GSM-R弱場覆蓋研究

■ 上官興鑫

GSM-R系統在我國鐵路建設中的作用越來越重要，對GSM-R網絡設備及網絡覆蓋設計的要求也在不斷提高，設計成功與否對GSM-R網絡服務和建設成本具有重大影響。針對GSM-R網絡弱場覆蓋過程中常見的3個問題進行分析。

1 弱場覆蓋冗余要求

高速鐵路中，GSM-R網絡不但需要保證列車高速運行時能提供高質量的服務及進行正常的小區重選及切換，而且要求出現單點故障時也能保證列車正常運行。GSM-R系統通常采用交織覆蓋方式，在弱場覆蓋方案設計中建議光纖直放站的組網方式同樣按照此原則設計（見圖1）。每個遠端機均應設計成接收到來自2個基站的信號（主基站和從基站），建議采用主基站信號光纜傳輸和備用光纜傳輸設計原則，當主基站信號光纜故障時，主基站信號可以通過備用光纜傳輸。從屬基站信號將通過第三根光纖接口連接到遠端機上，確保當主基站宕機后整個隧道中的通信不會中斷。主用基站和從屬基站均連續工作，但工作在不同載頻上。從屬基站的輸出功率比主用基站約低6 d B（見圖2）。正常工作時用戶采用主用基站信號，當主用基站宕機后，在隧道中的移動臺實時切換到冗余基站上。

采用以上設計思路完全可以滿足弱場區段的覆蓋方案在以下非連續點故障情況下系統仍能正常工作。

（1）直放站遠端機單點故障（光遠2），信號場強及切換區域變化見圖3。

覆蓋：光遠1與光遠2中點和光遠2與光遠3中點之間電平下降，其他區域無影響。

圖1 弱場覆蓋冗余設計

圖2 弱場覆蓋冗余設計信號場強及切換區域示意圖

切換：切換區域左移至光遠2附近。

（2）直放站近端機或基站單點故障（光近B或基站B），信號場強及切換區域變化見圖4。

覆蓋：標段2的覆蓋電平下降6 dB。

切換：切換區域移至區間右端與下一個基站信號交疊覆蓋區之間。

（3）直放站單個模塊故障（電源模塊、功放模塊、光模塊）。

覆蓋：不受任何影響。

切換：不受任何影響。

（4）漏纜單點故障（光遠3與光遠4之間），信號場強及切換區域變化見圖5。

覆蓋：隨漏纜問題點變化。

切換：切換區域不變。

2 信源基站與隧道口遠端機距離要求

當隧道口地理環境影響基站選址時，弱場覆蓋設計過程中經常遇到圖6所示場景。信源基站與隧道口遠端機天線相向而設，此時如果來自信源基站與遠端機的2路信號時延差大于15μ s，并且同頻干擾保護比小于12 d B時將產生多徑干擾現象。設計階段為避免此問題，應對信源基站與隧道口遠端機距離要求進行分析。

分析條件設定：光纖直放站系統傳輸延時1μs；空中電磁波傳播3.3μs/km，光纖傳播4.8μ s/km；BTS方向延時T 1=D 1×3.3μ s；直放站方向延時T 2=D×4.8μs+1μs+D 2×3.3μs；D=D 1+D 2；時延差T=T 2－T 1=D×4.8μs+1μs+D 2×3.3μs-D 1×3.3μs=D×8.1μ s+1μ s- D 1×6.6μ s。

式中：D為信源基站天線與隧道口遠端機天線之間距離；D 1為信源基站天線與用戶終端之間距離；D 2為隧道口遠端機天線與用戶終端之間距離。

當滿足以下條件時，不會產生多徑干擾現象。

（1）T＜15μs。當來自于信源基站與隧道口遠端機2路信號時延差小于15μs時，不會產生多徑干擾現象。即T=D×8.1μ s+1μ s－D 1×6.6μ s＜15μ s，當D 1越小時T越大，D 1為0時T最大，此時T=D×8.1μ s+1μ s－D 1×6.6μ s＜15μ s，可得D＜1.72 km，即當信源基站與隧道口第一個遠端機距離小于1.72 km時，不會產生多徑干擾現象。

圖3 遠端機單點故障時信號場強及切換區域變化示意圖

圖4 基站或近端機單點故障時信號場強及切換區域變化示意圖

圖5 漏纜單點故障時信號場強及切換區域變化示意圖

圖6 隧道口基站與遠端機天線相向而設

（2）T≥15μ s且C/I＞12 d B。當來自于信源基站與隧道口遠端機2路信號時延差大于15μ s時，如果該點移動臺接收信號的同頻干擾保護比大于12 d B，同樣不會產生多徑干擾現象。當T=D×8.1μ s+1μ s－D 1×6.6μ s≥15μ s時，可得D與D 1關系（見圖7）。在D≥1.72 km的橫軸任意一點時，D 1取值為垂直于該軸的直線與陰影區域的重疊部分。

