数站覆盖时，关闭了图1中圈出的远端机的主路来源基站，只有从路信号，如图2所示，可看出从路信号功率自动抬升至原来主路信号的功率强度，从而验证了主从信源自动功率控制功能。

3 设计注意事项

3.1 施主基站射频输出处理

若施主基站射频分两路，一路直接覆盖，另一路通过数字光纤直放站放大信号后再覆盖，通过直放站放大后的信号时延变大，两路信号之间会出现时间色散干扰。为避免基站与直放站重叠覆盖区域的多径干扰，应采用远端机替代施主基站射频发射，即基站射频输出通过耦合器后一端连接近端机输入，一端连接负载。

3.2 单小区覆盖范围

由于数字光纤直放站的多径干扰抑制功能和上行底噪抑制等特性，能提高覆盖区域的载干比，从而远端机单站覆盖距离可以达到1.5 km左右。当设计速度为350 km/h时，联调联试试验速度将达到385 km/h。为满足电路域列控数据业务传输服务质量指标中的传输无差错时间TREC＞20 s(95%)的要求，单个基站的最小覆盖范围L应满足以下要求:

由此可知，当采用基站加数字光纤直放站覆盖时，每个基站需至少连接2个数字光纤直放站远端机才能满足指标要求。

3.3 自动载波跟踪

模拟光纤直放站为宽带直放站，无窄带滤波器，对非工作频点无抑制，而数字光纤直放站为选频直放站，非工作频点抑制好，当基站改变载波频率时，数字光纤直放站能够在5 min内自动跟踪载波变化并设置工作频率。但当GSM-R话务量不多时，由于GSM-R基站关闭了跳频功能，TCH载波有可能处于不发射状态，从而未能触发数字光纤直放站对TCH载频频率的自动跟踪以及设置，因此当在话务量增加且占用基站TCH载频信道时，会出现数字光纤直放站未能正确触发选频设置而不能对数据进行承载情况，从而导致通话异常。为保证业务的正常传输，建议在GSM-R网络中采用数字光纤直放站时，关闭数字光纤直放站的自动载波跟踪功能，并且在调试和维护过程中，根据基站载频频率设置情况及时手动调整直放站频率。

4 安装及调试注意事项

数字光纤直放站系统复杂度高，维护难度较高。设备安装完成且加电后，要检查设备供电是否正常，主要部件的指示灯是否亮起，上电后若设备不工作可用万用表测试电源的输入和直流输出电压是否正常，以此判断是供电问题还是电源模块问题。要查看设备中频板上的工作指示灯和光路同步指示灯，确定近端机和远端机是否正常连通。系统调试时应用调试软件和直放站进行联机调试，确保连接正确，模块工作正常，参数设置正确。

下面对比较典型的近端机与远端机连接错误的情况进行分析，如图3所示，XJCXLS-SYX02基站和XJCXLS-SYX03基站所带远端机存在三类问题:部分远端机主信号与从信号来源接反；部分远端机未连接从信号；部分远端机无信号。

图3 数字光纤直放站连接错误典型案例

现场调试时，对该区域内所有数字光纤直放站近端机、远端机的主从通道连接进行排查，确认主从关系后，通过现场调整跳线或倒换尾纤等，使该区域实现正常覆盖，如图4所示。

图4 整改数字光纤直放站连接错误后覆盖

5 结论

(1)数字光纤直放站系统具有上行底噪抑制、多径干扰抑制和自动功率控制功能。

(2)数字光纤直放站设计时，应使用远端机替代施主基站射频发射，避免多径干扰。

(3)当采用基站加数字光纤直放站覆盖时，每个基站需至少连接2个数字光纤直放站远端机才能满足传输无差错时间指标要求。

(4)在GSM-R网络中采用数字光纤直放站时，应关闭数字光纤直放站的自动载波跟踪功能，并且在调试和维护过程中，根据基站载频频率设置情况及时手动调整直放站频率。

(5)数字光纤直放站设备安装时应着重注意主从通道连接是否正确。