GSM-R交織組網直放站接入基站的容量分析

■ 劉輝

1 概述

在GSM-R無線通信系統中，為保證鐵路沿線特別是山地、隧道、路塹等常規通信盲區的正常通信，通常采用光纖直放站設備對基站信號進行延伸覆蓋。使用光纖直放站進行覆蓋的優點是投資少、安裝方便、對工作環境要求低，可以很快地解決GSM-R通信信號覆蓋問題。

由于直放站是有源設備，直放站內部有較多有源放大器件，相關噪聲（包括設備本身噪聲和環境噪聲）經過放大和有效路徑損耗后進入基站，常常會提高接收機噪聲電平，導致施主基站的接收靈敏度下降。一般來說，由于GSM-R信號要求沿鐵路線線狀分布，通常一臺直放站無法滿足信號的覆蓋需要，出現一個基站帶多個直放站的情況，而在直放站設備較多情況下，其噪聲積累效應直接影響施主基站的覆蓋和容量。

特別是在高速鐵路GSM-R直放站系統中，為保證信號覆蓋的穩定性，直放站設備往往要求交織組網，當主從任意一個基站或光纖發生故障時，系統都能保證GSM-R系統的正常覆蓋和通信。這種直放站組網方式提升了系統的穩定性，但同時由于基站會同時接收到主、從直放站的上行噪聲，在一定程度上加大基站引入的噪聲。因此必須對系統中直放站數量及引入噪聲進行分析，從而保證基站的接收靈敏度和上行容量。

2 基站及直放站底噪相關計算及公式推導

2.1 基站設備自身噪聲計算

基站底噪PBTS=10lg（K×T×B） ＋ NFBTS（1）

式中：K——波爾茲曼常數，取1.38×10-23J/K；

T——開氏溫度，取常溫290 K；

B——信號帶寬，GSM-R系統信號帶寬 200 kHz；

NFBTS——基站噪聲系數。

在GSM-R系統中，10lg（K×T×B）是一個常數，其值為-121 dBm。

2.2 單個直放站引入噪聲計算

直放站引入噪聲是指直放站所產生的噪聲經放大和傳輸路徑損耗后，到達基站接收端口的熱噪聲電平。

PIN=10lg（K×T×B）＋NFREP＋GREPup-PLoss（2）

式中：NFREP——直放站噪聲系數；

GREPup——直放站上行增益；

PLoss——基站到直放站路徑衰減值。

基站到直放站路徑衰減值可以通過基站輸出功率、直放站輸出功率、直放站下行增益來計算：

WBS-PLoss＋GREPdown=WREP（3）

式中：WBS——基站輸出功率；

WREP——直放站輸出功率；GREPdown——直放站下行增益。

合并公式（2），（3）可得：

PIN=10lg（K×T×B）＋NFREP-（GREPdown-GREPup）-（WBS-WREP） （4）

由于10 lg（K×T×B）是一個常數，因此由公式

（4）可得出以下結論：

在理想狀況下，單個直放站引入噪聲只與直放站本身噪聲系數NFREP、下行與上行之間增益差值（GREPdown-GREPup）、基站和直放站功率差值（WBS-WREP）有關。

2.3 引入直放站后對基站噪聲的抬升值計算

系統噪聲為指數形分布，因此引入單個直放站后對基站噪聲的抬升可用以下公式計算：

引入單個直放站后基站噪聲抬升：

ROT=10lg[（10PBTS/10+10PIN/10）/ 10PBTS/10] （5）

引入n個直放站后基站噪聲抬升：

ROT=10lg[（10PBTS/10+10PIN1/10+10PIN2/10+10PIN3/10+

……10PINn/10）/10PBTS/10] （6）

在同一系統中，一般使用同一廠商相同配置的直放站設備，由于相同配置直放站引入噪聲基本相同，所以公式（6）可以簡化為：

ROT=10lg[（10PBTS/10+n×10PIN/10）/ 10PBTS/10] （7）

對于基站來說，通常有一個系統噪聲最大惡化值ROTMAX，因此要保證最終基站噪聲的抬升值小于系統噪聲最大惡化值，即ROT＜ROTMAX，即：

10lg[（10PBTS/10+n×10PIN/10）/ 10PBTS/10] ＜ROTMAX（8）

對公式（8）進行進一步推導，可得：

lg n＜（PBTS-PIN）/10+lg（10ROTMAX/10-1） （9）

將公式（1），（4）代入公式（9）中，可以得到：lg n＜[（NFBTS-NFREP）+（GREPdown-GREPup）+（WBSWREP）]/10+lg（10ROTMAX/10-1） （10）

