胡 鵬

我國地域廣闊，鐵路建設(shè)環(huán)境復(fù)雜，其中山區(qū)鐵路沿線，深路塹、大彎道、長大隧道多，通常是GSM-R 網(wǎng)絡(luò)基站天線覆蓋的弱場區(qū)，一般采用光纖直放站結(jié)合天線或漏泄電纜的方式進行場強覆蓋［1］。

光纖直放站目前有模擬光纖直放站和數(shù)字光纖直放站2 種。隨著數(shù)字處理技術(shù)的進步，制造工藝的提升，數(shù)字直放站的硬件更加穩(wěn)定可靠，運維成本大幅降低；同時由于模擬直放站在應(yīng)用過程中存在局限性，數(shù)字光纖直放站替代模擬光纖直放站必將成為鐵路發(fā)展的趨勢。

成昆鐵路米易至攀枝花段地處攀西山區(qū)，沿線地形復(fù)雜，長大隧道多，為了可靠穩(wěn)定地解決弱場區(qū)場強覆蓋問題，最終確定采用GSM-R 數(shù)字直放站交織冗余覆蓋方案。本文以冉家灣隧道數(shù)字光纖直放站交織冗余覆蓋方案為例，對數(shù)字直放站的性能指標(biāo)進行了檢測分析，為后續(xù)工程實施奠定基礎(chǔ)。

1 數(shù)字光纖直放站

1.1 數(shù)字光纖直放站原理及系統(tǒng)構(gòu)成

數(shù)字中頻技術(shù)的實現(xiàn)過程：將射頻（RF）信號通過模擬下變頻變成中頻（LF）信號，然后通過模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字中頻信號，再經(jīng)過數(shù)字下變頻（DDC）變成數(shù)字基帶信號；經(jīng)數(shù)字信號處理后，再經(jīng)過數(shù)字上變頻（DUC）變成數(shù)字中頻信號，然后通過數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器變成模擬中頻信號，最后通過模擬上變頻恢復(fù)到射頻信號。這是在目前的元器件制造工藝水平基礎(chǔ)上的軟件無線電技術(shù)的具體應(yīng)用。

GSM-R 數(shù)字光纖直放站系統(tǒng)如圖1 所示，主要由近端機、遠(yuǎn)端機、光纖和網(wǎng)管設(shè)備構(gòu)成［2］。其主要原理為：在GSM-R 基站側(cè)，近端機將射頻信號數(shù)字處理為數(shù)字中頻信號，經(jīng)光纖傳輸至遠(yuǎn)端機，并在遠(yuǎn)端機利用數(shù)模轉(zhuǎn)換為模擬中頻信號，再還原成射頻信號，最后通過射頻單位再生和放大，實現(xiàn)GSM-R 基站信號拉遠(yuǎn)覆蓋。

圖1 GSM-R 數(shù)字光纖直放站系統(tǒng)

1.2 數(shù)字直放站與模擬直放站的對比

模擬光纖直放站傳輸?shù)氖俏唇庹{(diào)的射頻信號，經(jīng)過光纖傳輸后引入的噪聲和干擾是不可恢復(fù)的，所以傳輸距離較短［3］。組網(wǎng)結(jié)構(gòu)必須采用星型結(jié)構(gòu)，1 個中繼端最多連接4 個遠(yuǎn)端，中繼端和任意一個遠(yuǎn)端距離不超過20 km。

數(shù)字光纖直放站傳輸?shù)氖墙?jīng)解調(diào)后的數(shù)字信號，經(jīng)過光纖傳輸后引入的噪聲和干擾只要在規(guī)定范圍內(nèi)（這個范圍較大，只要在一定的誤碼率下接收端能正確識別數(shù)字信號即可），就可以恢復(fù)原始的數(shù)字信號，所以傳輸距離較長，而且可以適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。組網(wǎng)結(jié)構(gòu)可選用星型、菊花鏈型、拓?fù)湫偷龋?］，只需升級軟件就可以適應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)類型，硬件完全相同。采用星型結(jié)構(gòu)時，1 個中繼端可以連接多個遠(yuǎn)端，中繼端和任意一個遠(yuǎn)端距離理論上可以達(dá)到100 km；采用菊花鏈型結(jié)構(gòu)時，遠(yuǎn)端之間可以互連而不必每個遠(yuǎn)端都與中繼端相連，傳輸距離與星型結(jié)構(gòu)相同。

