■ 上官興鑫

GSM-R系統(tǒng)在我國鐵路建設(shè)中的作用越來越重要，對GSM-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)覆蓋設(shè)計的要求也在不斷提高，設(shè)計成功與否對GSM-R網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和建設(shè)成本具有重大影響。針對GSM-R網(wǎng)絡(luò)弱場覆蓋過程中常見的3個問題進行分析。

1 弱場覆蓋冗余要求

高速鐵路中，GSM-R網(wǎng)絡(luò)不但需要保證列車高速運行時能提供高質(zhì)量的服務(wù)及進行正常的小區(qū)重選及切換，而且要求出現(xiàn)單點故障時也能保證列車正常運行。GSM-R系統(tǒng)通常采用交織覆蓋方式，在弱場覆蓋方案設(shè)計中建議光纖直放站的組網(wǎng)方式同樣按照此原則設(shè)計（見圖1）。每個遠端機均應(yīng)設(shè)計成接收到來自2個基站的信號（主基站和從基站），建議采用主基站信號光纜傳輸和備用光纜傳輸設(shè)計原則，當(dāng)主基站信號光纜故障時，主基站信號可以通過備用光纜傳輸。從屬基站信號將通過第三根光纖接口連接到遠端機上，確保當(dāng)主基站宕機后整個隧道中的通信不會中斷。主用基站和從屬基站均連續(xù)工作，但工作在不同載頻上。從屬基站的輸出功率比主用基站約低6 d B（見圖2）。正常工作時用戶采用主用基站信號，當(dāng)主用基站宕機后，在隧道中的移動臺實時切換到冗余基站上。

采用以上設(shè)計思路完全可以滿足弱場區(qū)段的覆蓋方案在以下非連續(xù)點故障情況下系統(tǒng)仍能正常工作。

（1）直放站遠端機單點故障（光遠2），信號場強及切換區(qū)域變化見圖3。

覆蓋：光遠1與光遠2中點和光遠2與光遠3中點之間電平下降，其他區(qū)域無影響。

圖1 弱場覆蓋冗余設(shè)計

圖2 弱場覆蓋冗余設(shè)計信號場強及切換區(qū)域示意圖

切換：切換區(qū)域左移至光遠2附近。

（2）直放站近端機或基站單點故障（光近B或基站B），信號場強及切換區(qū)域變化見圖4。

覆蓋：標(biāo)段2的覆蓋電平下降6 dB。

切換：切換區(qū)域移至區(qū)間右端與下一個基站信號交疊覆蓋區(qū)之間。

（3）直放站單個模塊故障（電源模塊、功放模塊、光模塊）。

覆蓋：不受任何影響。

切換：不受任何影響。

（4）漏纜單點故障（光遠3與光遠4之間），信號場強及切換區(qū)域變化見圖5。

覆蓋：隨漏纜問題點變化。

切換：切換區(qū)域不變。

2 信源基站與隧道口遠端機距離要求

當(dāng)隧道口地理環(huán)境影響基站選址時，弱場覆蓋設(shè)計過程中經(jīng)常遇到圖6所示場景。信源基站與隧道口遠端機天線相向而設(shè)，此時如果來自信源基站與遠端機的2路信號時延差大于15μ s，并且同頻干擾保護比小于12 d B時將產(chǎn)生多徑干擾現(xiàn)象。設(shè)計階段為避免此問題，應(yīng)對信源基站與隧道口遠端機距離要求進行分析。

分析條件設(shè)定：光纖直放站系統(tǒng)傳輸延時1μs；空中電磁波傳播3.3μs/km，光纖傳播4.8μ s/km；BTS方向延時T 1=D 1×3.3μ s；直放站方向延時T 2=D×4.8μs+1μs+D 2×3.3μs；D=D 1+D 2；時延差T=T 2－T 1=D×4.8μs+1μs+D 2×3.3μs-D 1×3.3μs=D×8.1μ s+1μ s- D 1×6.6μ s。

式中：D為信源基站天線與隧道口遠端機天線之間距離；D 1為信源基站天線與用戶終端之間距離；D 2為隧道口遠端機天線與用戶終端之間距離。

當(dāng)滿足以下條件時，不會產(chǎn)生多徑干擾現(xiàn)象。

（1）T＜15μs。當(dāng)來自于信源基站與隧道口遠端機2路信號時延差小于15μs時，不會產(chǎn)生多徑干擾現(xiàn)象。即T=D×8.1μ s+1μ s－D 1×6.6μ s＜15μ s，當(dāng)D 1越小時T越大，D 1為0時T最大，此時T=D×8.1μ s+1μ s－D 1×6.6μ s＜15μ s，可得D＜1.72 km，即當(dāng)信源基站與隧道口第一個遠端機距離小于1.72 km時，不會產(chǎn)生多徑干擾現(xiàn)象。

圖3 遠端機單點故障時信號場強及切換區(qū)域變化示意圖

圖4 基站或近端機單點故障時信號場強及切換區(qū)域變化示意圖

圖5 漏纜單點故障時信號場強及切換區(qū)域變化示意圖

圖6 隧道口基站與遠端機天線相向而設(shè)

