梁 靜

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

1 概述

隨著鐵路GSM-R 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，鐵路地形較為復(fù)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(jìn)行覆蓋。鐵路光纖直放站是一種通信基站信號拉遠(yuǎn)設(shè)備，主要包括模擬光纖直放站和數(shù)字光纖直放站，它是通過近端機(jī)把基站射頻信號轉(zhuǎn)換成光信號，然后通過光纖傳送到遠(yuǎn)端機(jī)。模擬光纖直放站系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，成本低、信號質(zhì)量可靠，在鐵路GSM-R 網(wǎng)絡(luò)弱場覆蓋方案中應(yīng)用較多，但是由于模擬光纖傳輸?shù)墓逃刑匦越o工程設(shè)計(jì)和運(yùn)營維護(hù)中帶來很多問題：一是遠(yuǎn)端機(jī)之間傳輸損耗的不同，造成遠(yuǎn)端機(jī)輸出功率和覆蓋范圍的不同；二是遠(yuǎn)端機(jī)接入基站，上行噪聲疊加引起基站靈敏度下降，導(dǎo)致基站覆蓋距離不能過長；三是存在傳輸時(shí)延，導(dǎo)致基站和光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)、遠(yuǎn)端機(jī)及遠(yuǎn)端機(jī)之間的距離受限；四是考慮噪聲抬升、組網(wǎng)方式等因素，基站所帶遠(yuǎn)端機(jī)數(shù)量受到限制[1]。

針對模擬光纖直放站在實(shí)際應(yīng)用過程中存在的種種問題，采用數(shù)字技術(shù)的光纖直放站在鐵路GSM-R 無線覆蓋中得到越來越多的應(yīng)用。數(shù)字光纖直放站將模擬射頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，利用光纖進(jìn)行數(shù)字信號傳輸[2]。相比模擬光纖直放站，具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢：一是采用數(shù)字功放技術(shù)，功率大，上行具有分集接收通道，具有較強(qiáng)的覆蓋能力；二是利用數(shù)字技術(shù)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(shí)延校準(zhǔn)功能，保證多個(gè)遠(yuǎn)端機(jī)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(yuǎn)端機(jī)之間的設(shè)備間距，直放站遠(yuǎn)端機(jī)選址更加靈活，不受距離限制；四是組網(wǎng)方式靈活，可采用鏈型、環(huán)型、星型及混合結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，調(diào)試簡單，工程環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)[3]。

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

2 數(shù)字光纖直放站組成及組網(wǎng)

數(shù)字光纖直放站主要由近端機(jī)、遠(yuǎn)端機(jī)及網(wǎng)管等組成。近端機(jī)主要由信號處理模塊（簡稱數(shù)字模塊或數(shù)字板）、介質(zhì)雙工器、介質(zhì)濾波器、功分器、電源模塊及射頻電纜等組成；遠(yuǎn)端機(jī)主要由信號處理模塊、功放模塊、開關(guān)電源、腔體雙工器、射頻開關(guān)、功分器、光旁路開關(guān)及切換控制板等組成；網(wǎng)管主要由網(wǎng)管服務(wù)器和網(wǎng)管終端等組成[4]。

數(shù)字光纖直放站組網(wǎng)方式有鏈型結(jié)構(gòu)、環(huán)型結(jié)構(gòu)、星型結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)[5]，分別如圖1 所示。

圖1 數(shù)字光纖直放站組網(wǎng)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(wǎng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，針對多隧道、丘陵地形，采用“數(shù)字光纖直放站+漏纜”方式對弱場區(qū)域進(jìn)行覆蓋；針對無山體阻擋、地形開闊地帶，采用“數(shù)字光纖直放站+定向天線”方式進(jìn)行覆蓋；針對多隧道、丘陵但漏纜容易丟失、被盜情況，采用“數(shù)字光纖直放站+小型雙極化定向天線”方式對隧道區(qū)間進(jìn)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(shù)字光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)+漏纜”貫通，覆蓋整個(gè)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(jìn)行覆蓋；區(qū)間數(shù)字光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)接入車站處設(shè)置的數(shù)字直放站近端機(jī)，車站處的數(shù)字光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)采用定向天線進(jìn)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(yù)算

