济南局首条350 高速铁路数字光纤直放站应用分析

张祖宏，杨山荣，崔圣青

（1.中铁武汉电气化局集团上海电气有限公司，上海 201700；2.中国铁路济南局集团有限公司济南通信段，山东 济南250000）

1 概 述

随着国家铁路局TB/T 3367-2016《铁路数字移动通信系统（GSM-R）数字光纤直放站》和铁路总公司TJ/DW185-2016《铁路数字移动通信系统（GSM-R）数字光纤直放系统技术要求》等标准性技术文件的发布，数字光纤直放站在铁路新建线及既有线GSM-R改造中逐步使用，运营开通的线路也越来越多，如京沈高铁、朝凌高铁、张吉怀高铁和赣深高铁等[1]。数字光纤直放站作为一种新型网络优化设备，市场应用前景十分广阔[2]。济莱高铁工程是中国铁路济南集团公司管内首条使用数字光纤直放站的350 km/h高铁项目，于2022 年7 月完成设备安装，8 月完成加电调试，10 月完成动态联调。

济莱高铁项目位于山东省济南市和莱芜市境内，线路自济南东客站向东引出，上跨济青高铁、石济客专及东绕城高速后拐向南，沿东绕城高速西侧向南至京沪高速以南拐向东，沿京沪高速南侧向东进入章丘区，在章丘三德范村西侧向南进入莱芜市雪野旅游区，向南经莱城区、经开区、高新区，止于莱芜市钢城区钢城东站。本工程共设车站6 个，分别为济南东站、历城站、章丘南站、雪野站、莱芜北站、钢城站，设计行车速度为350 km/h。本项目正线长度117.155 km，其中路基总长度 26.5 km/78 处，线路占比为22.7%；桥梁总长度49.1 km/52 座，线路占比为41.8%；隧道总长度41.6 km/23 座，线路占比为35.5%。

GSM-R 频带窄、频点少，复用难，而且在与济青高铁、石济客专、辛泰铁路、瓦日铁路等线路并行、交叉、汇合区段，以及山区、隧道、桥梁等特殊环境场景无线网覆盖难度大，给GSM-R 的建设带来了不少困难，也导致GSM-R 网络通信质量不良的情况在新建线路上经常发生[3]。也给本线小区覆盖范围的优化、频率的规划、网络的优化、频点的统筹管理工作带来挑战。

2 数字光纤直放站工作原理

数字光纤直放站是一种同频信号放大中继设备，直放站系统由基站耦合器、光纤直放站近端机、光缆、光纤直放站远端机、天线或漏缆、网管等部分构成，近、远端机之间利用光纤实现安全可靠的长距离数据传输[4]。数字光纤直放站工作原理如图1 所示。

图1 数字光纤直放站工作原理示意图

下行信号处理流程：基站的下行信号通过近端机耦合接收，经信号放大、下变频后转成中频I/Q信号，再经ADC 变换成数字信号，数字信号经过FPGA 进行数字化处理（放大、滤波、合成等）后，经由光模块后转换成光信号，通过光纤传送到远端机，经基带处理单元解帧恢复，再经DAC 到射频，功率放大后通过天线发射出去。

上行信号处理流程：移动终端的上行信号通过天线接收，经低噪声信号放大后再经下变频到中频I/Q 信号，经ADC 变换到数字信号，数字信号经过FPGA 进行数字化处理后，通过上述的逆过程到近端机，返回给基站。

3 济莱高铁数字直放站组网方式

本线正线基站子系统按冗余覆盖设计：济南枢纽和与辛泰铁路、瓦日铁路交叉并线区采用分布式基站同站址冗余覆盖，沿线其区段采用基站结合数字光纤直放站单网交织覆盖。在采用数字直放站覆盖弱场强区时，沿线隧道及场强传播困难区段采用数字光纤直放站结合漏泄同轴电缆的方式解决弱场区覆盖问题。

直放站近端机与主用施主基站同址设置，远端机一般设于区间基站及隧道外独立直放站机房、隧道洞室。为了直放站系统进行统一的时延调整，保证通信系统通信质量及技术要求，基站不作为信元进行无线信号覆盖，而是由同站址的直放站远端机进行无线信号覆盖。数字光纤直放站网图如图2 所示。

