濟南局首條350 高速鐵路數字光纖直放站應用分析

張祖宏，楊山榮，崔圣青

（1.中鐵武漢電氣化局集團上海電氣有限公司，上海 201700；2.中國鐵路濟南局集團有限公司濟南通信段，山東 濟南250000）

1 概 述

隨著國家鐵路局TB/T 3367-2016《鐵路數字移動通信系統（GSM-R）數字光纖直放站》和鐵路總公司TJ/DW185-2016《鐵路數字移動通信系統（GSM-R）數字光纖直放系統技術要求》等標準性技術文件的發布，數字光纖直放站在鐵路新建線及既有線GSM-R改造中逐步使用，運營開通的線路也越來越多，如京沈高鐵、朝凌高鐵、張吉懷高鐵和贛深高鐵等[1]。數字光纖直放站作為一種新型網絡優化設備，市場應用前景十分廣闊[2]。濟萊高鐵工程是中國鐵路濟南集團公司管內首條使用數字光纖直放站的350 km/h高鐵項目，于2022 年7 月完成設備安裝，8 月完成加電調試，10 月完成動態聯調。

濟萊高鐵項目位于山東省濟南市和萊蕪市境內，線路自濟南東客站向東引出，上跨濟青高鐵、石濟客專及東繞城高速后拐向南，沿東繞城高速西側向南至京滬高速以南拐向東，沿京滬高速南側向東進入章丘區，在章丘三德范村西側向南進入萊蕪市雪野旅游區，向南經萊城區、經開區、高新區，止于萊蕪市鋼城區鋼城東站。本工程共設車站6 個，分別為濟南東站、歷城站、章丘南站、雪野站、萊蕪北站、鋼城站，設計行車速度為350 km/h。本項目正線長度117.155 km，其中路基總長度 26.5 km/78 處，線路占比為22.7%；橋梁總長度49.1 km/52 座，線路占比為41.8%；隧道總長度41.6 km/23 座，線路占比為35.5%。

GSM-R 頻帶窄、頻點少，復用難，而且在與濟青高鐵、石濟客專、辛泰鐵路、瓦日鐵路等線路并行、交叉、匯合區段，以及山區、隧道、橋梁等特殊環境場景無線網覆蓋難度大，給GSM-R 的建設帶來了不少困難，也導致GSM-R 網絡通信質量不良的情況在新建線路上經常發生[3]。也給本線小區覆蓋范圍的優化、頻率的規劃、網絡的優化、頻點的統籌管理工作帶來挑戰。

2 數字光纖直放站工作原理

數字光纖直放站是一種同頻信號放大中繼設備，直放站系統由基站耦合器、光纖直放站近端機、光纜、光纖直放站遠端機、天線或漏纜、網管等部分構成，近、遠端機之間利用光纖實現安全可靠的長距離數據傳輸[4]。數字光纖直放站工作原理如圖1 所示。

圖1 數字光纖直放站工作原理示意圖

下行信號處理流程：基站的下行信號通過近端機耦合接收，經信號放大、下變頻后轉成中頻I/Q信號，再經ADC 變換成數字信號，數字信號經過FPGA 進行數字化處理（放大、濾波、合成等）后，經由光模塊后轉換成光信號，通過光纖傳送到遠端機，經基帶處理單元解幀恢復，再經DAC 到射頻，功率放大后通過天線發射出去。

上行信號處理流程：移動終端的上行信號通過天線接收，經低噪聲信號放大后再經下變頻到中頻I/Q 信號，經ADC 變換到數字信號，數字信號經過FPGA 進行數字化處理后，通過上述的逆過程到近端機，返回給基站。

3 濟萊高鐵數字直放站組網方式

本線正線基站子系統按冗余覆蓋設計：濟南樞紐和與辛泰鐵路、瓦日鐵路交叉并線區采用分布式基站同站址冗余覆蓋，沿線其區段采用基站結合數字光纖直放站單網交織覆蓋。在采用數字直放站覆蓋弱場強區時，沿線隧道及場強傳播困難區段采用數字光纖直放站結合漏泄同軸電纜的方式解決弱場區覆蓋問題。

直放站近端機與主用施主基站同址設置，遠端機一般設于區間基站及隧道外獨立直放站機房、隧道洞室。為了直放站系統進行統一的時延調整，保證通信系統通信質量及技術要求，基站不作為信元進行無線信號覆蓋，而是由同站址的直放站遠端機進行無線信號覆蓋。數字光纖直放站網圖如圖2 所示。

