数字直放站交织冗余覆盖方案研究

2022-09-30乔桢

铁道建筑技术 2022年9期

乔桢

(北京中铁建电气化设计研究院有限公司北京 100043)

1 概述

我国西南地区多山区，且存在世界独有的喀斯特地貌形态。在这种复杂的山区地貌中，既有铁路线路多连续隧道、桥梁、涵洞等。这些地区的既有铁路无线通信方式仍采用较旧的无线列调技术。近年来，随着一些项目的策划实施，对这些地区的既有铁路无线通信进行了GSM-R系统改造。但是，这些复杂地形会影响铁路通信GSM-R系统的网络信号覆盖，形成弱场区域[1]。针对这种地形条件，GSM-R系统一般采用光纤直放站＋天线或漏缆方式进行补强覆盖。

相关铁路规范要求长度不小于3 km的隧道，GSM-R系统无线覆盖宜采取冗余覆盖的方案，提高GSM-R系统的通信稳定性。在大多数既有铁路GSM-R系统改造工程中，既有区间光缆资源十分紧张，通常只为GSM-R系统预留4芯光纤，且不具备既有槽道等条件进行新设光缆。如果新设光缆，会大幅提高工程的整体造价。因此，在这些工程方案设计阶段就需要进行充分全面的研究，如何既能充分利用房屋、电源、光纤等既有资源节省投资，又能满足相关规范及现场实际需求[2]。

2 GSM-R冗余覆盖可靠性理论分析

铁路通信GSM-R系统基站采用无线通信的方式覆盖铁路沿线，为铁路各专业提供通信通道，沿线的连续基站通过通信光缆相互物理连通在一起。沿线若干基站可认为是串联、并联状态[3]。对于串联结构，系统的可用度是各单元可用度的乘积:

式中，ASYS为串联结构的可用度；Ai为各个单元的可用度。

但是，对于并联结构，想要计算系统的可用度，需要先计算系统的不可用度:

式中，USYS为串联结构的不可用度；Ui为各个单元的不可用度。

因此，并联结构系统的可用度为:

假设单基站覆盖情况下，基站子系统的可用度为a。对于同站址双基站冗余覆盖，一个基站业务中断时，只要并列的基站可以提供业务，故障基站覆盖区域内的业务不会中断，基站子系统的可靠性为:

对于交织站址冗余覆盖，一个基站业务中断时，只要相邻两个基站可以提供业务，故障基站覆盖区域的业务不会中断，基站子系统可靠性为:

从可靠性公式理论分析，我们可以得出，对于提高整个GSM-R系统可靠性来说，同站址双基站冗余覆盖的可靠性略高一些。但是，在工程实际当中，往往需要对工程技术可靠性、建设周期、工程造价等多方面进行综合考量。尤其是涉及既有线改造的工程，工程成本的节省往往需要特别关注。因此，既有铁路GSM-R改造工程冗余覆盖往往采用串联结构。

3 数字直放站优势及特点分析

实现铁路沿线GSM-R通信系统[4]无线信号的无缝隙全覆盖，除了基站以外，更多地是采用性价比较高的移动通信直放站。而传统的直放站采用的是模拟技术，虽然技术成熟，但存在设备体积大、易受干扰等不稳定因素。随着技术的进步，近几年推出了具有更高性能的数字直放站，从而彻底解决模拟直放站中固有存在的诸多技术问题，大大提高直放站在铁路通信系统中的实用性[5]。

3.1 数字直放站主要技术优势

数字直放站的主要技术优势有组网方式灵活，具有更强的带外噪声抑制，降低系统噪声，改善通信质量；具有时延补偿功能，各直放站之间可以进行时延同步调整，减少多径干扰；光信号传输引起的损耗不影响射频信号大小，使得工程调试更简单；采用大功率的高线性功放，覆盖能力较强；具备分集接收功能，确保大功率广覆盖上下行链路平衡，提高了上行覆盖质量[6]。