光信號衰減如圖2所示。在一定范圍內(nèi)，隨著光信號衰減，模擬傳輸方式的動態(tài)范圍隨之迅速下降，而數(shù)字傳輸方式則可以保持動態(tài)范圍穩(wěn)定不變［5］。

數(shù)字光纖直放站較模擬光纖直放站的優(yōu)勢主要有如下幾點：①射頻信號和光信號在傳輸過程中是獨立的，兩者互不影響；②動態(tài)范圍大，信號不隨光信號的衰減而衰減；③采用數(shù)字方式實現(xiàn)信號分路與合路，不會產(chǎn)生信號損耗；④光的色散因素對數(shù)字傳輸影響較小，短距離傳輸時可采用多模光纖；⑤數(shù)字光器件具有更高的可靠性，平均無故障工作時間（MTBF）更長，能有效減少運營維護的費用［6-8］。

圖2 光信號衰減

但數(shù)字光纖直放站也存在缺點，例如，多個直放站遠(yuǎn)端機共用一個基站作為信號源，如果基站故障，將出現(xiàn)較長距離的信號盲區(qū)，導(dǎo)致通信中斷，需采取電力設(shè)備的冗余配置等措施來加強系統(tǒng)的可靠性［9］。

對于同樣覆蓋90 km 的鐵路線路，采用模擬直放站的方案需要2 套模擬直放站設(shè)備；采用數(shù)字直放站的方案僅需1 套數(shù)字直放站設(shè)備。

2 成昆鐵路米攀段及冉家灣隧道概況

成昆鐵路為國家規(guī)劃的縱向綜合運輸大通道——臨河至防城港運輸大通道的重要組成部分，是西北、川西、川北地區(qū)至云南、東盟、南亞地區(qū)的客貨主通道［10］。

成昆鐵路米易至攀枝花段是成昆鐵路的重要組成部分，正線全長93.844 km，新建160 km/h 雙線隧道12 座，單線隧道2 座（營盤山左線隧道17.891 km，營盤山右線隧道17.934 km），隧道總長96.987 km。 其中， 隧道左線貫通長度為79.053 km，占正線線路總長的84.2%。其中，冉家灣隧道全長12.754 km，屬于長大雙線隧道。進口里程DK572+893，出口里程DK585+647。在冉家灣隧道進口及出口分別設(shè)置通信基站5 及基站6。

3 冉家灣隧道數(shù)字直放站交織冗余覆蓋方案

3.1 交織信號功率分控

如圖3 所示， 數(shù)字直放站遠(yuǎn)端機有主路（X 路）和交織路（Y 路）2 組光口，可以分別連接兩邊近端機的光信號。遠(yuǎn)端機可以區(qū)分來自于主路（X 路） 光口的載波信號和來自于交織路（Y 路）光口的載波信號，并在遠(yuǎn)端機中實現(xiàn)對2 路信號分別設(shè)置衰減值的功能［11］。

3.2 雙信源交織冗余覆蓋組網(wǎng)方案

因成昆鐵路米攀段地處攀西地區(qū)，為保障場強覆蓋，冉家灣隧道上下行（D6K572+769 至D6K583+269） 區(qū)域采用GSM-R 交織組網(wǎng)方式，使用數(shù)字光纖直放站進行無線覆蓋。其中，隧道內(nèi)各個遠(yuǎn)端機均采用2 路信號，前4 個遠(yuǎn)端機以基站5 的信號為主信號，經(jīng)過切換點后，后4 個遠(yuǎn)端機以基站6 的信號為主信號，形成冗余覆蓋保護。冉家灣隧道內(nèi)無線場強覆蓋見圖4。