圖2 數字直放站系統網圖

依據上述方案，濟萊高鐵全線使用數字光纖直放站的近端機18 套，遠端機70 套（含動環監測及UPS電源）。數字光纖直放站遠端機平均間隔約1.28 km。

數字光纖直放站與歸屬實體基站間利用濟萊高鐵的下行48 芯視頻光纜、上行G 網專用24 芯光纜分配專用纖芯（主備）進行光纖鏈路跳接。

區間基站及隧道口獨立直放站機房光纜敷設采用下行48 芯視頻光纜、上行G 網專用24 芯光纜全纜引入ODF 成端，隧道洞室采用24 芯分歧光纜套袖環引成端。

圖2 數字直放站系統連接示意圖中環1 纖芯為主用環，使用濟萊高鐵下行48 芯視頻光纜1#—4#分歧（24芯光纜）環引至隧道洞室直放站機柜ODF子框，按順序使用原則（從第一芯開始依順序使用）用鎧裝尾纖跳接光纖鏈路使用。

環2 纖芯為備用環，使用濟萊高鐵上行G 網專用24 芯視頻光纜1#—12#分歧（24 芯光纜） 環引至隧道洞室直放站機柜ODF 子框，按順序使用原則（從第一芯開始依順序使用）用鎧裝尾纖跳接光纖鏈路使用，纖芯使用同時需滿足洞室內漏纜監測設備組網的電路使用（FE(0)）需求，并充分考慮了纖芯備用。

區間基站、獨立直放站機房、隧道洞室光纜引入及分歧接續示意如圖3 所示。

圖3 區間基站、獨立直放站機房、隧道洞室光纜引入及分歧接續示意圖

4 網優工作經驗總結

4.1 冷滑階段測試分析

（1）ZhangQiuNan 切換到ZQN-XY01 后掉話，在ZQN-XY01 起呼后切換失敗然后掉話。

ZhangQiuNan切換到ZQN-XY01 后TA=26，ZQN-XY01 起呼后切換失敗然后掉話時的TA=26，在9：39：14 秒起呼以后TA=19，判斷直放站時延設置有問題。ZhangQiuNan—ZQN-XY01 相鄰小區電平切換圖如圖4 所示。

圖4 TEMS 通信測試系統測試結果：ZhangQiuNan—ZQN-XY01 相鄰小區電平切換圖

由于直放站（ZZN-XY01/M 脫管）及其他備環目前未全部在線，待全部上線后統一計算時延值進行設置。

處理結果為直放站網管上線調整后復測正常。

（1）在章丘南出錦屏山隧道、青野隧道及南山寨隧道進口均存在電平陡降。

天線與隧道洞口存在一定距離，需要調整天線方位角與下傾角。錦屏山隧道---南山寨隧道相鄰小區電平切換圖如圖5 所示。

圖5 TEMS 通信測試系統測試結果：錦屏山隧道---南山寨隧道相鄰小區電平切換圖

建議將DK48+160、DK52+145、DK54+002 三處天線的二平臺天線方位角向鐵路方向調整30°，下傾角下壓3°。DK48+160 天線調整示意圖如圖6 所示。處理結果：復測正常。

圖6 DK48+160 天線調整示意圖

4.2 聯調聯試階段測試分析

4.2.1 K24 附近電平衰減過快

設備連接問題，現場核查設備。K24 附近相鄰小區電平切換圖如圖7 所示。現場核查K24+216 遠端機LC-ZQN03/R2 連線情況，發現功分器存在異常，對其進行更換。處理結果為復測正常。

圖7 鐵路通信檢測系統FESAMES 測試結果：K24 附近相鄰小區電平切換圖

4.2.2 K50+803 附近信號覆蓋過遠

測試車輛在偶數基站測試中由于K50+803 覆蓋區域存在過覆蓋，導致乒乓切換，需要進行天饋調整。K50+803 附近相鄰小區電平切換圖如圖8 所示。建議將DK52+145 有從信號的天線調整方位角，處理結果為復測正常。

圖8 鐵路通信檢測系統FESAMES 測試結果：K50+803 附近相鄰小區電平切換圖

4.2.3 K35+388、K42+324 隧道口電平突降

在寨山隧道口K35+388 附近存在電平突降問題。K42+324 處出隧道口電平突降。K35+388 附近相鄰小區電平切換圖如圖9 所示。

圖9 鐵路通信檢測系統FESAMES 測試結果：K35+388 附近相鄰小區電平切換圖

建議在K35+388 小里程方向、在K42+324 小里程方向各增加一面天線朝向隧道口加強覆蓋，增加后測試正常。

處理結果為復測正常。

4.2.4 K39+554 圍子嶺隧道口電平突降

K39+554 圍子嶺隧道口電平突降原因為測試車輛行駛至圍子嶺隧道出口時（下圖標記箭頭處），存在電平偏低現象。圍子嶺隧道出口數字直放站組網示意圖如圖10 所示。

同時，我國自身資本市場的聯通也取得了實質性進展。十九大報告指出，支持香港、澳門立足自身獨特優勢融入國家發展大局，全面推進中國內地同港澳地區互利合作，與滬深市場一起共同成為“一帶一路”建設的融資中心，有效解決“一帶一路”中尤其突出的融資挑戰。2018年5月1日證監會將滬深港通額度從每年130億調整到520億，從6月1日開始MSCI也把兩百余只中國A股納入新興市場指數，這些都標志中國改革開放和金融市場國際化掀開了新的篇章。

