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        GSM-R弱場覆蓋研究

        2011-12-31 13:41:16上官興鑫
        鐵路技術(shù)創(chuàng)新 2011年2期
        關(guān)鍵詞:信號

        ■ 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。

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