GSM-R 網(wǎng)絡(luò)采用普通單網(wǎng)覆蓋方式，GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋電平滿足在95%的地點(diǎn)和時(shí)間統(tǒng)計(jì)概率下，接收機(jī)輸入端最小可用接收電平不小于-98 d Bm，基站之間應(yīng)設(shè)置足夠的覆蓋重疊區(qū)以保證列車運(yùn)行中成功完成越區(qū)切換。線路允許速度按照95 k m/h 計(jì)算，為保證系統(tǒng)可靠性，最大切換時(shí)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(shù)字光纖直放站方式進(jìn)行無線覆蓋，由于數(shù)字光纖直放站需要對既有的模擬信號進(jìn)行模-數(shù)轉(zhuǎn)換處理，將大大加大基站與所帶的第一個(gè)數(shù)字光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)之間的時(shí)延差，故本工程中需要在基站附近增設(shè)一個(gè)數(shù)字光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)，關(guān)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(shù)字光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)上下行鏈路平衡。應(yīng)路局要求，數(shù)字光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)功率采用5 W。

場強(qiáng)覆蓋計(jì)算采用Ok umur a-Hata 模型，覆蓋距離計(jì)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(jì)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(jī)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(jì)算

根據(jù)上下行鏈路預(yù)算公式及覆蓋距離計(jì)算公式[12，13]，結(jié)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(yīng)附加損耗、設(shè)計(jì)余量等因素計(jì)算得出數(shù)字光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)的覆蓋范圍如表1 所示。

結(jié)合圖2 和圖3，新梁家溝隧道出口數(shù)字光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)RU02、新小溪1 號隧道入口處數(shù)字光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)RU03 和小溪2 號隧道入口處數(shù)字光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)RU04 之間的設(shè)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(shè)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(jìn)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(jù)表1 中的覆蓋預(yù)測，能夠滿足覆蓋要求[14，15]。

表1 數(shù)字光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)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(jì)算

同理，根據(jù)上下行鏈路預(yù)算公式及覆蓋距離計(jì)算公式，結(jié)合不同的無線電波傳播環(huán)境，直放站遠(yuǎn)端機(jī)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(biāo)為27 d B/k m，并考慮相應(yīng)附加損耗、設(shè)計(jì)余量等因素計(jì)算得出數(shù)字光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)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(jù)漏纜覆蓋預(yù)測情況，結(jié)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(jù)圖3，數(shù)字光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)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(yīng)在數(shù)字直放站遠(yuǎn)端機(jī)功分器與避雷器之間增設(shè)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(shí)延調(diào)整

數(shù)字光纖直放站具有自動時(shí)延調(diào)整的特點(diǎn)，時(shí)延調(diào)整的重要因素最大時(shí)間提前量TA，是指移動臺信號到達(dá)基站的實(shí)際時(shí)間和假設(shè)該移動臺與基站距離為0 時(shí)移動臺信號到達(dá)基站的時(shí)間的差值。如果是正常小區(qū)，TA 值范圍為0 ～63；如果是雙時(shí)隙擴(kuò)展小區(qū)，TA 值范圍為0 ～255。在應(yīng)用方面，每個(gè)TA 值約等于3.64 μs，距離為550 m；不同路徑到達(dá)接收點(diǎn)的TA 值不能超過15。考慮光纖傳輸時(shí)延約為4.76 μs/k m，遠(yuǎn)端機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延為1.5 微妙/臺，時(shí)延調(diào)整范圍大于100 μs；設(shè)備間隔按照1.5 千米/臺；按照遠(yuǎn)端機(jī)數(shù)量×遠(yuǎn)端機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延+最遠(yuǎn)設(shè)備距離×光纖傳輸時(shí)延=時(shí)延調(diào)整范圍（等于100 μs）計(jì)算，可分別得出以下結(jié)果：

1) 當(dāng)采用鏈型組網(wǎng)時(shí)，按照8 臺遠(yuǎn)端機(jī)設(shè)計(jì)，最遠(yuǎn)設(shè)備可達(dá)18.8 km；