圖10 圍子嶺隧道出口數字直放站組網示意圖

該區域為漏纜覆蓋，初步判定故障系漏纜接頭問題，需要排查漏纜及接頭情況。

處理經過：在K39+565 直放站斷開濟南方向漏纜接頭后，對K38+112---K39+655 漏纜逐段進行駐波比測試，逐段測試駐波比均在1.1---1.2 之間，判定K38+112---K39+655 漏纜及接頭無問題，故判定該故障點在K38+112 或者K39+655 機房內。排查至K38+112 直放站后，發現K38+112 直放站內二功分器與天線饋線在LZ-ZQN06/R2 遠端機側RF1、 RF2 接反，隨即將連接天線及漏纜的二功分器調至RF1 口，天線的收側調至RF2 口。

K38+112---K39+655 漏纜逐段測試駐波如圖11所示。K38+112 天饋線及漏纜安裝示意圖如圖12 所示。

圖11 K38+112---K39+655 漏纜逐段測試駐波

圖12 K38+112 天饋線及漏纜安裝示意圖 （注：標注×為施工連接錯誤。）

復測正常（復測結果見圖13，K39+554 附近相鄰小區電平切換圖）。

圖13 鐵路通信檢測系統FESAMES 復測結果：K39+554 附近相鄰小區電平切換圖

4.2.5 K70+294 天線過覆蓋

聯調中發現K70+294 天線小里程存在過覆蓋情況。K70+294 附近相鄰小區電平切換圖如圖14 所示。將其下傾角下壓四度，處理結果為復測正常。

圖14 鐵路通信檢測系統FESAMES 測試結果：K70+294 附近相鄰小區電平切換圖

4.2.6 K40 處從信號過強，存在回切風險

圖15 鐵路通信檢測系統FESAMES 測試結果：K40 附近相鄰小區電平切換圖

處理將K39-K40 附近遠端機從信號降低。結果顯示復測正常。

4.3 設備故障排查

結合網管上的設備故障狀態，在靜態測試和動態測試中排除設備故障，濟萊高鐵直放站主要的故障如下：

4.3.1 動環故障排查

本次設計洞室外獨立直放站房屋及隧道內洞室動環采用直放站設備自帶的動環監測設備，統一納入直放站網管統一管理，在濟南調度樓通信機房本線直放站網管和本線基站動環服務器互聯，將直放站網管采集到的動環信息推送給本線動環監控中心。在本工程調試過程中存在部分動環通信、UPS 通信等動環故障，施工單位應加強施工培訓，強化現場監督，對動環連線接線、接線端子、監控單元逐段排查，確定信號線連接無誤并緊固后正常。

動環故障主要的問題：信號線接線錯誤； 信號線虛接、松動； 傳感器模塊損壞。

4.3.2 遠端機溫濕度告警處理經現場排查，設備緊固螺釘未擰緊，隧道內很潮濕，導致部分設備受潮進水，為排除隱患，將設備更換，故障消除。

建議施工調試階段加強對設備緊固程度進行專項檢查，特別是設備緊固螺釘擰緊到位，防止隧道內的潮氣通過未密封嚴實的設備外殼縫隙進入設備腔內，造成設備腔內的板卡、纜束表面產生凝結水，造成設備故障。尤其潮濕，灰塵多的環境下更易發生。

4.3.3 光環路與光鏈路故障排查

光環路與光鏈路通過近端機指示燈與網管遠端機狀態進行排查，結合現場用光功率計、紅光筆、OTDR 的運用，逐段查收光功率（順序為：近端機機房設備尾纖末端---連接上光纖法蘭轉換頭后端----遠端機機房ODF 光纖適配器后端收線路側光功率---連接上光纖法蘭轉換頭前端---遠端機設備光模塊處），逐點位查找出故障點，通過更換法蘭、熔接、無水乙醇棉球處理尾纖端面灰塵等手段處理光路LOS、光衰過大問題。

本段中繼光纜雖然距離較短，但是主用、備用光纖鏈路跳接點比較多，普遍在3-6 處之間，在排除ODF 成端故障外，隨身攜帶備齊無水乙醇藥棉、光纖法蘭轉換頭、鎧裝光纖跳線等材料備件。在排除故障過程中，由于隧道灰塵大，光纖跳線耦合面臟、光纖法蘭轉換頭質量問題在本次處理光鏈路光衰過大或者光路LOS 故障中較為普遍。

