分布式基站在我國鐵路GSM-R系統中的應用研究

■ 楊銳

分布式基站（DBS）是將基站分成近端設備即無線基帶控制（BBU）和遠端設備即射頻拉遠（RRU）兩部分，二者之間通過光纖連接，其接口是基于通用公共射頻接口（CPRI）或開放式基站架構（OBASI）接口，可以穩定地與主流廠商的設備進行互聯。BBU可以安裝在合適的機房位置，RRU安裝在天線端，這樣，將以前的基站模塊的射頻部分分離出來，通過將BBU與RRU分離，可以將煩瑣的維護工作簡化到BBU端，一個BBU可以連接多個RRU，既節省空間，又降低設置成本，提高組網效率。同時二者之間采用光纖連接，損耗較低。

1 分布式基站工作原理及技術特點

1.1 射頻拉遠的工作原理

發送端下行信號經過基帶變頻、濾波，再經射頻濾波，最后經過線性功率放大器后通過發送濾波器傳至天饋。接收端將收到的上行信號進行濾波、低噪聲放大、射頻小信號放大濾波和變頻，然后完成模數轉換和數字中頻處理。RRU系統結構見圖1。

RRU與DBS基帶部分連接的接口有2種：CPR I及OBASI。RRU與基站控制器（BSC）連接見圖2。

1.2 分布式基站技術特點

分布式基站采用分布式架構、多載波技術和高效功放技術，把傳統的宏基站設備按照功能劃分為2個功能模塊：基站的基帶、主控、傳輸、時鐘等功能集成在BBU；收發信機、功放等中射頻集成在遠端射頻模塊上，射頻單元安裝在天線端。射頻單元與基帶單元之間通過光纖連接。RRU有2種類型：傳統雙密度RRU和多載波RRU。

雙密度載頻采用單載波功率放大器（SCPA）技術即窄帶PA，一塊載頻板只輸出2個頻點的射頻信號。在SCPA情況下，采用合路器帶來信號衰減，使多載波下功放整體效率降低（見圖3）。

多載波采用多載波功率放大器（MCPA）技術即引入基于寬帶PA，一個載頻板支持1～6個頻點的動態配置。M CPA情況下，利用同一PA模塊對多個載波進行放大（見圖4）。

1.3 分布式基站組網

分布式基站RRU與BBU之間支持星形、鏈形和環形組網方式（見圖5）。

1.4 分布式基站的優缺點

分布式基站優點：（1）分布式基站中BBU集中放置，RRU置于室外，RRU環境適應性強。全室外型設計，電壓動態范圍寬，RRU不需單獨設置機房、空調，可安裝于室外空地、屋頂、預制水泥桿；（2）BBU容量較大，實現了容量與覆蓋之間的轉化；（3）多個RRU可共享BBU基帶資源，可節省基帶投資；（4）分布式基站覆蓋技術支持平滑擴容，可通過“擴容不加站”實現對網絡的平滑調整；（5）RRU與BBU之間采用光纖連接，可以減少饋纜損耗。

分布式基站存在的問題：（1）分布式基站射頻單元出現故障時、更換不如傳統基站方便，一般只能直接更換整個RRU設備；（2）RRU設備多為小型化、集成度高的室外型設備，散熱不足是RRU的主要問題；（3）RRU和BBU間的光纖無法使用已有的傳輸網絡，只能使用光纖進行傳輸，基站設備無法實現傳輸設備對光纖的監控功能。

2 分布式基站在GSM-R系統中的應用

2.1 鐵路應用場景研究

我國鐵路GSM-R系統最主要的瓶頸在于頻率資源不足，目前可供GSM-R系統使用的只有EGSM的4 M b/s帶寬，導致很多鐵路樞紐地區、并線區段的頻率規劃困難；采用分布基站技術后可以增大小區的覆蓋范圍，可使頻率復用的距離增大，頻率資源利用率提高（見圖6）。

目前鐵路GSM-R系統承載的最重要業務是CTCS-3級列車控制業務，由于GSM系統的切換會導致電器交換數據（CSD）傳輸短暫中斷，每一次切換都會帶來傳輸干擾，若采用分布式基站，使多個RRU共小區，減少切換次數，適應高速列車通信要求，減少傳輸干擾對CTCS-3級列控業務的影響。分布式基站RRU共小區見圖7。

