淺談光纖直放站在山區鐵路中的應用

吳培軍

（中鐵三局電務工程有限公司，山西晉中 030600）

鐵路運營線路作為全國經濟運行的大動脈，不僅要運行于城鎮和平原地區，還要經常穿越大山、丘陵、森林等眾多地形復雜地段，這些特殊地形限制了車站電臺電磁波的傳播和無線信號的覆蓋，形成弱場強區，嚴重影響了無線列車調度通信。

現階段我國近1/3的鐵路在山區，因此解決山區無線列車調度信號覆蓋問題顯得尤為重要。采用光纖直放站是一種行之有效的解決方案。

1 概述

1.1 光纖直放站的工作原理

光纖直放站的工作原理，如圖1所示。下行方向：無線信號從車站電臺中耦合出來后，進入光近端機，通過電光轉換，電信號轉變為光信號，從光近端機輸入至光纖，再至光遠端機，光遠端機把光信號轉為電信號，進入射頻（RF）單元進行放大，信號經過放大后送入天線發射，覆蓋目標區域。上行方向鏈路的工作原理與下行方向相同。

1.2 光纖直放站的系統組成

主要有以下幾個部分組成：光近端機、光纖、光遠端機（覆蓋單元）。光近端機和光遠端機都包括RF單元和光單元。

1.3 利用光纖直放站在山區鐵路的無線信號覆蓋方式

光纖直放站通過光纖傳輸信號，無需考慮安裝地點能否接收到信號，只要光纖可以敷設到的位置，均可設置直放站，不受地理環境、天氣變化或施主基站覆蓋范圍調整的影響，且光纖傳輸損耗很小，每公里只有0.2～0.35 dB，此時再連接覆蓋天線或漏泄電纜對盲區進行覆蓋，能最大范圍地覆蓋盲區，減少投資，具體覆蓋方式如圖2所示。

（1）光纖直放站連接覆蓋天線

光纖直放站連接覆蓋天線，主要覆蓋車站部分和兩山體之間，覆蓋天線可根據覆蓋范圍選擇全向或定向天線。

從基站至直放站，再至覆蓋天線的各種損耗都比較小，再加上直放站設備和覆蓋天線的損耗增益，通過調節輸出功率等，可覆蓋20 km甚至更遠的覆蓋范圍。在山區鐵路兩基站間一般不會超過20 km，只有幾公里甚至幾百米、幾十米，所以采用“光纖直放站+覆蓋天線”完全滿足鐵路在兩山體之間的覆蓋要求。

（2）光纖直放站連接漏泄電纜

光纖直放站連接漏泄電纜主要覆蓋隧道部分。

在每個工程中，由于移動終端的最小輸出電平和基站接收靈敏度不同，連接直放站的漏纜長度不同。漏纜主要用來覆蓋隧道，其損耗值為αs=α×L+Lc，其中Lc為漏纜的耦合損耗值，L為漏纜長度，α為該漏纜的衰減常數，α×L為傳輸衰減。

當然，在考慮系統允許的最大衰耗值時，還需要考慮饋線、跳線及接頭、耦合器、功分器等的插損和耦合損耗的波動裕量（一般為5 dB）、車體屏蔽（一般為10 dB）、人體影響（一般為5 dB），以上損耗統稱為余量預留，用M表示。

計算漏纜的最大覆蓋距離：系統損耗為αmax=αs+M=α×L+Lc+M，則L=(αmax-Lc-M)/α，此L值即為漏泄同軸電纜的最大覆蓋距離。

（3）光纖直放站+漏泄電纜+覆蓋天線

在山區鐵路中，可根據實際地形地勢進行漏纜電纜和覆蓋天線的搭配使用，在經過一定長度漏纜的信號衰減后，連接覆蓋天線對非隧道區域進行信號覆蓋，最大程度地覆蓋盲區，減少投資。山區鐵路兩山體之間的距離較短，采用此種方式完全滿足覆蓋要求。

2 山區鐵路的無線信號覆蓋方案

以襄渝線的一段鐵路線——巴山至局界（西安局和成都局交界）段為例，簡單介紹利用光纖直放站的無線信號覆蓋。

2.1 地形狀況

本段鐵路復線全長約290 km，含14個車站，其中橋梁247座，長約45.8 km，含隧道164座，長約116 km。本段鐵路位于群山之間，瀕臨河流，經常穿越山體；車站位于鄉鎮邊緣，站間相距約12 km，區間經常是橋隧相連，更有甚者隧道連接橋梁，緊接著又是隧道，或隧道間只有幾十米。

2.2 襄渝線增建二線無線系統施工主要內容

（1）各車站設無線基站（含車站電臺、光近端機），通過車站電臺用RF同軸電纜引至車站全向天線，無線信號覆蓋車站及信號樓至區間第一個隧道間，若隧道口信號較弱，可利用區間直放站在隧道口設天線覆蓋。

（2）區間設光纖直放站、漏泄電纜、定向天線和光纜，光遠端機通過光纖接收來自光近端機的信號，無線信號放大后送入定向天線、漏泄電纜，定向天線覆蓋定向側的無線信號。漏泄電纜覆蓋漏纜敷設區的鐵路沿線。

（3）區間增加功分器、非漏泄同軸電纜和RF軟同軸電纜、終端負載。光纖直放站需要對本光纖直放站的兩個方向進行信號覆蓋，以及根據線路的特殊情況，如橋隧相連等，需要增加以上器件滿足鐵路沿線信號覆蓋。