采用数字直放站进行弱场覆盖时，为获取系统同步，需要把连接的基站输出屏蔽，仅作信源。

3.2 数字直放站特点

相对于模拟直放站，数字直放站具有众多先进性和独特优点。两者对比如表1。

表1 数字直放站与模拟直放站对比

其中，时延调整和噪声抑制功能是两个凸显的优势。由此可以简单地实现一拖多的组网模式，降低系统噪声，大大改善通信质量；实现小区更远覆盖，减少小区间的频繁切换，时延调整、补偿和同步功能，减少多径干扰[7]。

4 数字直放站拉远距离时延分析

数字直放站的拉远距离时延，直接影响到近端机可以串联的远端机数量。相关规范中要求的单机时延是18 μs，实际单机时延通常可达15 μs。数字直放站GSM-R系统采用TDMA时分多址技术，每载频分为8个时隙[8]。时隙之间的保护间隔很小，为消除MS到BTS的传播时延，GSM系统采用MS提前一定时间来补偿时延，时间提前量的取值范围是0 ～63 bit，每比特 3.7 μs，工程中，最大时间提前量一般取233 μs。数字直放站中，GSM信号在光纤介质中传播，其传播速度是空间中传播速度2/3。

数字直放站采用漏缆进行信号覆盖，假设漏缆长度为1.5 km，直放站远端机距基站为L，则:

式(6)中，信号在空气中传播速度为0.3 km/μs，漏缆的传播速度系数为0.88。因此，数字直放站采用漏缆进行信号覆盖，直放站远端机到基站的最远距离为19.1 km，信号覆盖的最远距离为20.6 km。考虑其他因素的影响，工程中直放站远端机的最大拉远距离为18.5 km。

5 交织冗余覆盖组网方案对比

通过以上理论分析，我们结合工程现场的实际情况，研究了数字直放站在GSM-R弱场的几种组网方案。数字直放站近端机与远端机设备之间支持星型、链型、菊花型、环型、混合型、交织冗余覆盖等组网方式[9]。

以既有铁路典型三站两区间的工程应用需求为例，假设最大站间距为10 km。传统的三站两区间考虑到稳定性，多采用环型组网方式。当采用环型组网方式时，中间某一远端设备出现光路中断时，该环上其他各个远端设备仍能通过环路两端与近端机连接正常工作，保证GSM-R系统连接的不掉线。三站两区间环型组网方式如图1所示。

图1 三站两区间环型组网

在车站甲、乙、丙内分别设置3个基站BTS1、BTS2、BTS3，近端机 A、B、C 分别与其相连；近端机 A连接A1～A4四个远端机；近端机B连接B1～B8八个远端机，分别位于近端机B的两侧；近端机C连接C1～C4四个远端机。假设，车站甲、乙之间以A4、B1中间点为基站BTS1、BTS2小区的切换点；车站乙、丙以B8、C1中间点为基站BTS2、BTS3小区的切换点。利用数字直放站的光旁路及光环路功能，近端机A、B、C使用2根光纤组成了典型三站两区间环型组网。该组网方式应用范围广泛，占用的光纤资源较少，可连接的远端机数量较多，系统可靠性较高，单台设备故障后可通过环回链路传输信号，不影响其他设备的使用。

但是，在3 km以上长大隧道等特殊地形条件下，弱场无线覆盖需考虑采用冗余覆盖方案。实际工程应用中，为防止某个节点的基站BTS或直放站近端机出现故障，提高网络的可靠性，采用交织冗余覆盖的组网方式。

5.1 八光口交织冗余覆盖

由于传统数字直放站设备无法对单环组网方式内的各个远端机实现任意主从的定义，因此，需要采用多光口的近端机来实现多区间的交织冗余覆盖组网[10-12]。如图2所示，远端机A1～A4以近端机A频点作为主信号，近端机B频点作为从信号；远端机B1～B4以近端机B频点作为主信号，近端机A频点作为从信号；远端机B5～B8以近端机B频点作为主信号，近端机C频点作为从信号；远端机C1～C4将以近端机C频点作为主信号，近端机B频点作为从信号。