喬 楨

(北京中鐵建電氣化設(shè)計研究院有限公司 北京 100043)

1 概述

我國西南地區(qū)多山區(qū)，且存在世界獨有的喀斯特地貌形態(tài)。在這種復雜的山區(qū)地貌中，既有鐵路線路多連續(xù)隧道、橋梁、涵洞等。這些地區(qū)的既有鐵路無線通信方式仍采用較舊的無線列調(diào)技術(shù)。近年來，隨著一些項目的策劃實施，對這些地區(qū)的既有鐵路無線通信進行了GSM-R系統(tǒng)改造。但是，這些復雜地形會影響鐵路通信GSM-R系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋，形成弱場區(qū)域[1]。針對這種地形條件，GSM-R系統(tǒng)一般采用光纖直放站＋天線或漏纜方式進行補強覆蓋。

相關(guān)鐵路規(guī)范要求長度不小于3 km的隧道，GSM-R系統(tǒng)無線覆蓋宜采取冗余覆蓋的方案，提高GSM-R系統(tǒng)的通信穩(wěn)定性。在大多數(shù)既有鐵路GSM-R系統(tǒng)改造工程中，既有區(qū)間光纜資源十分緊張，通常只為GSM-R系統(tǒng)預留4芯光纖，且不具備既有槽道等條件進行新設(shè)光纜。如果新設(shè)光纜，會大幅提高工程的整體造價。因此，在這些工程方案設(shè)計階段就需要進行充分全面的研究，如何既能充分利用房屋、電源、光纖等既有資源節(jié)省投資，又能滿足相關(guān)規(guī)范及現(xiàn)場實際需求[2]。

2 GSM-R冗余覆蓋可靠性理論分析

鐵路通信GSM-R系統(tǒng)基站采用無線通信的方式覆蓋鐵路沿線，為鐵路各專業(yè)提供通信通道，沿線的連續(xù)基站通過通信光纜相互物理連通在一起。沿線若干基站可認為是串聯(lián)、并聯(lián)狀態(tài)[3]。對于串聯(lián)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的可用度是各單元可用度的乘積:

式中，ASYS為串聯(lián)結(jié)構(gòu)的可用度；Ai為各個單元的可用度。

但是，對于并聯(lián)結(jié)構(gòu)，想要計算系統(tǒng)的可用度，需要先計算系統(tǒng)的不可用度:

式中，USYS為串聯(lián)結(jié)構(gòu)的不可用度；Ui為各個單元的不可用度。

因此，并聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可用度為:

假設(shè)單基站覆蓋情況下，基站子系統(tǒng)的可用度為a。對于同站址雙基站冗余覆蓋，一個基站業(yè)務(wù)中斷時，只要并列的基站可以提供業(yè)務(wù)，故障基站覆蓋區(qū)域內(nèi)的業(yè)務(wù)不會中斷，基站子系統(tǒng)的可靠性為:

對于交織站址冗余覆蓋，一個基站業(yè)務(wù)中斷時，只要相鄰兩個基站可以提供業(yè)務(wù)，故障基站覆蓋區(qū)域的業(yè)務(wù)不會中斷，基站子系統(tǒng)可靠性為:

從可靠性公式理論分析，我們可以得出，對于提高整個GSM-R系統(tǒng)可靠性來說，同站址雙基站冗余覆蓋的可靠性略高一些。但是，在工程實際當中，往往需要對工程技術(shù)可靠性、建設(shè)周期、工程造價等多方面進行綜合考量。尤其是涉及既有線改造的工程，工程成本的節(jié)省往往需要特別關(guān)注。因此，既有鐵路GSM-R改造工程冗余覆蓋往往采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

3 數(shù)字直放站優(yōu)勢及特點分析

實現(xiàn)鐵路沿線GSM-R通信系統(tǒng)[4]無線信號的無縫隙全覆蓋，除了基站以外，更多地是采用性價比較高的移動通信直放站。而傳統(tǒng)的直放站采用的是模擬技術(shù)，雖然技術(shù)成熟，但存在設(shè)備體積大、易受干擾等不穩(wěn)定因素。隨著技術(shù)的進步，近幾年推出了具有更高性能的數(shù)字直放站，從而徹底解決模擬直放站中固有存在的諸多技術(shù)問題，大大提高直放站在鐵路通信系統(tǒng)中的實用性[5]。

3.1 數(shù)字直放站主要技術(shù)優(yōu)勢

數(shù)字直放站的主要技術(shù)優(yōu)勢有組網(wǎng)方式靈活，具有更強的帶外噪聲抑制，降低系統(tǒng)噪聲，改善通信質(zhì)量；具有時延補償功能，各直放站之間可以進行時延同步調(diào)整，減少多徑干擾；光信號傳輸引起的損耗不影響射頻信號大小，使得工程調(diào)試更簡單；采用大功率的高線性功放，覆蓋能力較強；具備分集接收功能，確保大功率廣覆蓋上下行鏈路平衡，提高了上行覆蓋質(zhì)量[6]。

