數字光纖直放站性能及應用研究

丁 珣

(中國鐵建電氣化局集團有限公司 北京 100043)

1 引言

作為列控信息的傳輸平臺，基于行車安全性考慮，GSM-R網絡的性能要求很高，合理的網絡覆蓋，是提升系統性能的關鍵[1]。從我國高速鐵路建設之初，就開始采用模擬光纖直放站系統作為弱場信號補強的關鍵設備，但采用該設備時會有上行質量和多徑干擾等方面的限制[2]，為解決該問題，結合鐵路無線通信的發展趨勢，提出了采用數字光纖直放站延伸GSM-R基站覆蓋的方法，經過理論分析，認為數字光纖直放站具有上行噪聲抑制和多徑延時調整等功能[3－4]，后行業主管部門發布了數字光纖直放站的有關技術要求以及行業標準，開啟了數字光纖直放站應用的序幕。數字光纖直放站除實現弱場補強的功能外，同時還可具備動環監控和漏纜監測等功能[5]，可以使用環形、星形、鏈形等組網方式[6]。不同隧道長度下適用的數字光纖直放站組網方式不同[7]，并應根據鏈路預算論證隧道口直放站的覆蓋距離[8]。目前數字光纖直放站已逐步在既有線GSM-R改造中和新建高速鐵路中應用[9]，經工程試驗論證了通過對中頻信號數字化處理，解決了模擬直放站因光纖長度變化而產生的損耗不一致的問題，實現了各遠端機信號增益一致[10]。數字光纖直放站覆蓋區段有關服務質量指標滿足規范要求[11]。有關研究總結了有關數字光纖直放站運用時應注意的若干問題[12]和參數調整方法[13]。為更全面地分析數字光纖直放站的重要特性和應用注意事項，本文對京沈客專京冀段聯調聯試經驗進行充分總結，以期后續工程提供數字光纖直放站調試指導。

2 特性分析

以京沈客專京冀段MY-XLXX09基站為例，通過分析在電路域列控數據業務長呼呼叫時該基站小區內的所有測量報告，見表1，得出數字光纖直放站的特性表現驗證情況。

表1 MY-XLXX09基站測量報告

2.1 上行底噪抑制

數字光纖直放站系統通過調整上行鏈路底噪抑制門限，減小遠端機上行底噪疊加；作為選頻直放站，可以在上行鏈路濾除非工作頻點信號，以降低上行底噪。遠端機具備對每個上行載頻信號檢測能力，沒有信號時，自動關閉上行信道，屏蔽上行底噪傳輸和累加。

從表1可以看出，在MY-XLXX09小區內，只在75號測量報告中上行質量為2級，其余測量報告中上行質量均為0級，整體上行質量良好。

2.2 多徑干擾抑制

來自同一信源的信號，經過不同的傳播路徑，如折射、反射、衍射等，到達接收機時信號的時間、幅度都不同。若不同路徑信號之間同時達到載干比小于12 dB，且時延差大于15 μs時，將會產生多徑干擾。

數字光纖直放站系統通過采取手動和自動調節兩種方式，保持各遠端機的系統時延一致，從而抑制多徑干擾。但數字光纖直放站信號轉換處理會引入延時，因此在設置系統時延時，應綜合考慮各遠端機模數轉換處理時延的差異性。

從表1可看出在MY-XLXX09小區TA值為54或55，無TA跳變，且只有少數測量報告中下行質量為1級或2級，其余均為0級，整體下行質量良好。

2.3 自動功率控制

GSM-R網絡采用交織覆蓋時，數字光纖直放站近、遠端機應設置主路和從路，分別接入兩個施主基站信源。遠端機具有主從信源自動功率控制功能，即當檢測到主信號丟失時，自動控制從信號抬高功率；當主信號恢復后，從信號自動恢復到原來的發射功率；主信號功率調整后，從信號輸出功率自動跟隨調整，保持主從信號功率差不變。

如圖1所示，紅色圈出部分為兩個數字光纖直放站遠端機覆蓋區域，主路信號(棕色)與從路信號(粉色)功率差為6 dB左右。

圖1 數字光纖直放站主從信號電平

聯調聯試期間，在測試半數站覆蓋時，關閉了圖1中圈出的遠端機的主路來源基站，只有從路信號，如圖2所示，可看出從路信號功率自動抬升至原來主路信號的功率強度，從而驗證了主從信源自動功率控制功能。

