梁 靜

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

1 概述

隨著鐵路GSM-R 網絡技術的不斷發(fā)展，鐵路地形較為復雜、隧道群、多山體阻擋的弱場區(qū)域多采用“光纖直放站+天線”或者漏泄同軸電纜的方式進行覆蓋。鐵路光纖直放站是一種通信基站信號拉遠設備，主要包括模擬光纖直放站和數字光纖直放站，它是通過近端機把基站射頻信號轉換成光信號，然后通過光纖傳送到遠端機。模擬光纖直放站系統(tǒng)設計簡單，成本低、信號質量可靠，在鐵路GSM-R 網絡弱場覆蓋方案中應用較多，但是由于模擬光纖傳輸的固有特性給工程設計和運營維護中帶來很多問題：一是遠端機之間傳輸損耗的不同，造成遠端機輸出功率和覆蓋范圍的不同；二是遠端機接入基站，上行噪聲疊加引起基站靈敏度下降，導致基站覆蓋距離不能過長；三是存在傳輸時延，導致基站和光纖直放站遠端機、遠端機及遠端機之間的距離受限；四是考慮噪聲抬升、組網方式等因素，基站所帶遠端機數量受到限制[1]。

針對模擬光纖直放站在實際應用過程中存在的種種問題，采用數字技術的光纖直放站在鐵路GSM-R 無線覆蓋中得到越來越多的應用。數字光纖直放站將模擬射頻信號轉換成數字信號，利用光纖進行數字信號傳輸[2]。相比模擬光纖直放站，具有以下幾個方面的優(yōu)勢：一是采用數字功放技術，功率大，上行具有分集接收通道，具有較強的覆蓋能力；二是利用數字技術抑制噪聲，消除了多級級聯(lián)對基站上行底噪的抬升；三是具備自動時延校準功能，保證多個遠端機之間同步收發(fā)，消除重疊覆蓋區(qū)域的多徑干擾，從而增大了遠端機之間的設備間距，直放站遠端機選址更加靈活，不受距離限制；四是組網方式靈活，可采用鏈型、環(huán)型、星型及混合結構組網，調試簡單，工程環(huán)境適應性更強[3]。

以滬昆線為背景，深入探討數字光纖直放站在GSM-R 系統(tǒng)改造中的應用。

2 數字光纖直放站組成及組網

數字光纖直放站主要由近端機、遠端機及網管等組成。近端機主要由信號處理模塊（簡稱數字模塊或數字板）、介質雙工器、介質濾波器、功分器、電源模塊及射頻電纜等組成；遠端機主要由信號處理模塊、功放模塊、開關電源、腔體雙工器、射頻開關、功分器、光旁路開關及切換控制板等組成；網管主要由網管服務器和網管終端等組成[4]。

數字光纖直放站組網方式有鏈型結構、環(huán)型結構、星型結構及混合結構[5]，分別如圖1 所示。

圖1 數字光纖直放站組網方案Fig.1 Networking scheme of digital optical fiber repeater

3 方案介紹

滬昆鐵路全線采用普通單網網絡覆蓋，針對多隧道、丘陵地形，采用“數字光纖直放站+漏纜”方式對弱場區(qū)域進行覆蓋；針對無山體阻擋、地形開闊地帶，采用“數字光纖直放站+定向天線”方式進行覆蓋；針對多隧道、丘陵但漏纜容易丟失、被盜情況，采用“數字光纖直放站+小型雙極化定向天線”方式對隧道區(qū)間進行覆蓋[6，7]。

以大石板區(qū)間的覆蓋方案為例，分別如圖2、3所示。

如圖2、3 所示，該區(qū)間上行線路有隧道5 座，下行線路有隧道4 座，上行線路和下行線路線間距最大為630 m，最小為25 m，采用“數字光纖直放站遠端機+漏纜”貫通，覆蓋整個上下行隧道區(qū)間，在隧道間的明區(qū)間，采用隧道洞頂天線的方式覆蓋，隧道洞頂采用小型雙極化定向天線進行覆蓋；區(qū)間數字光纖直放站遠端機接入車站處設置的數字直放站近端機，車站處的數字光纖直放站遠端機采用定向天線進行覆蓋[8，9]。

圖2 弱場覆蓋方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of weak field coverage scheme

3.1 鏈路預算

GSM-R 網絡采用普通單網覆蓋方式，GSM-R網絡覆蓋電平滿足在95%的地點和時間統(tǒng)計概率下，接收機輸入端最小可用接收電平不小于-98 d Bm，基站之間應設置足夠的覆蓋重疊區(qū)以保證列車運行中成功完成越區(qū)切換。線路允許速度按照95 k m/h 計算，為保證系統(tǒng)可靠性，最大切換時間取10 s（二次切換），兩基站覆蓋重疊距離為264 m[10]。