采用數(shù)字直放站進行弱場覆蓋時，為獲取系統(tǒng)同步，需要把連接的基站輸出屏蔽，僅作信源。

3.2 數(shù)字直放站特點

相對于模擬直放站，數(shù)字直放站具有眾多先進性和獨特優(yōu)點。兩者對比如表1。

表1 數(shù)字直放站與模擬直放站對比

其中，時延調(diào)整和噪聲抑制功能是兩個凸顯的優(yōu)勢。由此可以簡單地實現(xiàn)一拖多的組網(wǎng)模式，降低系統(tǒng)噪聲，大大改善通信質(zhì)量；實現(xiàn)小區(qū)更遠覆蓋，減少小區(qū)間的頻繁切換，時延調(diào)整、補償和同步功能，減少多徑干擾[7]。

4 數(shù)字直放站拉遠距離時延分析

數(shù)字直放站的拉遠距離時延，直接影響到近端機可以串聯(lián)的遠端機數(shù)量。相關(guān)規(guī)范中要求的單機時延是18 μs，實際單機時延通?？蛇_15 μs。數(shù)字直放站GSM-R系統(tǒng)采用TDMA時分多址技術(shù)，每載頻分為8個時隙[8]。時隙之間的保護間隔很小，為消除MS到BTS的傳播時延，GSM系統(tǒng)采用MS提前一定時間來補償時延，時間提前量的取值范圍是0 ～63 bit，每比特 3.7 μs，工程中，最大時間提前量一般取233 μs。數(shù)字直放站中，GSM信號在光纖介質(zhì)中傳播，其傳播速度是空間中傳播速度2/3。

數(shù)字直放站采用漏纜進行信號覆蓋，假設(shè)漏纜長度為1.5 km，直放站遠端機距基站為L，則:

式(6)中，信號在空氣中傳播速度為0.3 km/μs，漏纜的傳播速度系數(shù)為0.88。因此，數(shù)字直放站采用漏纜進行信號覆蓋，直放站遠端機到基站的最遠距離為19.1 km，信號覆蓋的最遠距離為20.6 km?？紤]其他因素的影響，工程中直放站遠端機的最大拉遠距離為18.5 km。

5 交織冗余覆蓋組網(wǎng)方案對比

通過以上理論分析，我們結(jié)合工程現(xiàn)場的實際情況，研究了數(shù)字直放站在GSM-R弱場的幾種組網(wǎng)方案。數(shù)字直放站近端機與遠端機設(shè)備之間支持星型、鏈型、菊花型、環(huán)型、混合型、交織冗余覆蓋等組網(wǎng)方式[9]。

以既有鐵路典型三站兩區(qū)間的工程應(yīng)用需求為例，假設(shè)最大站間距為10 km。傳統(tǒng)的三站兩區(qū)間考慮到穩(wěn)定性，多采用環(huán)型組網(wǎng)方式。當采用環(huán)型組網(wǎng)方式時，中間某一遠端設(shè)備出現(xiàn)光路中斷時，該環(huán)上其他各個遠端設(shè)備仍能通過環(huán)路兩端與近端機連接正常工作，保證GSM-R系統(tǒng)連接的不掉線。三站兩區(qū)間環(huán)型組網(wǎng)方式如圖1所示。

圖1 三站兩區(qū)間環(huán)型組網(wǎng)

在車站甲、乙、丙內(nèi)分別設(shè)置3個基站BTS1、BTS2、BTS3，近端機 A、B、C 分別與其相連；近端機 A連接A1～A4四個遠端機；近端機B連接B1～B8八個遠端機，分別位于近端機B的兩側(cè)；近端機C連接C1～C4四個遠端機。假設(shè)，車站甲、乙之間以A4、B1中間點為基站BTS1、BTS2小區(qū)的切換點；車站乙、丙以B8、C1中間點為基站BTS2、BTS3小區(qū)的切換點。利用數(shù)字直放站的光旁路及光環(huán)路功能，近端機A、B、C使用2根光纖組成了典型三站兩區(qū)間環(huán)型組網(wǎng)。該組網(wǎng)方式應(yīng)用范圍廣泛，占用的光纖資源較少，可連接的遠端機數(shù)量較多，系統(tǒng)可靠性較高，單臺設(shè)備故障后可通過環(huán)回鏈路傳輸信號，不影響其他設(shè)備的使用。

但是，在3 km以上長大隧道等特殊地形條件下，弱場無線覆蓋需考慮采用冗余覆蓋方案。實際工程應(yīng)用中，為防止某個節(jié)點的基站BTS或直放站近端機出現(xiàn)故障，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，采用交織冗余覆蓋的組網(wǎng)方式。

