王 哲 鐘章隊 丁建文

GSM－R網(wǎng)絡(luò)沿鐵路線狀覆蓋，列車在運(yùn)行過程中會發(fā)生頻繁的越區(qū)切換，其后果就是降低了服務(wù)質(zhì)量。所以減少切換次數(shù)，簡化切換過程，避免乒乓切換，及時快速完成切換，是提高GSM－R越區(qū)切換性能的關(guān)鍵。

1 直放站的問題

目前，對于局部基站密度較小、信號衰落嚴(yán)重的信號弱區(qū)或盲區(qū)，采用直放站補(bǔ)充覆蓋。直放站是一種同頻放大設(shè)備，相當(dāng)于一種中繼器，可增強(qiáng)無線通信信號，增強(qiáng)射頻信號功率。雖然鐵路隧道內(nèi)側(cè)壁鋪設(shè)泄漏電纜，采用直放站作信源，可以解決隧道弱場覆蓋問題，但仍存在以下缺點。

1．由于直放站對信號進(jìn)行了2次轉(zhuǎn)換處理，所以發(fā)送至目標(biāo)區(qū)域的信號會有一定程度的失真，同時會引入噪聲，傳輸時延也會因為2次變頻而增加。

2．直放站不能與基站設(shè)備共同進(jìn)行網(wǎng)管維護(hù)，一般采用輪巡方式，在設(shè)備告警實時性方面較差，查詢狀態(tài)信息速度較慢，基本沒有網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控能力。

3．直放站不能向LTE制式演進(jìn)，不支持?jǐn)U容，需要更加先進(jìn)的技術(shù)代替。

2 光纖拉遠(yuǎn)基站

光纖拉遠(yuǎn)基站技術(shù)是通過分布式基站部署實現(xiàn)的。分布式基站 （DBS）是將基站分成近端設(shè)備和遠(yuǎn)端設(shè)備，即基帶處理單元 （BBU）和射頻拉遠(yuǎn)單元 （RRU），二者之間通過光纖連接。接口是基于通用公共射頻接口 （CPRI）或開放式基站架構(gòu)（OBASI）接口。

BBU完成基帶處理 （信道編碼、復(fù)用等）、信令處理、本地和遠(yuǎn)程操作維護(hù)，以及NodeB系統(tǒng)的工作狀態(tài)監(jiān)控和告警信息上報等功能。將繁瑣的維護(hù)工作簡化至BBU端，便于管理。BBU框架如圖1所示。

RRU是將以前基站功能中的射頻部分分離出來，安裝在天線端。RRU負(fù)責(zé)無線信號的射頻與中頻處理，其內(nèi)部原理如圖2所示。

圖1 BBU框架圖

圖2 RRU原理圖

圖3 單層網(wǎng)覆蓋與光纖拉遠(yuǎn)基站覆蓋下小區(qū)切換對比示意圖

光纖拉遠(yuǎn)基站技術(shù)將BBU與RRU分離，一個BBU可以連接多個RRU，節(jié)省了成本，同時由于RRU體積較小，可以靈活分布在鐵路沿線，通過光纖基站拉遠(yuǎn)、RRU共小區(qū)等關(guān)鍵技術(shù)可以擴(kuò)大覆蓋范圍，解決高速鐵路中切換頻繁問題，提高了組網(wǎng)效率。此外，BBU與RRU通過光纖連接，損耗較低。

多RRU共小區(qū)技術(shù)是基于分布式基站架構(gòu)開發(fā)的。通過RRU拉遠(yuǎn)，一個BBU下的多個Subsite物理上分屬不同站址，邏輯上屬于同一個小區(qū)。此外，多RRU共小區(qū)技術(shù)還解決了高速環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)切換頻繁和弱場覆蓋問題。通過將多個RRU配置為統(tǒng)一邏輯小區(qū)，同時使用相同的頻點，可以擴(kuò)大邏輯小區(qū)的覆蓋范圍，不僅可以大幅減少高速列車上移動終端的切換頻度，提高高速環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)切換成功率，而且可以有效緩解目前鐵路通信頻率資源緊張的問題。同時，RRU還有星形組網(wǎng)、鏈形組網(wǎng)和環(huán)形組網(wǎng)等方式。RRU共小區(qū)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋如圖3所示。

光纖拉遠(yuǎn)基站和傳統(tǒng)的光纖直放站相比，主要具有以下優(yōu)點。

1．在傳輸時延和失真方面，RRU傳輸純基帶信號，BBU與RRU傳輸過程中也不會進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，因此，光纖拉遠(yuǎn)基站可以最大程度減少信號失真，也不會引入噪聲和增加傳輸時延。