2.3 襄渝線利用光纖直放站的信號覆蓋

利用光纖直放站進行山區弱場信號覆蓋，首先要明確直放站的安裝位置：（1）隧道內設置直放站時，出于對施工難度及設備維護的考慮，應盡可能設置在距離隧道口近的大避車洞內；（2）隧道外設置直放站時，應根據設備的需求如設備用地、設備接電、影響行車等條件選取；（3）出于對施工及設備維護等的考慮，在滿足信號覆蓋的條件下，盡量選擇在靠近交通運輸便利的位置。

其次，對于隧道的大小，并沒有一個嚴格的界限，根據光纖直放站可連接漏纜最大長度的公式L=(αmax-Lc-M)/α計算，本工程選定漏纜最大長度為1 500 m，這里暫且認定超過3 000 m的隧道為長大隧道。為減少投資和施工難度，采用下列方式設置光纖直放站。

2.3.1 隧道的信號覆蓋（隧道長度為L）

（1）當L≤1 500 m，在隧道外設置一處光纖直放站，單方向連接漏纜覆蓋隧道，漏纜終端根據需要連接天線或終端負載，如圖3所示。

光纖直放站一般設置在隧道出口，但實際施工中，因設備用地等原因，直放站經常設置在距離隧道口幾十米的位置，若考慮在此地出現轉彎等復雜地形，可能距離更長，達到幾百米。假設隧道長度L1，隧道至直放站間長度L2，漏纜覆蓋距離為L=L1+L2；此時鐵路沿線包括隧道在內的信號覆蓋通過漏纜覆蓋。

（2）當1 500 m

利用隧道內大避車洞設置光纖直放站，在滿足覆蓋距離的條件下，應盡可能設置在距離洞口近的大避車洞內。當有一端需要漏纜連接天線繼續延長覆蓋區域時，光纖直放站設置在距離需要接天線的一端，以減少信號衰減，滿足信號覆蓋。

（3）當L≥3 000 m時，在隧道內任意位置設置一處直放站均不能滿足隧道覆蓋，此時根據隧道的長度設置直放站的數量和具體位置，但兩直放站間的距離必須小于等于3 000 m，漏纜兩端接天線或終端負載，如圖5所示。

圖5所示設置了兩個直放站，RU1向右覆蓋1 500 m接終端負載，RU2向左覆蓋1 500 m接終端負載，若隧道再長時，按照此種接續方式繼續連接（連接漏纜長度不能大于1 500 m）。洞外需要信號的延續覆蓋時，接天線延續信號覆蓋，否則接終端負載。

2.3.2 橋隧相連或隧道群的信號覆蓋

在橋隧相連或隧道群地段，為避免盲區，在隧道間設置光纖直放站，分別向雙方向進行信號覆蓋：隧道段選用漏纜覆蓋；隧道外能架設漏纜采用漏纜架設覆蓋；無法架空時，采用非泄露型同軸電纜進行信號延續（橋梁段敷設于橋梁上的電纜槽內），用覆蓋天線進行信號覆蓋，如圖6所示。

特殊地當隧道間無法設置光纖直放站時，可考慮在隧道內設置。

2.3.3 鐵路出現轉彎的信號覆蓋

鐵路出現轉彎，原信號受山體阻隔而出現盲區，且又無法架設漏纜時，可選擇以下兩種方案。

方案1，在箭頭處設2幅天線，對鐵路沿線進行信號覆蓋；方案2可選擇在轉彎處設一雙方向天線或全向天線，雙方向進行信號覆蓋。

根據以上幾點施工，完畢后全線測量，既滿足了設計要求，又減少了工程造價，且降低了施工難度。

3 山區鐵路利用光纖直放站進行無線信號覆蓋的優點

3.1 工作穩定，覆蓋效果好

光纖直放站通過光纖傳輸信號，不受地理環境、天氣變化或施主基站覆蓋范圍調整的影響，因此工作穩定，覆蓋效果好。

3.2 施工更為靈活

無線直放站通過接收空間傳播的無線信號進行放大，從而擴大基站的覆蓋范圍。根據無線直放站的工作原理，無線直放站需把施主天線安裝在可以接收到GSM信號的地方，而且接收信號強度不能小于-80 dBm，所以無線直放站一般只能安裝在基站覆蓋范圍的邊緣，并向順著基站覆蓋的方向延伸覆蓋。同時，為了防止直放站自激，還需保證施主天線和覆蓋天線有足夠的隔離度。因此，無線直放站的安裝位置和方式受到一定限制。光纖直放站與無線直放站的最大區別在于施主基站信號的傳輸方式上，光纖直放站是通過光纖進行傳輸，無需考慮安裝地點能否接收到信號、收發隔離問題，選址比較方便；覆蓋天線可根據需要采用全向或定向天線。光纜很細，容易鋪設。因此，施工的靈活性大。

3.3 避免同頻干擾，可全向或定向覆蓋, 干擾少

光纖直放站是為了擴大無線信號的覆蓋范圍，從電信號至光信號，再至電信號，從基地站到遠程地區，可使干擾及插入損失減小到最小。

除此之外，還可提高增益而不會自激，有利于加大下行信號發射功率。并且信號傳輸不受地理條件限制，特別適合地形復雜的山區鐵路。