考慮到線路采用數字光纖直放站方式進行無線覆蓋，由于數字光纖直放站需要對既有的模擬信號進行模-數轉換處理，將大大加大基站與所帶的第一個數字光纖直放站遠端機之間的時延差，故本工程中需要在基站附近增設一個數字光纖直放站遠端機，關閉基站發(fā)射信號，基站僅作為信源使用[11]。故本研究中僅考慮數字光纖直放站遠端機上下行鏈路平衡。應路局要求，數字光纖直放站遠端機功率采用5 W。

場強覆蓋計算采用Ok umur a-Hata 模型，覆蓋距離計算公式如下。

1）市區(qū)模型公式

2）郊區(qū)模型公式

3）開闊地模型公式

其中：

f：工作頻率（按930 MHz 計算）；

圖3 弱場覆蓋方案系統(tǒng)圖Fig.3 System diagram of weak field coverage scheme

hb：基站天線高度（m）；

hm：機車臺天線高度（4 m）；

a(hm)：移動臺天線高度校正因子，按中小城市取值；

d：傳播距離（km）。

3.1.1 空間波覆蓋計算

根據上下行鏈路預算公式及覆蓋距離計算公式[12，13]，結合不同的無線電波傳播環(huán)境和天線掛高，下行塔頂功分器損耗為-6 d B，饋線及接頭損耗為-3 d B，發(fā)射天線增益為17 d B；上行接收天線增益為17 d B，接收饋線及接頭損耗為-3 d B，塔頂功分器損耗為-3 d B，并考慮相應附加損耗、設計余量等因素計算得出數字光纖直放站遠端機的覆蓋范圍如表1 所示。

結合圖2 和圖3，新梁家溝隧道出口數字光纖直放站遠端機RU02、新小溪1 號隧道入口處數字光纖直放站遠端機RU03 和小溪2 號隧道入口處數字光纖直放站遠端機RU04 之間的設備間距分別約為790 m、515 m；區(qū)間基站處距離新梁家溝隧道入口處約為815 m。區(qū)間基站鐵塔高度為20 m，隧道洞頂敷設天線的高度按照隧道壁高度5 m 考慮，該區(qū)域較多山體阻擋，屏蔽較大，考慮采用市區(qū)模型進行無線覆蓋，圖3 大石板區(qū)間覆蓋為同一小區(qū)，不存在越區(qū)切換，根據表1 中的覆蓋預測，能夠滿足覆蓋要求[14，15]。

表1 數字光纖直放站遠端機覆蓋范圍Tab.1 Digital optical f i ber repeater RU coverage

3.1.2 漏泄同軸電纜覆蓋計算

同理，根據上下行鏈路預算公式及覆蓋距離計算公式，結合不同的無線電波傳播環(huán)境，直放站遠端機最大輸出功率按照5 W 考慮，下行功分器損耗為-3 d B，饋線及接頭損耗為-3 d B，漏纜注入功率為31 d B，接收饋線及接頭損耗為-3 d B；上行接收饋線及接頭損耗為-3 d B，功分器損耗為-3 d B，漏纜耦合損耗為68 d B，寬度因子為7 d B，漏纜傳輸損耗指標為27 d B/k m，并考慮相應附加損耗、設計余量等因素計算得出數字光纖直放站遠端機單邊漏纜傳輸距離為1.44 k m，雙邊漏纜傳輸距離為2.88 k m。根據漏纜覆蓋預測情況，結合圖3 中隧道區(qū)間漏纜貫通方案，滿足覆蓋要求[16，17]。

根據圖3，數字光纖直放站遠端機RU05 上下行隧道所連接的漏纜長度分別為2.09 k m 和1.95 k m，上下行漏纜長度差值0.14 k m，上下行漏纜傳輸損耗差值為0.14×27=3.78 d B，應在數字直放站遠端機功分器與避雷器之間增設5 d B 耦合器，以平衡上下行隧道漏纜注入功率，耦合器直通端通過避雷器接上行隧道漏纜，耦合器耦合端通過避雷器接下行隧道漏纜[18]。

