光纖直放站+時延模塊技術在大型鐵路編組站中的應用研究

王振海

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司通號處,西安 710043)

光纖直放站+時延模塊技術在大型鐵路編組站中的應用研究

王振海

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司通號處,西安 710043)

利用GSM-R實現調車業務，有利于克服傳統400 MHz無線通信的諸多缺點，實現話音、調車指令同時傳輸，調車作業單無紙化傳送，滿足編組站綜合自動化的需要，提高勞動效率，保證安全生產。針對新豐鎮編組站地區特殊的線路情況，提出采用光纖直放站+時延模塊技術對編組站進行場強覆蓋。通過無線網絡規劃、模擬測試等手段，有效解決新豐鎮編組站和鄭西客運專線間的頻率干擾、多徑干擾問題。

鐵路編組站；無線網絡規劃；光纖直放站；時延模塊

隨著鐵路大型編組站綜合自動化程度的不斷提高,在編組站地區迫切需要GSM-R系統與綜合自動化系統有機結合,為其提供移動通信服務,提高編組站運輸生產效率,推動鐵路通信技術的發展。新豐鎮首次將GSM-R技術應用于編組站［1],其帶寬僅4 M,用傳統宏基站覆蓋方式面臨眾多難題,增加了頻率干擾,嚴重危及行車安全［2]。因此,對大型編組站GSM-R無線覆蓋方案進行研究,具有重要的現實意義。

1 新豐鎮地區GSM-R網絡現狀

新豐鎮編組站北接包西線,南接西康線、寧西線,隴海線橫貫東西,北鄰鄭西客運專線,與鄭西客運專線的最小間距小于500 m。

新豐鎮編組站由三級七場組成,分別為上行/下行到達場、上行/下行調車場、上行/下行出發場和交換場。整個編組站東西長約11 km,南北寬約800 m［3]。

新豐鎮編組站直放站和鄭西客運專線基站位置如圖1所示。鄭西客運專線和新豐鎮編組站無線通信均采用GSM-R系統,經頻率規劃,鄭西客運專線1至6號基站的使用頻點分別為1014/1018、1001/1003、 1007/1009/1011、1005/1013、1002/1018和1000/ 1010。新豐鎮編組站基站的使用頻點為999、1015和1017。新豐鎮編組站的直放站也從1至6進行編號。

圖1 新豐鎮編組站直放站和鄭西客運專線基站位置示意

為避免新豐鎮編組站GSM-R系統與鄭西客運專線GSM-R系統相互干擾,場強覆蓋需達到以下標準。

新豐鎮編組站場強覆蓋最小可用接收電平:機車車頂天線處達到-92 dBm(滿足95%時間地點覆蓋概率),并應保證作業人員手持臺使用的覆蓋要求［4]。鄭西客運專線場強覆蓋最小可用接收電平:機車車頂天線處達到-92 dBm(滿足95%時間地點覆蓋概率)［5]。

新豐鎮編組站GSM-R系統的同頻C/I≥12 dB,鄰頻C/I≥-6 dB［6]；鄭西客運專線GSM-R系統正常工作時同頻C/I＞25 dB,鄰頻C/I＞7 dB,降級工作時同頻C/I＞15 dB,鄰頻C/I＞-3 dB［7]。

2 新豐鎮編組站基站子系統場強覆蓋方案

由于新豐鎮編組站與鄭西客運專線存在鄰頻,采用兩處基站直接進行覆蓋會干擾鄭西客運專線的GSM-R系統,無法滿足上述系統標準。本方案采用新設1處基站(不用基站天線進行覆蓋),1處光纖直放站近端機(與基站同址),多處光纖直放站遠端機,利用多處直放站天線進行覆蓋。同時每處光纖直放站遠端機均設時延模塊,時延模塊將收到的信號先進行存儲,延時一定的時間,再取出進行發送,由此可以將近遠端機間光纜長度不同引起的時間延時調整至同一數值。時延模塊的最大時延為100 μs,時延精度為0.5 μs［8]。經多次GSM-R無線網絡規劃、現場踏勘、參數調整(直放站位置、天線高度、天線方向角等)和模擬測試,最終確定在新豐鎮編組站設置6處光纖直放站遠端機,每處直放站天線架設在15 m高的鐵塔上,采用前后功率比為28 dB、半功率角為90°的定向天線,機械下傾角為5°,天線掛高13 m,直放站輸出功率29 dBm。將編組站基站信號場強覆蓋控制在編組站范圍內。新豐鎮編組站內測試結果如圖2所示,經分析得出以下結論。

(1)新豐鎮編組站全部區域滿足地面手持臺接收天線處最小可用接收電平≥-92 dBm的設計要求。

(2)新豐鎮編組站全部區域滿足同頻C/I≥12 dB,鄰頻C/I≥-6 dB的要求。

圖2 新豐鎮編組站信號和鄭西客運專線信號在編組站內的對比［9]

