數字光纖直放站在鐵路通信中的應用

高建平

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

隨著京沈客專京冀段的開通，數字光纖直放站開始在CTCS-3（簡稱C3）鐵路大規模投入使用，為鐵路無線系統引入新的覆蓋模式。本文分析探討在C3 區段數字光纖直放站覆蓋設置的技術方案，為進一步改善數字光纖直放站的服務質量提供技術支撐。

1 GSM-R射頻信號拉遠覆蓋方式

目前，鐵路GSM-R 系統的射頻拉遠覆蓋主要有分布式基站、數字直放站等2 種方式，一般分布式基站單站輸出為2 載頻，數字直放站單站輸出載頻不小于8 載頻，因此在隧道內、隧道口等地理受限地點一般采用數字直放站方式進行場強覆蓋，在數字直放站覆蓋區段，基站設備不再連接天饋或漏纜系統；在開闊地帶，考慮設備維修維護的統一性，一般采用分布式基站進行場強覆蓋。數字直放站與分布式基站技術方案對比如表1 所示。

表1 數字直放站與分布式基站技術方案對比Tab.1 Comparison between a digital repeater and a distributed base station

2 數字光纖直放站系統構成及工作流程

GSM-R 數字光纖直放站系統主要由近端機、光纖、遠端機、操作維護設備構成，如圖1 所示。

圖1 數字光纖直放站系統構成示意Fig.1 Schematic diagram of digital optical fiber repeater system

GSM-R 數字光纖直放站系統工作流程如下。

1）下行方向工作流程

耦合器可以將1 路或多路基站的射頻信號耦合至近端機設備；近端機跟蹤基站信號并將射頻信號進行A/D 轉換、整形后，調整系統設定的TA 后將基帶信號發送至遠端機；遠端機將信號進行D/A 轉換、放大后，將信號發送至天饋系統。

2）上行方向工作流程

遠端機通過選頻后將天饋系統的信號進行濾波、帶外抑制、A/D 轉換后，將信號發送至近端機；近端機對上行信號底噪抑制后進行D/A 轉換、放大，并將信號通過耦合器發送至基站。

3 數字光纖直放站系統在GSM-R系統調試中存在的問題及解決方案

隨著數字直放站的大面積應用，下面就具體實施中發現的時延自動調整、噪聲抑制及從信號自動調整等問題進行探討。

3.1 時延調整問題及解決方案

在GSM 系 統 中1 個TDMA 幀 長 度 為4.615 ms，單個TDMA 幀分為8 個時隙，每個時隙長度為4.615 ms/8=0.577 ms；GSM 一個突發脈沖序列為156.25 bit，其中6 個bit 作為時延調整參數使用，1 個bit 的時長為3.7 μs。GSM 系統的均衡算法同頻信號之間時延差值接近或超過該信號符號長度的10%時就會產生碼間干擾，造成質量惡化，即0.577 ms×10%/3.7 μs/bit ≈15.5 μs。因此同頻信號時差應控制在15.5 μs 內。GSM-R 系統中的時延狀態如圖2 所示。

圖2 GSM-R系統中的時延狀態Fig.2 Delay status in GSM-R system

時延調整功能是數字直放站的重要功能之一，在實際應用中當遠端機的系統時延設置為隨終端位置自動調整時，由于一個直放站環內可能存在多個終端，且行進方向不同、行進速度不同，對直放站時延調整的計算能力要求不同，受近端機計算能力所限，會產生終端時延更新慢、TA 跳變大，從而導致誤碼率高，影響通信質量。

另外一種情況是直放站設置為固定時延，如單向100 μs，在實際應用中由于光纜敷設存在過軌回繞、預留等原因導致基站收到的總時延超過233 μs，從而導致掉話。

因此建議直放站時延設置按系統時延+實測的直放站光纜環最遠時延進行設置，每個直放站環單獨設置時延，全線不統一設置。最終調整后的單向時延不超過100 μs，為維護中的光纜接續預留一定余量。

當站內覆蓋使用數字直放站覆蓋時，由于數字遠端機的系統時延為25 μs，超過15.5 μs 要求，因此在基站站房附近應盡量降低直放站覆蓋信號，基站與直放站的信號交疊區段盡量設置在用戶較少位置。