图2 数字直放站系统网图

依据上述方案，济莱高铁全线使用数字光纤直放站的近端机18 套，远端机70 套（含动环监测及UPS电源）。数字光纤直放站远端机平均间隔约1.28 km。

数字光纤直放站与归属实体基站间利用济莱高铁的下行48 芯视频光缆、上行G 网专用24 芯光缆分配专用纤芯（主备）进行光纤链路跳接。

区间基站及隧道口独立直放站机房光缆敷设采用下行48 芯视频光缆、上行G 网专用24 芯光缆全缆引入ODF 成端，隧道洞室采用24 芯分歧光缆套袖环引成端。

图2 数字直放站系统连接示意图中环1 纤芯为主用环，使用济莱高铁下行48 芯视频光缆1#—4#分歧（24芯光缆）环引至隧道洞室直放站机柜ODF子框，按顺序使用原则（从第一芯开始依顺序使用）用铠装尾纤跳接光纤链路使用。

环2 纤芯为备用环，使用济莱高铁上行G 网专用24 芯视频光缆1#—12#分歧（24 芯光缆） 环引至隧道洞室直放站机柜ODF 子框，按顺序使用原则（从第一芯开始依顺序使用）用铠装尾纤跳接光纤链路使用，纤芯使用同时需满足洞室内漏缆监测设备组网的电路使用（FE(0)）需求，并充分考虑了纤芯备用。

区间基站、独立直放站机房、隧道洞室光缆引入及分歧接续示意如图3 所示。

图3 区间基站、独立直放站机房、隧道洞室光缆引入及分歧接续示意图

4 网优工作经验总结

4.1 冷滑阶段测试分析

（1）ZhangQiuNan 切换到ZQN-XY01 后掉话，在ZQN-XY01 起呼后切换失败然后掉话。

ZhangQiuNan切换到ZQN-XY01 后TA=26，ZQN-XY01 起呼后切换失败然后掉话时的TA=26，在9：39：14 秒起呼以后TA=19，判断直放站时延设置有问题。ZhangQiuNan—ZQN-XY01 相邻小区电平切换图如图4 所示。

图4 TEMS 通信测试系统测试结果：ZhangQiuNan—ZQN-XY01 相邻小区电平切换图

由于直放站（ZZN-XY01/M 脱管）及其他备环目前未全部在线，待全部上线后统一计算时延值进行设置。

处理结果为直放站网管上线调整后复测正常。

（1）在章丘南出锦屏山隧道、青野隧道及南山寨隧道进口均存在电平陡降。

天线与隧道洞口存在一定距离，需要调整天线方位角与下倾角。锦屏山隧道---南山寨隧道相邻小区电平切换图如图5 所示。

图5 TEMS 通信测试系统测试结果：锦屏山隧道---南山寨隧道相邻小区电平切换图

建议将DK48+160、DK52+145、DK54+002 三处天线的二平台天线方位角向铁路方向调整30°，下倾角下压3°。DK48+160 天线调整示意图如图6 所示。处理结果：复测正常。

图6 DK48+160 天线调整示意图

4.2 联调联试阶段测试分析

4.2.1 K24 附近电平衰减过快

设备连接问题，现场核查设备。K24 附近相邻小区电平切换图如图7 所示。现场核查K24+216 远端机LC-ZQN03/R2 连线情况，发现功分器存在异常，对其进行更换。处理结果为复测正常。

图7 铁路通信检测系统FESAMES 测试结果：K24 附近相邻小区电平切换图

4.2.2 K50+803 附近信号覆盖过远

测试车辆在偶数基站测试中由于K50+803 覆盖区域存在过覆盖，导致乒乓切换，需要进行天馈调整。K50+803 附近相邻小区电平切换图如图8 所示。建议将DK52+145 有从信号的天线调整方位角，处理结果为复测正常。

图8 铁路通信检测系统FESAMES 测试结果：K50+803 附近相邻小区电平切换图

4.2.3 K35+388、K42+324 隧道口电平突降

在寨山隧道口K35+388 附近存在电平突降问题。K42+324 处出隧道口电平突降。K35+388 附近相邻小区电平切换图如图9 所示。

图9 铁路通信检测系统FESAMES 测试结果：K35+388 附近相邻小区电平切换图

建议在K35+388 小里程方向、在K42+324 小里程方向各增加一面天线朝向隧道口加强覆盖，增加后测试正常。

处理结果为复测正常。

4.2.4 K39+554 围子岭隧道口电平突降

K39+554 围子岭隧道口电平突降原因为测试车辆行驶至围子岭隧道出口时（下图标记箭头处），存在电平偏低现象。围子岭隧道出口数字直放站组网示意图如图10 所示。

同时，我国自身资本市场的联通也取得了实质性进展。十九大报告指出，支持香港、澳门立足自身独特优势融入国家发展大局，全面推进中国内地同港澳地区互利合作，与沪深市场一起共同成为“一带一路”建设的融资中心，有效解决“一带一路”中尤其突出的融资挑战。2018年5月1日证监会将沪深港通额度从每年130亿调整到520亿，从6月1日开始MSCI也把两百余只中国A股纳入新兴市场指数，这些都标志中国改革开放和金融市场国际化掀开了新的篇章。