在鄭西客運專線上測試結果如圖3所示,新豐鎮編組站對鄭西客運專線干擾分析如下。

圖3 新豐鎮編組站信號和鄭西客運專線基站鄰頻信號在鄭西客運專線的對比［9]

鄭西客運專線新臨潼附近與新豐鎮編組站GSMR光纖直放站有鄰頻關系的基站是5號基站,該基站TCH為1018,與最近的新豐鎮編組站六場直放站距離為3.3 km。在鄭西客運專線測試時,新豐鎮編組站直放站信號在鄭西客運專線接收電平值比鄭西客運專線當前服務小區電平值低12～22 dB。

當客運專線4號基站正常工作時,客運專線4號基站覆蓋范圍內信號接收電平比編組站直放站信號電平高12～22 dB,滿足鄭西客運專線鄰頻C/I≥7 dB的要求。當客運專線4號基站因某種原因失效,導致該基站附近的客運專線沿線由與之相鄰的3號和5號基站覆蓋時,有以下3種情況:

(1)由3號基站覆蓋的3號基站與4號基站之間單側沿線客運專線信號接收電平仍比編組站直放站信號高12～22 dB,滿足鄭西客運專線鄰頻C/I≥7 dB的要求；

(2)由5號基站覆蓋的本基站兩側客運專線信號接收電平比編組站直放站信號高大于12 dB,滿足鄭西客運專線鄰頻C/I≥7 dB要求；

(3)由5號基站覆蓋的4號基站根部東側1 km沿線,此處正好位于編組站六場直放站(6號)背面,客運專線信號接收電平比編組站直放站信號高2～4 dB,滿足鄭西客運專線降級工作時鄰頻C/I≥-3 dB的要求。

3 新豐鎮編組站GSM-R系統時間色散分析

時間色散主要指由同一信號經過不同傳輸路徑(傳輸時間)先后到達接收端會造成碼間干擾［10]。GSM-R采用均衡技術來克服時間色散［11]。GSM-R規范要求均衡器應能處理的時延高達15 μs［12]。時間差大于15 μs的多徑信號認為是主信號的同頻干擾信號,此時若主信號與多徑信號電平差不大于12 dB(考慮3 dB的富余量)［13],則存在時間色散。無線電波在空氣中的傳播速度為300 m/μs,在光纖中傳播的速度為200 m/μs［14]。

新豐鎮編組站軌道密度大,地形復雜,實際選取的由光纖直放站近端機至遠端機的光纜經路如圖1所示。信號由直放站近端機至各直放站遠端機的傳輸時延計算如表1所示。

表1 信號在光纜和時延模塊中的傳輸時間

假設終端在位于5號光纖直放站附近,此時終端至2、3、4、5、6號直放站的距離如圖4所示。

圖4 新豐鎮編組站終端和直放站相對位置示意（單位：m)

由終端發射的信號經過不同傳輸路徑到達基站的傳輸時延計算如表2所示。

表2 信號經過不同路徑的傳輸時延

由表2可以看出,各條傳輸路徑相對于L5的信號時延均小于15 μs,滿足GSM-R規范要求,不會產生時間色散。新豐鎮編組站每個直放站的覆蓋半徑約1 000 m,當兩條路徑的距離差值大于L1-L5=4 100 m時,已遠遠超出直放站的覆蓋距離時,在覆蓋距離內兩路信號電平差遠大于12 dB,也不會產生時間色散［15]。

綜上所述,新豐鎮編組站在我國首次采用光纖直放站+時延模塊并配合使用高前后比的90°定向天線進行場強覆蓋,可以有效解決新豐鎮編組站和鄭西客運專線的頻率干擾問題,理論上可以滿足新豐鎮編組站調車作業對無線通信的要求。

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APPlication Research of Fiber OPtic RePeater Plus Delay Module Technology in Large-scale Railway Marshalling Station

WANG Zhen-hai
(Communication and Signaling Department,China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi'an 710043,China)

Using GSM-R technology in railway shunting operation can be useful to overcome many shortcomings in traditional 400 MHz wireless communication,achieve simultaneous transmission of both the speech sound and railway shunting instruction,fulfill paperless transmission of railway shunting work ticket,meet the requirement of comprehensive automation in railway marshaling station,improve work efficiency and ensure the safety in production.This paper,focusing on the special situation of railway lines in the Xinfengzhen marshalling station,proposed that there should be the fiber optic repeater plus delay module technology used for field intensity coverage in this marshaling station.It is proved by practice that the problems of frequency interference and multi-pass interference between the Xinfengzhen marshalling station and the Zhengzhou-Xi'an railway passenger dedicated line can be solved by using wireless network planning,simulation test and other relevant methods.

railway marshalling station；wireless network planning；fiber optic repeater；delay module

U285.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.030

1004-2954(2014)07-0131-03

2013-12-10；

2013-12-27

王振海(1981―),男,工程師,2008年畢業于北京交通大學,工學碩士。