2．在監(jiān)控告警方面，光纖拉遠(yuǎn)基站與普通GSM－R基站一樣，采用實時監(jiān)控機(jī)制，可以在第一時間上報設(shè)備故障，不僅可以監(jiān)控基站自身設(shè)備，還可以對完整的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行監(jiān)控，降低維護(hù)的人工成本。

3．光纖拉遠(yuǎn)基站技術(shù)已經(jīng)在3G中得到了廣泛的應(yīng)用部署，各大設(shè)備廠商也在光纖拉遠(yuǎn)基站加大研發(fā)投入，研究在LTE制式中的應(yīng)用。

3 仿真測試方案

光纖拉遠(yuǎn)基站技術(shù)雖然在公網(wǎng)中已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，但是出于鐵路系統(tǒng)安全性等方面考慮，并沒有在鐵路系統(tǒng)得到應(yīng)用，目前只是在極個別路段進(jìn)行了試驗。針對這一現(xiàn)狀，提出了無線光纖拉遠(yuǎn)基站技術(shù)測試方案，并已經(jīng)在北京交通大學(xué)鐵道部GSM－R實驗室開始部署試驗。仿真測試組網(wǎng)如圖4所示。將GSM－R設(shè)備與能夠模擬各種高速鐵路場景的高速無線信道仿真平臺相連，組建無線光纖拉遠(yuǎn)基站高速仿真測試環(huán)境，進(jìn)行仿真測試。

圖4 測試仿真組網(wǎng)圖

測試平臺主要基于GSM－R實驗室中興核心網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)，仿真350km／h高速運(yùn)行環(huán)境，將測試用模塊接入無線信道仿真系統(tǒng)。

仿真環(huán)境包括4部分：①GSM－R網(wǎng)絡(luò)，含 GSM－R核心 網(wǎng) （HLR／MSC／VLR／SSP／GCR／IWF） 和 無 線 網(wǎng)（BSC／BTS）；②無線信道建模與仿真子系統(tǒng)；③GSM－R終端及QoS測試系統(tǒng)軟件；④GSM－R QoS地面服務(wù)器及軟件。

無線信道建模與仿真子系統(tǒng)由高性能服務(wù)器、信道仿真儀、數(shù)字信號源、頻譜儀、矢量信號分析儀、數(shù)據(jù)采集卡及環(huán)形器、衰減器、饋線等硬件設(shè)備構(gòu)成。

仿真的基本原理是將開放的無線環(huán)境通過無線信道建模與仿真子系統(tǒng)來實現(xiàn)，即測試模塊與無線基站之間的Um接口不通過空間信號傳播，而是將上、下行信號均通過射頻線纜接入無線信道建模與仿真子系統(tǒng)，由無線信道建模與仿真子系統(tǒng)通過射頻線纜與實際若干個 （2～4個）GSM－R基站相連。測試中通過控制和設(shè)置無線信道建模與仿真子系統(tǒng)的各項參數(shù)，模擬不同場景環(huán)境、速度及干擾等級條件下的信道，并將現(xiàn)場采集的大尺度電波傳播數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)，控制移動終端在連續(xù)小區(qū)之間進(jìn)行越區(qū)切換，實現(xiàn)測試目標(biāo)。場強(qiáng)數(shù)據(jù)經(jīng)過格式處理和歸一化后可導(dǎo)入無線信道建模與仿真子系統(tǒng)，模擬移動終端在不同的小區(qū)間進(jìn)行切換?，F(xiàn)場采集的場強(qiáng)數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 實測場強(qiáng)數(shù)據(jù)

圖6為模擬列車在運(yùn)行到不同位置的信號強(qiáng)度所發(fā)生變化，從而在實驗室環(huán)境實現(xiàn)了移動臺越區(qū)切換的全過程，進(jìn)行小區(qū)切換的性能指標(biāo)分析、高速移動對越區(qū)切換造成的影響分析等。

4 結(jié)論

隨著我國高速鐵路里程的不斷增加，對小區(qū)覆蓋要求也日趨強(qiáng)烈。對光纖拉遠(yuǎn)基站技術(shù)在鐵路系統(tǒng)中應(yīng)用進(jìn)行研究，和直放站技術(shù)進(jìn)行對比，提出了針對光纖拉遠(yuǎn)基站技術(shù)在鐵路高速環(huán)境中應(yīng)用的仿真測試方案。

光纖拉遠(yuǎn)基站技術(shù)具有在公網(wǎng)中成功應(yīng)用的案例，并對解決高速鐵路中越區(qū)切換頻度過高、小區(qū)覆蓋范圍較小等問題有著明顯優(yōu)勢。在下一步的工作中，將針對提出的測試方案進(jìn)一步深入研究，并在實驗室進(jìn)行仿真測試，論證光纖拉遠(yuǎn)基站技術(shù)應(yīng)用于鐵路系統(tǒng)的可行性。

圖6 越區(qū)切換模擬

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