3.2 時延調整

數字光纖直放站具有自動時延調整的特點，時延調整的重要因素最大時間提前量TA，是指移動臺信號到達基站的實際時間和假設該移動臺與基站距離為0 時移動臺信號到達基站的時間的差值。如果是正常小區(qū)，TA 值范圍為0 ～63；如果是雙時隙擴展小區(qū)，TA 值范圍為0 ～255。在應用方面，每個TA 值約等于3.64 μs，距離為550 m；不同路徑到達接收點的TA 值不能超過15?？紤]光纖傳輸時延約為4.76 μs/k m，遠端機的轉發(fā)時延為1.5 微妙/臺，時延調整范圍大于100 μs；設備間隔按照1.5 千米/臺；按照遠端機數量×遠端機轉發(fā)時延+最遠設備距離×光纖傳輸時延=時延調整范圍（等于100 μs）計算，可分別得出以下結果：

1) 當采用鏈型組網時，按照8 臺遠端機設計，最遠設備可達18.8 km；

2) 當采用環(huán)型組網時，分別按照8 臺，7 臺，6 臺，5 臺遠端機設計：

按照8 臺遠端機設計，最遠設備可達9.4 km；

按照7 臺遠端機設計，最遠設備可達9.5 km；

按照6 臺遠端機設計，最遠設備可達9.7 km；

按照5 臺遠端機設計，最遠設備可達9.8 km。

3.3 組網方案

結合各組網方案優(yōu)缺點，滬昆鐵路GSM-R 移動通信系統(tǒng)改造工程采用環(huán)型組網方案，該組網方案網絡具有自愈能力，在一段光纖出現故障時可以進行鏈路倒換[19]。如圖3 設計方案所示，5 個數字光纖直放站遠端機組成一個環(huán)，最遠設備間距=1.97+0.755+1.915=4.64<9.8，滿足設計要求。

3.4 小型雙極化天線的應用分析

相比單極化天線，雙極化天線具有垂直和水平兩個極化方案，可節(jié)省單個定向基站的天線數量，具有電調天線的優(yōu)點，可降低呼損減少干擾，可立桿或立柱架設，節(jié)省征地建塔的投資。小型雙極化天線是綜合考慮鐵路應用環(huán)境而研發(fā)的高增益定向天線，雙極化設計，增強上行信號接收效果；體積小，結構牢固，安裝簡便；使用效果好，可實現丘陵、隧道和彎道等場所的應用；經濟效益良好，成本遠低于漏纜覆蓋方案?？砂惭b在隧道外或者隧道壁上，在隧道外采用立桿或立塔方式安裝，在隧道壁采用壁掛方式安裝[20]。

關于小型雙極化天線的相關科研課題及應用較少，主要有兩個典型科研項目，一是成都局電務處組織、中鐵二院通號院、成都通信段、深圳思科泰公司等在渡口支線試驗段工程中共同開展的“低造價數字中繼系統(tǒng)在既有線GSM-R 改造中的運用研究”，二是廣鐵電務處組織，廣州通信段、思科泰公司等在廣珠貨線試驗段工程中共同開展的“GSM-R 區(qū)段數字光纖直放站天線取代漏纜研究”，其中渡口支線試驗段工程設備安裝調試完成后主要進行了場強覆蓋測試，未請GSM-R 系統(tǒng)驗收機構進行GSM-R 系統(tǒng)驗收測試（如Qo S 測試），科研結論是否符合工程預期尚待驗證；廣珠貨線試驗段工程科研課題目前尚未完成，科研結論及相關測試結果尚不可知。

小型雙極化定向天線在滬昆鐵路的應用是首例，工程實施過程中需特別注意以下幾點：1）施工單位需組織建設單位、設計單位、維護管理單位針對隧道壁、隧道頂、立桿/塔等天線安裝召開首件評估會，根據首件評估確定的工藝要求進行后續(xù)設備安裝工作；2）設備安裝前應對設備進行相應的測試，待測試合格后方可進行安裝；設備安裝應牢固，并符合設備的相應要求；線纜布放應平直整齊，固定牢靠，接頭配線正確可靠[21]。

4 總結及展望

以滬昆鐵路為背景，大石板區(qū)間設計方案為基礎，探討了數字光纖直放站在既有線GSM-R 改造中的應用技術，主要包括鏈路預算、時延調整、組網方案及小型雙極化天線應用等四部分。滬昆鐵路地形特殊，丘陵及隧道較多，在工程實施過程中需特別注意特殊點位的饋線敷設，漏纜敷設及設備安裝調試等，確保在有限的天窗時間內完成隧道內的漏纜敷設及光纜敷設工程；因篇幅有限，尚未對小型雙極化天線在隧道內的覆蓋預測和應用進行分析研究，在實際的工程設計與實施過程中，需根據線路的具體情況，針對性地進行方案比選、系統(tǒng)設計，選擇更加經濟高效的技術方案。