圖4 多載波單元

圖5 RRU組網圖

圖6 分布式基站增加頻率復用距離

圖7 分布式基站RRU共小區

2.2 鐵路線交叉并線區段的無線覆蓋

在鐵路并線及交叉區段，若采用宏建站覆蓋時要控制好基站的切換點及覆蓋范圍，并對基站選址、網絡優化要求較高。如果采用分布式基站RRU共小區的覆蓋方式，基站選址和網絡優化難度都會大大降低。分布式基站鐵路線并線、交叉區段覆蓋見圖8。

2.3 隧道內的無線覆蓋

傳統的隧道內覆蓋方式均采用光纖直放站+泄漏電纜的方式，在隧道內同樣可以采用RRU+泄漏電纜的方式，隧道內可以采用主備用BBU，RRU共小區的方式，可以把切換點控制在隧道之外，同時使用備用BBU提供冗余，提高系統可靠性。RRU隧道內覆蓋見圖9。

RRU與數字光纖直放站可利用現有成熟的以太網數字光纖傳輸技術傳輸基帶信號，并共同遵守標準的CPRI和OBSAI接口。使用中可實現RRU和數字光纖直放站的遠端機互相替換。

覆蓋距離上，兩者均可作為基站拉遠系統供用，數字光纖直放站用作載波池拉遠，RRU可用作基帶池拉遠。載波池拉遠距離取決于小區覆蓋半徑和光在光纖上的傳輸速度，數字信號在光纖中傳播，其動態范圍也較模擬信號大，可以實現遠端機更大的信號覆蓋；同時，數字信號不隨光信號的衰減而衰減，因此其傳輸（拉遠）距離也進一步增加。經計算，最遠可達40 km。

維護管理上，RRU是基站設備的一部分，與基站設備同在一套網管中，而直放站設備需要單獨設置網管設備，而且目前直放站設備的網管功能都比較差。

組網方式上，RRU作為拉遠單元可單獨使用，而數字光纖直放站由近端機和遠端機組成，實際應用時，近端機是一個，遠端機可以是一個或多個，組網上可并聯也可串聯，組網方式可以多樣化，如鏈形、環形、樹形等。

圖8 分布式基站鐵路線并線、交叉區段覆蓋示意圖

圖9 RRU隧道內覆蓋示意圖

傳輸時延上，因為存在2次變頻過程，致使數字光纖直放站的傳輸時延比較大。而RRU直接傳送基帶信號，時延不明顯。

底噪抬升上，數字光纖直放站僅采用模擬數字轉換器（ADC）和數字模擬轉換器（DAC），此過程只可能引入更多的量化噪聲，從而抬升上行噪聲。而RRU傳輸的為純基帶信號，可不用考慮底噪問題。

2.4 分布式基站應用前景

目前國際鐵路聯盟（UIC）、歐洲鐵路通信標準機構（EIRENE）等對分布式基站的應用沒有進行明確的定義說明，歐洲鐵路也沒有分布式基站的應用先例。在我國鐵路的聯絡線、站場等地段分布式基站有部分應用，但在鐵路正線、鐵路隧道、鐵路樞紐地區及高速鐵路區段的應用，仍需要通過試驗段進行分布式基站的各項功能指標進行測試。目前鐵路科研單位已經建成分布式基站的試驗環境，通過進一步的測試驗證，制定適合我國鐵路的分布式基站的規范、標準后，方可進行分布式基站的大規模應用。

3 結束語

通過對分布式基站技術的介紹和鐵路典型應用場景的說明，對分布式基站在GSM-R系統中應用的技術方案進行研究分析；分布式基站具有先進的技術和在公網的成功運用案例，并且對解決我國鐵路GSM-R無線頻率不足、鐵路樞紐地區及交叉并線區段的無線覆蓋相對于宏基站有著明顯優勢；希望可以在日后的工程實踐中積累更多的經驗，通過實際的工程測試數據說明分布式基站適合我國鐵路GSM-R系統各種運用場景。

[1] 鐘章隊，李旭，蔣文怡，等. 鐵路GSM-R數字移動通信系統[M]. 北京：中國鐵道出版社，2007