圖3 交織信號功率分控示意

圖4 冉家灣隧道內(nèi)無線場強覆蓋

4 冉家灣隧道交織冗余覆蓋方案性能指標(biāo)分析

依據(jù)《鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）工程檢測規(guī)程》（TB 10430—2014）、《鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R） 設(shè)計規(guī)范》（TB 10088—2015）以及《高速鐵路通信工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》（TB 10755—2018）， 對 冉 家 灣 隧 道 上 下 行（D6K572+769 至D6K583+269）無線系統(tǒng)進行測試，包括掉話率、場強覆蓋、漫游切換、越區(qū)切換中斷時間、語音質(zhì)量、TA 值、單網(wǎng)覆蓋和故障模擬等性能指標(biāo)的測試。

4.1 靜態(tài)測試

1）靜態(tài)無線場強覆蓋測試。根據(jù)《鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）工程檢測規(guī)程》（TB 10430—2014），無線場強覆蓋率標(biāo)準(zhǔn)要求最小可用接收電平≥-98 dB，所測區(qū)間冉家灣隧道內(nèi)電平≥-98 dB，無線場強覆蓋率均為100%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，單項判定合格。

2）掉話率測試。測試期間未發(fā)生掉話。

3）越區(qū)切換測試。共進行20 次越區(qū)切換測試，越區(qū)切換成功率為100%；越區(qū)切換中斷時間小于0.5 s（95%），測試結(jié)果為100%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。測試結(jié)果見表1。

表1 越區(qū)切換測試結(jié)果

4）語音質(zhì)量測試。測試期間語音質(zhì)量正常，無6、7 級嚴(yán)重質(zhì)差。

5）TA 值 測 試。 測 試 期 間TA 值 未 出 現(xiàn)突變。

6）故障模擬測試。將基站6 所帶直放站關(guān)閉，基站5 所帶直放站的無線場強覆蓋滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；語音質(zhì)量正常，無6、7 級嚴(yán)重質(zhì)差；TA 值未出現(xiàn)突變；未出現(xiàn)掉話，掉話率為0%。

將直放站遠(yuǎn)端機D6K580+269 斷電，在直放站遠(yuǎn)端機D6K578+769 覆蓋區(qū)域（D6K577+289～D6K579+519） 的無線場強覆蓋滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；語音質(zhì)量正常，無6、7 級嚴(yán)重質(zhì)差；TA 值未出現(xiàn)突變；未出現(xiàn)掉話，掉話率為0%。

4.2 動態(tài)測試

1)語音業(yè)務(wù)和非列車運行控制類電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量。呼叫（連接）建立失敗概率和呼叫（連接） 建立時間均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，測試結(jié)果見表2。

2）動態(tài)無線場強覆蓋。動態(tài)無線場強覆蓋情況檢測結(jié)果如圖5所示，主信號和從信號電平≥-98 dB，信號接收良好，且主、從信號之間差異明顯，不會造成干擾，小區(qū)切換正常。單項判定滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 業(yè)務(wù)質(zhì)量測試結(jié)果

圖5 動態(tài)無線場強覆蓋圖

3）載干比測試。載干比標(biāo)準(zhǔn)要求為≥12 dB，現(xiàn)場測試結(jié)果＞15 dB，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，單項判定合格。

綜上所述，數(shù)字光纖直放站在雙信源交織組網(wǎng)方式下，冉家灣隧道（上下行）內(nèi)，GSM-R 系統(tǒng)各項技術(shù)指標(biāo)，如呼叫（連接）建立失敗概率、場強覆蓋范圍、越區(qū)切換成功率、越區(qū)切換中斷時間、載干比、語音質(zhì)量、TA值等均滿足技術(shù)條件要求。

5 結(jié)論

為了可靠穩(wěn)定地解決成昆鐵路米攀段沿線地形復(fù)雜，長大隧道多造成的弱場區(qū)場強覆蓋問題，最終研究采用GSM-R 數(shù)字光纖直放站交織冗余方案。

本文以成昆鐵路米攀段冉家灣隧道上下行區(qū)間GSM-R 數(shù)字光纖直放站交織冗余覆蓋方案為例，檢測驗證了各項性能指標(biāo)，均滿足技術(shù)要求。對于隧道內(nèi)信號的冗余覆蓋，提高服務(wù)水平，降低運維成本具有重要意義，也為后續(xù)全線工程推廣和實施奠定了堅實基礎(chǔ)，提供了有益參考。