图10 围子岭隧道出口数字直放站组网示意图

该区域为漏缆覆盖，初步判定故障系漏缆接头问题，需要排查漏缆及接头情况。

处理经过：在K39+565 直放站断开济南方向漏缆接头后，对K38+112---K39+655 漏缆逐段进行驻波比测试，逐段测试驻波比均在1.1---1.2 之间，判定K38+112---K39+655 漏缆及接头无问题，故判定该故障点在K38+112 或者K39+655 机房内。排查至K38+112 直放站后，发现K38+112 直放站内二功分器与天线馈线在LZ-ZQN06/R2 远端机侧RF1、 RF2 接反，随即将连接天线及漏缆的二功分器调至RF1 口，天线的收侧调至RF2 口。

K38+112---K39+655 漏缆逐段测试驻波如图11所示。K38+112 天馈线及漏缆安装示意图如图12 所示。

图11 K38+112---K39+655 漏缆逐段测试驻波

图12 K38+112 天馈线及漏缆安装示意图 （注：标注×为施工连接错误。）

复测正常（复测结果见图13，K39+554 附近相邻小区电平切换图）。

图13 铁路通信检测系统FESAMES 复测结果：K39+554 附近相邻小区电平切换图

4.2.5 K70+294 天线过覆盖

联调中发现K70+294 天线小里程存在过覆盖情况。K70+294 附近相邻小区电平切换图如图14 所示。将其下倾角下压四度，处理结果为复测正常。

图14 铁路通信检测系统FESAMES 测试结果：K70+294 附近相邻小区电平切换图

4.2.6 K40 处从信号过强，存在回切风险

图15 铁路通信检测系统FESAMES 测试结果：K40 附近相邻小区电平切换图

处理将K39-K40 附近远端机从信号降低。结果显示复测正常。

4.3 设备故障排查

结合网管上的设备故障状态，在静态测试和动态测试中排除设备故障，济莱高铁直放站主要的故障如下：

4.3.1 动环故障排查

本次设计洞室外独立直放站房屋及隧道内洞室动环采用直放站设备自带的动环监测设备，统一纳入直放站网管统一管理，在济南调度楼通信机房本线直放站网管和本线基站动环服务器互联，将直放站网管采集到的动环信息推送给本线动环监控中心。在本工程调试过程中存在部分动环通信、UPS 通信等动环故障，施工单位应加强施工培训，强化现场监督，对动环连线接线、接线端子、监控单元逐段排查，确定信号线连接无误并紧固后正常。

动环故障主要的问题：信号线接线错误； 信号线虚接、松动； 传感器模块损坏。

4.3.2 远端机温湿度告警处理经现场排查，设备紧固螺钉未拧紧，隧道内很潮湿，导致部分设备受潮进水，为排除隐患，将设备更换，故障消除。

建议施工调试阶段加强对设备紧固程度进行专项检查，特别是设备紧固螺钉拧紧到位，防止隧道内的潮气通过未密封严实的设备外壳缝隙进入设备腔内，造成设备腔内的板卡、缆束表面产生凝结水，造成设备故障。尤其潮湿，灰尘多的环境下更易发生。

4.3.3 光环路与光链路故障排查

光环路与光链路通过近端机指示灯与网管远端机状态进行排查，结合现场用光功率计、红光笔、OTDR 的运用，逐段查收光功率（顺序为：近端机机房设备尾纤末端---连接上光纤法兰转换头后端----远端机机房ODF 光纤适配器后端收线路侧光功率---连接上光纤法兰转换头前端---远端机设备光模块处），逐点位查找出故障点，通过更换法兰、熔接、无水乙醇棉球处理尾纤端面灰尘等手段处理光路LOS、光衰过大问题。

本段中继光缆虽然距离较短，但是主用、备用光纤链路跳接点比较多，普遍在3-6 处之间，在排除ODF 成端故障外，随身携带备齐无水乙醇药棉、光纤法兰转换头、铠装光纤跳线等材料备件。在排除故障过程中，由于隧道灰尘大，光纤跳线耦合面脏、光纤法兰转换头质量问题在本次处理光链路光衰过大或者光路LOS 故障中较为普遍。