在D取值使T≥15μ s時，C/I需要大于12 d B才不會產生多徑干擾現象。就移動臺接收點C/I進一步分析。

無線信號空間損耗傳播模型采用Okum u ra-Hata模型：

Lb=69.55＋26.16 lo g（f）－13.82 lo g（hb）-a（hm）+[44.9-6.55log（hb）]log（D）-S（a）-10.3（1）

式中：f為工作頻率，按930 M Hz計算；hb為天線高度，m；hm為機車臺天線高度，一般取4 m；a（hm）為移動臺天線高度校正因子，按中小城市取值為6.43；D為傳播距離，km；S（a）為建筑物密度修正因子，a為建筑物密度。

假設：移動臺接收到基站信號強度P 1；移動臺接收到遠端機信號強度P 2；移動臺接收到基站與遠端機2路信號強度之差P；基站距遠端機距離D；基站距移動臺距離D 1。則：

基站天線到移動臺信號空間損耗：

Lb（基站）=69.55+26.16log（f）-13.82log（hb）-a（hm）+[44.9-6.55 log（hb）]log（D 1）-S（a）-10.3 （2）

遠端機天線到移動臺信號空間損耗：

Lb（遠端機）=69.55+26.16 log（f）-13.82 log（hb）-a（hm）+[44.9-6.55 log（hb）]log（D-D 1）-S（a）-10.3 （3）

P=P 1-P 2=基站天線端口ERP-Lb（基站）-基站天線端口ERP+ Lb（遠端機） （4）

假設此時只有該信源基站與遠端機使用該頻率信號，則可認為P與C/I相當。

當D取值使得T≥15μ s時，即可根據D與D 1共同判斷是否滿足P＞12 dB。

假設：基站天線端口ERP為57 d Bm；遠端機天線端口ERP為40 dBm；基站及遠端機天線高度25 m。

P可進一步簡化為：

P=P 1-P 2=（57-Lb（基站））-40+Lb（遠端機））=17-35.74log（D 1/D－D 1） （5）

即：

P=17-35.74 log（D 1/D-D 1）＞12 dB （6）

同時需要考慮基站與遠端機的信號在D范圍內任意點信號強度滿足以下條件：P 1=57-Lb（基站）＞-92 dBm；P 2=57-Lb（遠端機）＞-92 dBm。

3 上行輸入信號動態范圍

目前，GSM-R網絡中光纖直放站對無線射頻信號的耦合采用2種不同方案（見圖8，圖9），方案A采用約40 dB耦合器，方案B采用相對較小的10 dB耦合器。

圖7 D與D1關系變化圖

圖8 方案A示意圖

圖9 方案B示意圖

2種方案不同點：方案B使用較小耦合器，但在近端機內部通過對下行鏈路路徑增加衰減器減小進入遠端機的下行信號。

分析不同方案對上下行信號的影響，其結果見表1。分析條件設定：基站輸出信號47 d Bm，耦合器及跳線損耗2 d B，光功分損耗5 d B（假設近端機所帶遠端機數量小于4個），上行低噪聲放大器輸出控制啟動點－5 d Bm，下行輸出信號之前3 dB電橋損耗3 dB。

通過2種方案的對比分析可知，耦合器大小的選擇對下行鏈路沒有任何影響，主要對上行輸入信號動態范圍影響較大。方案A與方案B相比，上行可輸入信號的最大值降低了23 dB。

上行輸入信號動態范圍實際應用影響：

在上行低噪聲放大器增益及輸出控制啟動點一定的情況下，當上行輸入信號使上行低噪聲放大器輸出控制啟動后，上行低噪聲放大器增益隨上行輸入信號的增強而降低。網絡中只有單個用戶使用時不會出現問題，對系統及用戶服務沒有影響，但在圖10的特殊場景中會對用戶服務產生較大影響。

列車1自右向左向隧道方向行駛；列車2自左向右向遠離隧道方向行駛。如果沒有列車1，列車2從C到D之間的上行信號到達基站后剛好滿足上行最小接收電平的要求。

（1）在列車1到達B時，列車1的上行輸入信號較大，使自動增益控制功能啟動；此時列車2到達C，列車2的上行信號到達基站后滿足上行最小接收電平的要求。

表1 不同方案對上下行信號影響對比分析

圖10 上行輸入信號動態范圍影響示意圖

（2）隨著列車1的繼續行駛，列車1上行輸入信號的增大使上行功放增益逐漸減小；列車2在從C到D的過程中上行信號空間損耗逐步增大，原來設置的上行功放增益剛好保證列車2在D時的上行信號到達基站后滿足上行最小接收電平要求，但列車1的上行輸入信號使上行功放增益減小，導致基站過早不能識別列車2到達基站的上行信號。