直放站近端機連接，耦合器及負載與近、遠端機放在同一個機柜內，可能造成負載或連線的信號泄漏對直放站有干擾。把耦合器和負載移出機柜，做好機柜接地。

3.2 噪聲抑制問題及解決方案

在射頻信號傳送過程中，不可避免的將帶外雜散信號、噪聲信號進行調制解調，尤其是當多個遠端機將帶噪聲的信號同時傳給近端機時，在近端機處發生噪聲疊加現象，從而導致GSM-R 系統的上行信號C/I 變差。

如公式（1）、（2）所示。遠端機噪聲功率（êN）=

其中：en是放大器噪聲電壓，eR是信源電阻的熱噪聲是放大器的噪聲電流，Rgen是信源電阻。

其中，eNn是各遠端機的噪聲功率。

放大器的噪聲系數（NF）是指輸入端的信噪比與輸出端的有用信號與噪聲之比，如公式（3）所示。

當多路遠端機在近端機產生噪聲疊加時，如公式（4）所示。

數字直放站設備通過FPGA 采用8PSK 方式控制聲表面波或CIC（Cascade Integrator Comb）濾波器件對基站的射頻信號轉化為中頻信號。為降低噪聲的疊加，FPGA 通過帶寬設置和信號過濾功能實現噪聲抑制功能。

當帶寬設置較小或底噪抑制較大時，易發生調制/解調的信號信息量不足，導致調整/解調信號不完整，發生丟幀現象；當調制帶寬較大或噪聲抑制功能太低時，引入噪聲太大，通信質量下降，發生誤碼率太高現象。根據公式（3）、（4）可知：近端機處產生的噪聲與遠端機的噪聲成正向指數關系。

數字直放站系統噪聲系數（NF）應滿足規范規定單機設備的單端口設備≤4 dB、雙端口設備≤7.5 dB，組網后最大增益狀態下單端口設備≤7 dB、雙端口設備≤10.5 dB。當系統不能滿足設計及現場要求時，應調整FPGA 控制的信道帶寬及噪聲抑制系數，建議FPGA 控制的信道帶寬控制在260 kHz 以下。

由于數字直放站采用8PSK 調制方式，因此在FPGA 控制相位通道時應動態調制當前信道數量及信道間隔，采用非相關相位進行調制，以降低濾波器中產生的互調信號，如系統中有2 個載頻時，采用1、8 相位；系統中有3 個載頻時，采用1、4、7相位等。

3.3 從信號自動調整問題及解決方案

數字直放站具有從信號自動調整功能，在GSM-R 單網交織區段，直放站遠端機同時輸出2路信號，主信號輸出功率比從信號高6 個dB，當直放站系統檢測到主信號不工作時，自動將從信號輸出提高6 dB，提高到主信號的強度。

同站址雙網站點基站的輸出電平設置與直放站輸出信號類似，主用基站天線架設在鐵塔的上層平臺、備用基站天線架設在鐵塔的下層平臺時，主、備用基站輸出功率一致；主、備用基站天線架設在同一層平臺時，主用基站輸出功率比備用基站輸出功率高6 個dB。

單網交織的GSM-R 系統，網絡覆蓋是以主用基站信號覆蓋為基準進行系統調測，且備用基站信號沒有自動調整功能。因此在直放站與同站址雙網切換區段，直放站主、備用輸出信號強度不變，當備用基站工作時，備用基站輸出功率低，覆蓋范圍相對減小，經常發生在備用覆蓋范圍內不滿足CSD傳輸無差錯時間不滿足20 s 的要求。因此建議在直放站與同站址雙網切換區段，關閉直放站從信號自動調整功能。

4 結束語

隨著數字直放站的大面積投入使用，在保證無線覆蓋交織冗余的條件下，極大降低了模擬直放站覆蓋下引起的時延質差，有利于提高網絡的服務質量；由于數字直放站發射功率的提升，相對于模擬直放站站間距離得以加大，從而降低了工程投資，為國內鐵路GSM-R 系統承載CTCS-3 級列控業務的良好運用創造有利條件。