由公式（10）可得出以下結論：

在理想狀況下，一個基站所允許接入的直放站數量只與基站和直放站本身噪聲系數的差值（NFBTS-NFREP）、直放站下行與上行之間增益差值（GREPdown-GREPup）、基站和直放站功率差值（WBS-WREP）以及基站允許噪聲的最大惡化值有關。

當然，引入直放站后，由于基站噪聲抬升，會減小基站及直放站設備的上行通信半徑。因此，對直放站數量進行規劃后，還需根據相應覆蓋要求及現場工程設備的實際情況，對上行通信半徑進行計算，以確保GSM-R手機接入系統的可靠性。

3 GSM-R交織組網直放站接入基站實例分析

某隧道長約16 km，隧道口兩端各安排一個基站，要求使用直放站和泄漏電纜對整個隧道進行覆蓋，每臺直放站設備功率為5 W（37 d Bm），要求保證使用直放站后隧道內GSM-R通信信號的無縫覆蓋。

通過基站及直放站指標可以確定：基站功率為20 W（43 dBm），自身噪聲系數為4，允許噪聲惡化3 dB，直放站自身噪聲系數為4，主要分配在上行低噪放大器及光模塊上。

將相應數據代入公式（10）中，可得：

lg n＜[（4-4）+（GREPdown-GREPup）+（43-37）]/10+lg（103/10-1） （11）

根據公式（11）可得，當直放站下行增益比上行增益大7 dB時，可接入19個遠端，當直放站下行增益比上行增益大8 dB時，可接入25個遠端。

考慮到隧道內避車洞間距及設備安裝方便，對于16 km的隧道，安排設置16個遠端，這樣每個直放站近端分別帶8個主設備和8個從設備。理論上，在這種情況下，只需保證（GREPdown-GREPup）大于7 d B即可，但為了盡量減少直放站設備對基站的噪聲影響，在設計中將（GREPdown-GREPup）調整為10 d B，但是在此情況下，上行信號的通信半徑會有所降低，因此，還要再計算一下（GREPdown-GREPup）=10 dB時，上行信號是否能滿足無縫覆蓋的要求。

下行增益GREPdown=37 d B-43 d B=-6 d B，則上行增益GREPup=-6 dB-10 dB=-16 dB。

按圖1設置系統增益。泄漏電纜采用1-5/8”輻射型漏纜，以其技術指標為例進行計算，在各頻段內的傳輸損耗和耦合損耗見表1。

網絡覆蓋及服務質量應達到以下要求：直放站遠端機接收靈敏度≥-89 dBm；覆蓋區內無線可通率≥99％；

該型泄漏電纜在900 M Hz 頻段內傳輸損耗為27 dB/km，2 m處耦合損耗為84 dB。

泄漏電纜的空間耦合損耗與距離的對應關系為：

LS（dB）=84＋10×lg（d/2）

整個泄漏電纜的損耗（包括傳輸損耗和空間耦合損耗）的計算公式為：

Loss（dB）=27×S /1 000＋LS=27×S /1 000＋84＋10×lg（d/2） （12）

式中：S ——泄漏電纜長度，m；

d ——用戶機離泄漏電纜的距離，m。

GSM-R手機的輸出功率為30 dBm，2 m處泄漏電纜的耦合損耗-84 d B，人體阻擋-5 d B，直放站最弱接收場強-89 d Bm。將以上數據代入公式（12），可以得到泄漏電纜的最大覆蓋距離S=1 112 m。

根據隧道方案，隧道內單根泄漏電纜最長距離為1 000 m。因此，在現有覆蓋距離下，GSM-R手機上行

表1 輻射型泄漏電纜在各頻段內的傳輸損耗和耦合損耗

信號完全可以滿足系統接收要求。

4 結束語

由以上理論及實例分析可以得出：只要對基站及直放站系統進行充分的分析和計算，可以很方便地確定基站及直放站系統的分布、位置和數量，并確定當前系統是否滿足覆蓋全路段的需要。同時，應考慮高速鐵路GSM-R直放站交織組網延伸覆蓋系統是一個綜合性、全方位的覆蓋工程，理論計算和試驗段測試結果不一定能完全照搬到實際工程中去。例如直放站設備放大器件線性度的惡化、設備內部射頻連接線松脫、天饋線系統接頭連接工藝不達標、跳線接頭松動、無源器件受雨水腐蝕和氧化等，都有可能抬升基站噪聲。因此，從系統方案設計開始，在滿足系統正常工作情況下，應盡量留出一定儲備量，保證系統在惡劣環境下能夠正常工作。

劉輝：武漢虹信通信技術有限責任公司，高級工程師，湖北 武漢，430073