4.4 数字直放站开通过程中施工中注意事项及常见问题处理

铁路通信系统包含的设备种类较多，技术标准要求高，如核心网设备、传输设备、数据网设备、无线设备（MSC、BSC、BTS、MU、RU）等。结合济莱高铁工程实施中的问题及处理措施，数字直放站开通经验总结如下：

4.4.1 施工中注意事项

（1）走线槽安装：本次施工采用镀锌防腐钢槽，要求横平竖直，走线合理，水平偏差≤2 mm，出线口采用现场切割加工，出线口需要用双面护线圈防止1/2 跳线及电源线割伤外皮（见图16 隧道内洞室直放站安装全景图）。

图16 隧道内洞室直放站安装全景图

（2）设备线缆布设：线缆规格、布设路由符合设计要求，电缆及1/2 跳线在转弯处应均匀圆滑，要保持垂直或水平，排列整齐，无大团扭绞和交叉；

（3）电缆芯线绕、焊：电缆剖头要整齐，不得伤及芯线，芯线卡接、绕接符合标准要求。

（4）接地：使用前需要和站前单位对接洞室内预留接地端子（本线预留两处），需要至用16 mm2分解引接两处接地铜排，一处做防雷地（1/2 馈线接地）；另一处做工作保护地（设备工作地及机壳接地），接地电阻≤4 Ω。

（5）施工测试：漏缆敷设、接续完毕后逐段测试驻波比，测试时加上负载，漏缆测试带上直流阻断器及防雷器一起测试。测试驻波比合格后方可对漏缆接头进行绝缘防水处理。

（6）直放站收容插箱 RF1、RF2 接1/2 跳线原则：F1 收发都有（必接），本工程为二功分器处1/2 跳线；RF2 只收不发（双极化天线要接，漏缆一般不接），本工程为天馈线收侧1/2 跳线。

4.4.2 开通常见问题处理建议

（1）场强覆盖问题。工程建设中，隧道内采用漏缆覆盖，隧道外采用天线覆盖。隧道口直放站由于地形等选址原因，导致铁塔与隧道口之间仍有一定的距离（本段工程直放站站址在隧道口45 度方向20-40 m 左右），此段区域只能由天线背面辐射覆盖，当距离较大时，易引起覆盖场强电平不足的情况。

针对类似的覆盖弱区，提出以下2 种处理建议：①增加向隧道口方向的天线，加强该弱区的场强覆盖；②调整天线方位角和俯仰角，改善该弱区的场强覆盖。

（2）小区切换问题。数字光纤直放站采用交织冗余覆盖，每台远端机需同时发射主、从信号，主信号来自归属基站，从信号来自邻近基站；切换点前的主信号，过切换点后就变成从信号。工程中易出现乒乓切换、延时切换和提前切换等各类切换问题。

处理建议：

（1）主从信号差值≥6 dB 可保证可靠切换，实际工程中场强存在快衰落，该数值应设置在9-12 dB左右才能保证可靠切换。

（2）场强信号的过覆盖也会导致切换异常，通过调整设备发射功率或调整天线俯仰角等措施来解决。

（3）设备故障问题。结合数字直放站网管上的设备故障状态，在静态测试和动态测试中排查各类设备故障，主要的故障如下：①远端机的动环模块与各传感器之间的连接电缆；②远端机的功放告警故障；③近、远端机的光纤链路跳接点过多导致接收光功率过大。处理更换各故障板件、逐段用光功率计查收光功率，排除尾纤适配器故障、尾纤耦合面脏的原因。

5 结 论

综上所述，与传统的模拟光纤直放站相比，数字直放站采用先进的数字信号处理技术和数字信号光纤传输技术，实现多载波移动通信信号的远距离传输和大容量、大动态范围的信号覆盖。噪声更低、传输距离更长，组网更灵活，远端重叠覆盖区时延可调整等优势。现有铁路链状网的应用环境下，采用数字直放站是一种较好的选择[5]。

鉴于数字直放站的诸多优点，结合高速铁路GSM-R 通信系统技术复杂、投资大、施工条件艰苦、施工难度大、行车干扰大等痛点、难点问题，本工程利用数字直放站+漏缆、数字直放站+天线或数字直放站+漏缆和天线的小区覆盖技术，较好地解决了山区桥隧占比大、既有线并行等复杂电磁环境、特殊地貌条件下无线信号覆盖的技术难题。

本工程的成功实践表明，高速铁路采用数字直放站+漏缆和天线是GSM-R 通信系统工程建设的重要手段。以济莱高铁GSM-R 数字光纤直放站的施工工作总结，为其他类似工程建设项目提供经验。