3 設計注意事項

3.1 施主基站射頻輸出處理

若施主基站射頻分兩路，一路直接覆蓋，另一路通過數字光纖直放站放大信號后再覆蓋，通過直放站放大后的信號時延變大，兩路信號之間會出現時間色散干擾。為避免基站與直放站重疊覆蓋區域的多徑干擾，應采用遠端機替代施主基站射頻發射，即基站射頻輸出通過耦合器后一端連接近端機輸入，一端連接負載。

3.2 單小區覆蓋范圍

由于數字光纖直放站的多徑干擾抑制功能和上行底噪抑制等特性，能提高覆蓋區域的載干比，從而遠端機單站覆蓋距離可以達到1.5 km左右。當設計速度為350 km/h時，聯調聯試試驗速度將達到385 km/h。為滿足電路域列控數據業務傳輸服務質量指標中的傳輸無差錯時間TREC＞20 s(95%)的要求，單個基站的最小覆蓋范圍L應滿足以下要求:

由此可知，當采用基站加數字光纖直放站覆蓋時，每個基站需至少連接2個數字光纖直放站遠端機才能滿足指標要求。

3.3 自動載波跟蹤

模擬光纖直放站為寬帶直放站，無窄帶濾波器，對非工作頻點無抑制，而數字光纖直放站為選頻直放站，非工作頻點抑制好，當基站改變載波頻率時，數字光纖直放站能夠在5 min內自動跟蹤載波變化并設置工作頻率。但當GSM-R話務量不多時，由于GSM-R基站關閉了跳頻功能，TCH載波有可能處于不發射狀態，從而未能觸發數字光纖直放站對TCH載頻頻率的自動跟蹤以及設置，因此當在話務量增加且占用基站TCH載頻信道時，會出現數字光纖直放站未能正確觸發選頻設置而不能對數據進行承載情況，從而導致通話異常。為保證業務的正常傳輸，建議在GSM-R網絡中采用數字光纖直放站時，關閉數字光纖直放站的自動載波跟蹤功能，并且在調試和維護過程中，根據基站載頻頻率設置情況及時手動調整直放站頻率。

4 安裝及調試注意事項

數字光纖直放站系統復雜度高，維護難度較高。設備安裝完成且加電后，要檢查設備供電是否正常，主要部件的指示燈是否亮起，上電后若設備不工作可用萬用表測試電源的輸入和直流輸出電壓是否正常，以此判斷是供電問題還是電源模塊問題。要查看設備中頻板上的工作指示燈和光路同步指示燈，確定近端機和遠端機是否正常連通。系統調試時應用調試軟件和直放站進行聯機調試，確保連接正確，模塊工作正常，參數設置正確。

下面對比較典型的近端機與遠端機連接錯誤的情況進行分析，如圖3所示，XJCXLS-SYX02基站和XJCXLS-SYX03基站所帶遠端機存在三類問題:部分遠端機主信號與從信號來源接反；部分遠端機未連接從信號；部分遠端機無信號。

圖3 數字光纖直放站連接錯誤典型案例

現場調試時，對該區域內所有數字光纖直放站近端機、遠端機的主從通道連接進行排查，確認主從關系后，通過現場調整跳線或倒換尾纖等，使該區域實現正常覆蓋，如圖4所示。

圖4 整改數字光纖直放站連接錯誤后覆蓋

5 結論

(1)數字光纖直放站系統具有上行底噪抑制、多徑干擾抑制和自動功率控制功能。

(2)數字光纖直放站設計時，應使用遠端機替代施主基站射頻發射，避免多徑干擾。

(3)當采用基站加數字光纖直放站覆蓋時，每個基站需至少連接2個數字光纖直放站遠端機才能滿足傳輸無差錯時間指標要求。

(4)在GSM-R網絡中采用數字光纖直放站時，應關閉數字光纖直放站的自動載波跟蹤功能，并且在調試和維護過程中，根據基站載頻頻率設置情況及時手動調整直放站頻率。

(5)數字光纖直放站設備安裝時應著重注意主從通道連接是否正確。