2) 當(dāng)采用環(huán)型組網(wǎng)時(shí)，分別按照8 臺，7 臺，6 臺，5 臺遠(yuǎn)端機(jī)設(shè)計(jì)：

按照8 臺遠(yuǎn)端機(jī)設(shè)計(jì)，最遠(yuǎn)設(shè)備可達(dá)9.4 km；

按照7 臺遠(yuǎn)端機(jī)設(shè)計(jì)，最遠(yuǎn)設(shè)備可達(dá)9.5 km；

按照6 臺遠(yuǎn)端機(jī)設(shè)計(jì)，最遠(yuǎn)設(shè)備可達(dá)9.7 km；

按照5 臺遠(yuǎn)端機(jī)設(shè)計(jì)，最遠(yuǎn)設(shè)備可達(dá)9.8 km。

3.3 組網(wǎng)方案

結(jié)合各組網(wǎng)方案優(yōu)缺點(diǎn)，滬昆鐵路GSM-R 移動通信系統(tǒng)改造工程采用環(huán)型組網(wǎng)方案，該組網(wǎng)方案網(wǎng)絡(luò)具有自愈能力，在一段光纖出現(xiàn)故障時(shí)可以進(jìn)行鏈路倒換[19]。如圖3 設(shè)計(jì)方案所示，5 個(gè)數(shù)字光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)組成一個(gè)環(huán)，最遠(yuǎn)設(shè)備間距=1.97+0.755+1.915=4.64<9.8，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 小型雙極化天線的應(yīng)用分析

相比單極化天線，雙極化天線具有垂直和水平兩個(gè)極化方案，可節(jié)省單個(gè)定向基站的天線數(shù)量，具有電調(diào)天線的優(yōu)點(diǎn)，可降低呼損減少干擾，可立桿或立柱架設(shè)，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(yīng)用環(huán)境而研發(fā)的高增益定向天線，雙極化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)上行信號接收效果；體積小，結(jié)構(gòu)牢固，安裝簡便；使用效果好，可實(shí)現(xiàn)丘陵、隧道和彎道等場所的應(yīng)用；經(jīng)濟(jì)效益良好，成本遠(yuǎn)低于漏纜覆蓋方案。可安裝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(guān)于小型雙極化天線的相關(guān)科研課題及應(yīng)用較少，主要有兩個(gè)典型科研項(xiàng)目，一是成都局電務(wù)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(yàn)段工程中共同開展的“低造價(jià)數(shù)字中繼系統(tǒng)在既有線GSM-R 改造中的運(yùn)用研究”，二是廣鐵電務(wù)處組織，廣州通信段、思科泰公司等在廣珠貨線試驗(yàn)段工程中共同開展的“GSM-R 區(qū)段數(shù)字光纖直放站天線取代漏纜研究”，其中渡口支線試驗(yàn)段工程設(shè)備安裝調(diào)試完成后主要進(jìn)行了場強(qiáng)覆蓋測試，未請GSM-R 系統(tǒng)驗(yàn)收機(jī)構(gòu)進(jìn)行GSM-R 系統(tǒng)驗(yàn)收測試（如Qo S 測試），科研結(jié)論是否符合工程預(yù)期尚待驗(yàn)證；廣珠貨線試驗(yàn)段工程科研課題目前尚未完成，科研結(jié)論及相關(guān)測試結(jié)果尚不可知。

小型雙極化定向天線在滬昆鐵路的應(yīng)用是首例，工程實(shí)施過程中需特別注意以下幾點(diǎn)：1）施工單位需組織建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位、維護(hù)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(jù)首件評估確定的工藝要求進(jìn)行后續(xù)設(shè)備安裝工作；2）設(shè)備安裝前應(yīng)對設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的測試，待測試合格后方可進(jìn)行安裝；設(shè)備安裝應(yīng)牢固，并符合設(shè)備的相應(yīng)要求；線纜布放應(yīng)平直整齊，固定牢靠，接頭配線正確可靠[21]。

4 總結(jié)及展望

以滬昆鐵路為背景，大石板區(qū)間設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ)，探討了數(shù)字光纖直放站在既有線GSM-R 改造中的應(yīng)用技術(shù)，主要包括鏈路預(yù)算、時(shí)延調(diào)整、組網(wǎng)方案及小型雙極化天線應(yīng)用等四部分。滬昆鐵路地形特殊，丘陵及隧道較多，在工程實(shí)施過程中需特別注意特殊點(diǎn)位的饋線敷設(shè)，漏纜敷設(shè)及設(shè)備安裝調(diào)試等，確保在有限的天窗時(shí)間內(nèi)完成隧道內(nèi)的漏纜敷設(shè)及光纜敷設(shè)工程；因篇幅有限，尚未對小型雙極化天線在隧道內(nèi)的覆蓋預(yù)測和應(yīng)用進(jìn)行分析研究，在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)與實(shí)施過程中，需根據(jù)線路的具體情況，針對性地進(jìn)行方案比選、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選擇更加經(jīng)濟(jì)高效的技術(shù)方案。