數(shù)字光纖直放站在GSM-R網(wǎng)絡中的分析與應用

冉曉徑（中鐵第一勘察設計院集團有限公司通號處，陜西　西安　710043）

數(shù)字光纖直放站在GSM-R網(wǎng)絡中的分析與應用

冉曉徑
（中鐵第一勘察設計院集團有限公司通號處，陜西西安710043）

本文根據(jù)鐵路無線通信技術的發(fā)展趨勢，分析了模擬光纖直放站在鐵路GSM-R系統(tǒng)設計和應用中存在的技術問題，著重描述了數(shù)字光纖直放站（GRRU）所具有的技術優(yōu)勢，充分體現(xiàn)出數(shù)字光纖直放站系統(tǒng)針對鐵路特別是高速鐵路GSM-R網(wǎng)絡系統(tǒng)場強補強的適用性。

數(shù)字光纖直放站；GSM-R；技術優(yōu)勢

GSM直放站是移動系統(tǒng)接入網(wǎng)中的重要補充設備，起到延伸基站覆蓋范圍和消除盲區(qū)的作用。作為直放站的一種，光纖直放站在網(wǎng)絡優(yōu)化中得到廣泛應用。光纖直放站可分為模擬光纖直放站和數(shù)字光纖直放站（也稱：GRRU，文中均用此簡稱代替）兩大類。其中GRRU作為一種新產(chǎn)品，在移動通信網(wǎng)絡優(yōu)化中起著越來越重要的作用。

1　現(xiàn)有覆蓋方案存在的問題

近幾年來，我國建成和正在建設中的高速鐵路GSM-R系統(tǒng)所采用的光纖直放站，大都建立在射頻和模擬傳輸技術之上，由于模擬光纖傳輸?shù)墓逃刑匦越o工程設計和實際應用過程中帶來以下幾方面的問題：

（1）直放站接入基站會給基站引入噪聲，引起基站靈敏度嚴重下降，模擬直放站都是通過調(diào)低Gup的辦法減小直放站對基站的影響，往往會造成不同程度的上下行不平衡，帶來基站覆蓋距離不能過長的問題；

（2）由于光在光纜中的傳播速度比電磁波在空間傳播速度慢，再考慮光纖直放站的時延，造成工程設計中基站和第一臺光纖直放站之間的距離受限（一般不大于2km）以及遠端機之間的距離不能過遠等問題。

（3）射頻信號隨著光信號的衰減而衰減，近端機和遠端機之間光纜距離不同造成近、遠端機之間射頻通路的損耗不同，造成遠端機輸出功率以及覆蓋范圍不同。

2　GRRU原理及工作流程

GRRU是在傳統(tǒng)模擬光纖直放站的基礎上，根據(jù)軟件無線電技術的特點，采用先進的數(shù)字信號處理技術，實現(xiàn)多載波GSM-R信號的遠距離傳輸和大容量、大動態(tài)范圍的信號覆蓋。整個系統(tǒng)由近端機和遠端機組成，在基站側(cè)將GSM-R的Um口對信號進行數(shù)字化處理，通過光纖傳送到遠端，利用遠端射頻單元再生、放大，實現(xiàn)GSM-R基站信號拉遠覆蓋。

GRRU的工作流程如下：

下行通道（從基站到終端）為：從射頻耦合口得到基站的下行信號→直放站近端機的RF接收，射頻下變頻到中頻→ADC采樣為數(shù)字中頻信號→通過混頻器得到I/Q兩路中頻信號，數(shù)字下變頻到基帶（DDC）→CPRI模塊將I/Q基帶數(shù)據(jù)組幀→通過SerDes芯片將CPRI數(shù)據(jù)送給光口模塊→光纖傳輸?shù)街狈耪具h端機 →光模塊接收，并通過SerDes芯片恢復并行數(shù)據(jù)和時鐘信號→CPRI模塊解幀，提取出基帶的I/Q數(shù)據(jù)→數(shù)字上變頻（DUC），經(jīng)過混頻器得到數(shù)字中頻信號→DAC輸出模擬中頻信號→RF上變頻→功放模塊→天線發(fā)射到終端用戶。

上行通道（終端到基站）：終端用戶發(fā)射→遠端機接收射頻信號→經(jīng)過低噪放和射頻下變頻到模擬中頻→ADC采樣為數(shù)字中頻信號→通過混頻器得到I/Q兩路中頻信號，數(shù)字下變頻到基帶（DDC）→CPRI模塊將I/Q基帶數(shù)據(jù)組幀→通過SerDes芯片將CPRI數(shù)據(jù)送給光口模塊→光纖傳輸?shù)街狈耪窘藱C→光模塊接收，并通過SerDes芯片恢復并行數(shù)據(jù)→CPRI模塊解幀，提取出基帶的I/Q數(shù)據(jù)→數(shù)字上變頻（DUC），經(jīng)過混頻器得到數(shù)字中頻信號→DAC輸出模擬中頻信號→RF上變頻→通過射頻耦合口將射頻信號輸入基站的天饋系統(tǒng)。

3　GRRU設備的優(yōu)勢

GRRU設備的主要優(yōu)勢如下：

（1）由于光信號的損耗與射頻信號的功率無關，GRRU的動態(tài)范圍更大，傳輸距離更遠。

（2）GRRU設備可實現(xiàn)上行分集接收，在地形復雜、多徑效應嚴重的環(huán)境下，可以改善上行信號質(zhì)量。

（3）由于底噪抑制功能，GRRU引入的噪聲始終低于-120dBm/200kHz。GRRU引入的底噪更低，可引入的遠端的個數(shù)越多。

（4）可以自動進行精確的時延計算并進行自動時延調(diào)整，可以保證重疊覆蓋區(qū)的覆蓋效果

（5）可以方便的組成星型和鏈型網(wǎng)以及混合組網(wǎng)等各種方式。

由于采用數(shù)字的傳輸方式，給系統(tǒng)組網(wǎng)帶來便利，可根據(jù)現(xiàn)場的實際線路情況，靈活組網(wǎng)。具體組網(wǎng)方式如圖1和圖2所示。

（6）采用數(shù)字光纖直放站的方案來延伸基站信號，可將小區(qū)覆蓋范圍擴展，從而達到減少切換次數(shù)，保證通信質(zhì)量的目的。

結語

綜上所述，與傳統(tǒng)的模擬光纖直放站相比，GRRU采用先進的數(shù)字信號處理技術和數(shù)字信號光纖傳輸技術，實現(xiàn)多載波移動通信信號的遠距離傳輸和大容量、大動態(tài)范圍的信號覆蓋。噪聲更低、傳輸距離更長，組網(wǎng)更靈活，遠端重疊覆蓋區(qū)時延可調(diào)整等優(yōu)勢。現(xiàn)有鐵路鏈狀網(wǎng)的應用環(huán)境下，采用GRRU是一種較好的選擇。

圖1　鏈狀連接方式－適用于鐵路情況

圖2　環(huán)狀連接方式－具備網(wǎng)絡自愈功能，適用于對可靠性要求高的情況

[1]鐘章隊，李旭，蔣文怡，等.鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）[M].北京：中國鐵道出版社，2003.

[2]吳克非.中國鐵路GSM-R移動通信系統(tǒng)設計指南光纖直放站在鐵路無線通信工程中的應用[M]. 北京：中國鐵道出版社，2008.

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