4.4 數字直放站開通過程中施工中注意事項及常見問題處理

鐵路通信系統包含的設備種類較多，技術標準要求高，如核心網設備、傳輸設備、數據網設備、無線設備（MSC、BSC、BTS、MU、RU）等。結合濟萊高鐵工程實施中的問題及處理措施，數字直放站開通經驗總結如下：

4.4.1 施工中注意事項

（1）走線槽安裝：本次施工采用鍍鋅防腐鋼槽，要求橫平豎直，走線合理，水平偏差≤2 mm，出線口采用現場切割加工，出線口需要用雙面護線圈防止1/2 跳線及電源線割傷外皮（見圖16 隧道內洞室直放站安裝全景圖）。

圖16 隧道內洞室直放站安裝全景圖

（2）設備線纜布設：線纜規格、布設路由符合設計要求，電纜及1/2 跳線在轉彎處應均勻圓滑，要保持垂直或水平，排列整齊，無大團扭絞和交叉；

（3）電纜芯線繞、焊：電纜剖頭要整齊，不得傷及芯線，芯線卡接、繞接符合標準要求。

（4）接地：使用前需要和站前單位對接洞室內預留接地端子（本線預留兩處），需要至用16 mm2分解引接兩處接地銅排，一處做防雷地（1/2 饋線接地）；另一處做工作保護地（設備工作地及機殼接地），接地電阻≤4 Ω。

（5）施工測試：漏纜敷設、接續完畢后逐段測試駐波比，測試時加上負載，漏纜測試帶上直流阻斷器及防雷器一起測試。測試駐波比合格后方可對漏纜接頭進行絕緣防水處理。

（6）直放站收容插箱 RF1、RF2 接1/2 跳線原則：F1 收發都有（必接），本工程為二功分器處1/2 跳線；RF2 只收不發（雙極化天線要接，漏纜一般不接），本工程為天饋線收側1/2 跳線。

4.4.2 開通常見問題處理建議

（1）場強覆蓋問題。工程建設中，隧道內采用漏纜覆蓋，隧道外采用天線覆蓋。隧道口直放站由于地形等選址原因，導致鐵塔與隧道口之間仍有一定的距離（本段工程直放站站址在隧道口45 度方向20-40 m 左右），此段區域只能由天線背面輻射覆蓋，當距離較大時，易引起覆蓋場強電平不足的情況。

針對類似的覆蓋弱區，提出以下2 種處理建議：①增加向隧道口方向的天線，加強該弱區的場強覆蓋；②調整天線方位角和俯仰角，改善該弱區的場強覆蓋。

（2）小區切換問題。數字光纖直放站采用交織冗余覆蓋，每臺遠端機需同時發射主、從信號，主信號來自歸屬基站，從信號來自鄰近基站；切換點前的主信號，過切換點后就變成從信號。工程中易出現乒乓切換、延時切換和提前切換等各類切換問題。

處理建議：

（1）主從信號差值≥6 dB 可保證可靠切換，實際工程中場強存在快衰落，該數值應設置在9-12 dB左右才能保證可靠切換。

（2）場強信號的過覆蓋也會導致切換異常，通過調整設備發射功率或調整天線俯仰角等措施來解決。

（3）設備故障問題。結合數字直放站網管上的設備故障狀態，在靜態測試和動態測試中排查各類設備故障，主要的故障如下：①遠端機的動環模塊與各傳感器之間的連接電纜；②遠端機的功放告警故障；③近、遠端機的光纖鏈路跳接點過多導致接收光功率過大。處理更換各故障板件、逐段用光功率計查收光功率，排除尾纖適配器故障、尾纖耦合面臟的原因。

5 結 論

綜上所述，與傳統的模擬光纖直放站相比，數字直放站采用先進的數字信號處理技術和數字信號光纖傳輸技術，實現多載波移動通信信號的遠距離傳輸和大容量、大動態范圍的信號覆蓋。噪聲更低、傳輸距離更長，組網更靈活，遠端重疊覆蓋區時延可調整等優勢。現有鐵路鏈狀網的應用環境下，采用數字直放站是一種較好的選擇[5]。

鑒于數字直放站的諸多優點，結合高速鐵路GSM-R 通信系統技術復雜、投資大、施工條件艱苦、施工難度大、行車干擾大等痛點、難點問題，本工程利用數字直放站+漏纜、數字直放站+天線或數字直放站+漏纜和天線的小區覆蓋技術，較好地解決了山區橋隧占比大、既有線并行等復雜電磁環境、特殊地貌條件下無線信號覆蓋的技術難題。

本工程的成功實踐表明，高速鐵路采用數字直放站+漏纜和天線是GSM-R 通信系統工程建設的重要手段。以濟萊高鐵GSM-R 數字光纖直放站的施工工作總結，為其他類似工程建設項目提供經驗。