（2）T≥15μ s且C/I＞12 d B。當(dāng)來自于信源基站與隧道口遠端機2路信號時延差大于15μ s時，如果該點移動臺接收信號的同頻干擾保護比大于12 d B，同樣不會產(chǎn)生多徑干擾現(xiàn)象。當(dāng)T=D×8.1μ s+1μ s－D 1×6.6μ s≥15μ s時，可得D與D 1關(guān)系（見圖7）。在D≥1.72 km的橫軸任意一點時，D 1取值為垂直于該軸的直線與陰影區(qū)域的重疊部分。

在D取值使T≥15μ s時，C/I需要大于12 d B才不會產(chǎn)生多徑干擾現(xiàn)象。就移動臺接收點C/I進一步分析。

無線信號空間損耗傳播模型采用Okum u ra-Hata模型：

Lb=69.55＋26.16 lo g（f）－13.82 lo g（hb）-a（hm）+[44.9-6.55log（hb）]log（D）-S（a）-10.3（1）

式中：f為工作頻率，按930 M Hz計算；hb為天線高度，m；hm為機車臺天線高度，一般取4 m；a（hm）為移動臺天線高度校正因子，按中小城市取值為6.43；D為傳播距離，km；S（a）為建筑物密度修正因子，a為建筑物密度。

假設(shè)：移動臺接收到基站信號強度P 1；移動臺接收到遠端機信號強度P 2；移動臺接收到基站與遠端機2路信號強度之差P；基站距遠端機距離D；基站距移動臺距離D 1。則：

基站天線到移動臺信號空間損耗：

Lb（基站）=69.55+26.16log（f）-13.82log（hb）-a（hm）+[44.9-6.55 log（hb）]log（D 1）-S（a）-10.3 （2）

遠端機天線到移動臺信號空間損耗：

Lb（遠端機）=69.55+26.16 log（f）-13.82 log（hb）-a（hm）+[44.9-6.55 log（hb）]log（D-D 1）-S（a）-10.3 （3）

P=P 1-P 2=基站天線端口ERP-Lb（基站）-基站天線端口ERP+ Lb（遠端機） （4）

假設(shè)此時只有該信源基站與遠端機使用該頻率信號，則可認為P與C/I相當(dāng)。

當(dāng)D取值使得T≥15μ s時，即可根據(jù)D與D 1共同判斷是否滿足P＞12 dB。

假設(shè)：基站天線端口ERP為57 d Bm；遠端機天線端口ERP為40 dBm；基站及遠端機天線高度25 m。

P可進一步簡化為：

P=P 1-P 2=（57-Lb（基站））-40+Lb（遠端機））=17-35.74log（D 1/D－D 1） （5）

即：

P=17-35.74 log（D 1/D-D 1）＞12 dB （6）

同時需要考慮基站與遠端機的信號在D范圍內(nèi)任意點信號強度滿足以下條件：P 1=57-Lb（基站）＞-92 dBm；P 2=57-Lb（遠端機）＞-92 dBm。

3 上行輸入信號動態(tài)范圍

目前，GSM-R網(wǎng)絡(luò)中光纖直放站對無線射頻信號的耦合采用2種不同方案（見圖8，圖9），方案A采用約40 dB耦合器，方案B采用相對較小的10 dB耦合器。

圖7 D與D1關(guān)系變化圖

圖8 方案A示意圖

圖9 方案B示意圖

2種方案不同點：方案B使用較小耦合器，但在近端機內(nèi)部通過對下行鏈路路徑增加衰減器減小進入遠端機的下行信號。

分析不同方案對上下行信號的影響，其結(jié)果見表1。分析條件設(shè)定：基站輸出信號47 d Bm，耦合器及跳線損耗2 d B，光功分損耗5 d B（假設(shè)近端機所帶遠端機數(shù)量小于4個），上行低噪聲放大器輸出控制啟動點－5 d Bm，下行輸出信號之前3 dB電橋損耗3 dB。

通過2種方案的對比分析可知，耦合器大小的選擇對下行鏈路沒有任何影響，主要對上行輸入信號動態(tài)范圍影響較大。方案A與方案B相比，上行可輸入信號的最大值降低了23 dB。

上行輸入信號動態(tài)范圍實際應(yīng)用影響：

在上行低噪聲放大器增益及輸出控制啟動點一定的情況下，當(dāng)上行輸入信號使上行低噪聲放大器輸出控制啟動后，上行低噪聲放大器增益隨上行輸入信號的增強而降低。網(wǎng)絡(luò)中只有單個用戶使用時不會出現(xiàn)問題，對系統(tǒng)及用戶服務(wù)沒有影響，但在圖10的特殊場景中會對用戶服務(wù)產(chǎn)生較大影響。

列車1自右向左向隧道方向行駛；列車2自左向右向遠離隧道方向行駛。如果沒有列車1，列車2從C到D之間的上行信號到達基站后剛好滿足上行最小接收電平的要求。

（1）在列車1到達B時，列車1的上行輸入信號較大，使自動增益控制功能啟動；此時列車2到達C，列車2的上行信號到達基站后滿足上行最小接收電平的要求。

表1 不同方案對上下行信號影響對比分析

圖10 上行輸入信號動態(tài)范圍影響示意圖

（2）隨著列車1的繼續(xù)行駛，列車1上行輸入信號的增大使上行功放增益逐漸減??；列車2在從C到D的過程中上行信號空間損耗逐步增大，原來設(shè)置的上行功放增益剛好保證列車2在D時的上行信號到達基站后滿足上行最小接收電平要求，但列車1的上行輸入信號使上行功放增益減小，導(dǎo)致基站過早不能識別列車2到達基站的上行信號。