5.1 八光口交織冗余覆蓋

由于傳統(tǒng)數(shù)字直放站設(shè)備無法對單環(huán)組網(wǎng)方式內(nèi)的各個遠端機實現(xiàn)任意主從的定義，因此，需要采用多光口的近端機來實現(xiàn)多區(qū)間的交織冗余覆蓋組網(wǎng)[10-12]。如圖2所示，遠端機A1～A4以近端機A頻點作為主信號，近端機B頻點作為從信號；遠端機B1～B4以近端機B頻點作為主信號，近端機A頻點作為從信號；遠端機B5～B8以近端機B頻點作為主信號，近端機C頻點作為從信號；遠端機C1～C4將以近端機C頻點作為主信號，近端機B頻點作為從信號。

圖2 八光口近端機交織冗余覆蓋組網(wǎng)

這種方案近端機B所在站點只需設(shè)置1個基站BTS2作為信源，但需要使用特殊的八光口近端機，設(shè)備造價較高，且每個區(qū)間均需要占用6根光纖。在既有線光纖資源不富裕的情況下，這種方案還可進一步優(yōu)化。

5.2 同站址雙設(shè)備交織冗余覆蓋

與采用八光口近端機方案類似，同站址雙設(shè)備實現(xiàn)交織冗余覆蓋。如圖3所示，在車站乙再設(shè)置1個基站BTS′2，為近端機 B′提供信源，作為遠端機A1～A4從信號，以及遠端機B1～B4的主信號。

圖3 同站址雙設(shè)備實現(xiàn)交織冗余覆蓋組網(wǎng)

這種方案需要使用2臺四光口的近端機B及B′，且每個區(qū)間也需要占用6根光纖，使用的光纖資源較多；此外，近端機B和B′所在站點還需提供2個基站BTS設(shè)備作為信源。此方案并沒有進一步節(jié)省光纖資源，反而增加了設(shè)備數(shù)量，加大了投資。

5.3 四光口交織冗余覆蓋

針對以上兩種方案，優(yōu)化后的四光口交織冗余覆蓋組網(wǎng)可以很好地解決以上問題。如圖4所示，該方案遠端機主、從信號同上述兩種方案，只是主、從信號的下行輸出功率相差值任意可調(diào)，主從信號功率差值為(6±1)dB。

圖4 四光口交織冗余覆蓋組網(wǎng)

這種方案相對典型環(huán)型組網(wǎng)方式，每個區(qū)間需占用4根光纖資源，無需增加基站BTS信源設(shè)備、也無需更換近端機設(shè)備配置，其優(yōu)點如下:

(1)近端機只需采用四光口即可實現(xiàn)鐵路典型三站兩區(qū)間的交織冗余覆蓋，每2個光口組成了一個單環(huán)。

(2)相對于方案一的8個光口近端機，4個光口近端機內(nèi)部的中頻處理FPGA芯片能力降低至少一半，成本降低；相對于方案二的雙近端機，設(shè)備成本也降低了一半。

(3)四光口交織冗余覆蓋組網(wǎng)方式只需要在一個區(qū)間中占用4根光纖，較好地節(jié)省了鐵路區(qū)間光纖資源，尤其更加適用于既有線改造的工程。

(4)根據(jù)工程現(xiàn)場實際需求，任意一個遠端機均可隨意定義交織主、從屬性。因此，設(shè)備安裝便捷，系統(tǒng)組網(wǎng)靈活，設(shè)備具有很強的通用性和兼容性。

(5)每個近端機只需要一個基站BTS作為信源，減少了基站分布數(shù)量，節(jié)省了工程投資。

6 結(jié)束語

在工程實際當中，尤其是涉及既有鐵路改造的工程，往往不僅需要對工程技術(shù)可靠性方面進行充分考慮，還需要綜合考慮工程進度及成本。因此，如何充分利用既有設(shè)施及資源，加快工程進度，節(jié)省工程投資在方案設(shè)計階段就需要充分全面考慮。

數(shù)字直放站具有組網(wǎng)方式靈活、降噪明顯、時延補償、調(diào)試方便等主要技術(shù)優(yōu)勢。將這些技術(shù)優(yōu)勢及特點結(jié)合工程實際情況，應(yīng)用實踐，可以較好地滿足現(xiàn)場實際需求。

對比多種交織冗余組網(wǎng)方案，可發(fā)現(xiàn)四光口交織冗余方案是一種可節(jié)省光纖資源，節(jié)約工程投資，且具備高可靠性的組網(wǎng)方案。這種方案在設(shè)備造價、光纖資源利用、實施通用性及兼容性、工程總投資方面均具有一定優(yōu)勢。目前，該組網(wǎng)方案在相關(guān)工程得到了實際應(yīng)用，質(zhì)量效益雙贏，希望為其他類似工程提供有益的參考。