模擬光纖直放站在機(jī)場800 MHzTETRA系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

摘要：首先，概述了模擬光纖直放站的設(shè)備組成、工作原理和設(shè)備優(yōu)點(diǎn)；其次，研究模擬光纖直放站在廈門機(jī)場800 MHz 陸地集群無線電（terrestrial trunked radio，TETRA）系統(tǒng)中的應(yīng)用，著重分析了T3 航站樓西側(cè)登機(jī)口區(qū)域和T4 航站樓東機(jī)坪區(qū)存在的信號(hào)問題及解決思路；最后，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用案例，提出模擬光纖直放站是我國民航中大型機(jī)場800 MHz TETRA 系統(tǒng)建設(shè)的首選解決方案。

關(guān)鍵詞：模擬光纖直放站；TETRA 系統(tǒng)；同頻干擾；時(shí)延

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著中國民用航空業(yè)的飛速發(fā)展，800 MHz 陸地集群無線電（terrestrial trunked radio，TETRA）系統(tǒng)在我國大部分主要機(jī)場快速部署并且投入使用，為機(jī)場航班業(yè)務(wù)提供強(qiáng)大的通信保障，大幅提高航班業(yè)務(wù)的開展能力。但是由于建設(shè)成本和系統(tǒng)規(guī)模的制約，800 MHz TETRA 系統(tǒng)信號(hào)弱，其覆蓋能力難以滿足現(xiàn)有機(jī)場保障水平的要求。為解決無線信號(hào)覆蓋的盲區(qū)、弱區(qū)等問題，光纖傳輸技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，以此技術(shù)為基礎(chǔ)的光纖直放站產(chǎn)品大量應(yīng)用于室內(nèi)分布系統(tǒng)中。

1 模擬光纖直放站簡介

1.1 設(shè)備組成

模擬光纖線直放站是指由基站源信號(hào)端設(shè)備（近端機(jī)）和信號(hào)覆蓋端設(shè)備（遠(yuǎn)端機(jī)）共同組成的系統(tǒng)，其包括射頻單元和光電單元，射頻單元具有無線信號(hào)的接收、放大、濾波、發(fā)射等功能；光電單元可以實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)與光信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換[1]。

1.2 工作原理

下行通信工作原理：近端機(jī)通過饋線耦合接收基站信號(hào)，利用雙工器進(jìn)行濾波等處理后，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過光纖長距離傳輸至遠(yuǎn)端機(jī)。遠(yuǎn)端機(jī)將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，恢復(fù)為原始的射頻信號(hào)，該射頻信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)放大器、功放等一系列處理，并且通過天線發(fā)射以完成區(qū)域覆蓋。

上行通信工作原理：遠(yuǎn)端機(jī)接收移動(dòng)臺(tái)信號(hào)，在遠(yuǎn)端機(jī)進(jìn)行濾波、去噪和放大等一系列處理后，將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，然后通過光纖長距離傳輸回近端機(jī)，近端機(jī)再將光信號(hào)還原為射頻信號(hào)并且輸入基站，實(shí)現(xiàn)上行信號(hào)接收。

1.3 設(shè)備優(yōu)點(diǎn)

模擬光纖直放站具有結(jié)構(gòu)簡單、投資較少和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，其可以在不增加基站數(shù)量的前提下保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋，從而實(shí)現(xiàn)無線通信系統(tǒng)“小容量、大覆蓋”的目標(biāo)。

相較于具有同樣效果的微蜂窩系統(tǒng)，模擬光纖直放站的造價(jià)更低。與無線直放站相比，模擬光纖直放站采用全光纖傳輸，支持多個(gè)遠(yuǎn)端設(shè)備，信號(hào)傳輸衰減小，傳輸距離約為20 km，這與傳統(tǒng)的射頻電纜相比也有明顯的距離優(yōu)勢；模擬光纖直放站采用全光纖傳輸，傳輸速率可達(dá)100 b/s，具有傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸信號(hào)質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)[2]。

與數(shù)字光纖直放站相比，模擬光纖直放站雖然不具備數(shù)字處理方面的優(yōu)勢，但其最大的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)時(shí)延更低，能更好地滿足機(jī)場800 MHz TETRA系統(tǒng)應(yīng)用，這也是模擬光纖直放站在民航機(jī)場應(yīng)用的巨大優(yōu)勢。

2 應(yīng)用案例背景

廈門機(jī)場800 MHz TETRA 系統(tǒng)由基站和室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)兩個(gè)部分組成?；局饕采w以跑道為中心且半徑為8 km 內(nèi)的室外區(qū)域；室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)部分則主要覆蓋機(jī)場航站樓室內(nèi)信號(hào)盲區(qū)和弱區(qū)，實(shí)現(xiàn)機(jī)場所有生產(chǎn)場所800 MHz TETRA 系統(tǒng)信號(hào)全覆蓋。

基于機(jī)場安全、可靠、高效運(yùn)營等特點(diǎn)，該系統(tǒng)配置兩套主要基站[ 另有一兩載頻（2BR）基站用于遠(yuǎn)處生活區(qū)的覆蓋，不涉及機(jī)場業(yè)務(wù)]，基站天線分別安裝在機(jī)場中心位置和對(duì)機(jī)坪覆蓋效果最佳的臨近高層建筑物屋頂上，實(shí)現(xiàn)一主一備功能，確?；驹谕话l(fā)故障時(shí)，所有室外系統(tǒng)用戶仍可繼續(xù)通過另一個(gè)基站進(jìn)行通信，有效保障機(jī)場航班生產(chǎn)所需無線通信業(yè)務(wù)的無縫銜接。

因建筑物對(duì)基站信號(hào)具有隔離和削弱影響，機(jī)場T3 航站樓內(nèi)、貨站一樓和地下室大部分區(qū)域信號(hào)十分微弱甚至接收不到信號(hào)，因此需要建設(shè)一套室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)，以滿足機(jī)場航站樓內(nèi)各生產(chǎn)崗位無線對(duì)講工作需求。從室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)建成至今，經(jīng)多次改造提升，系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，較好地滿足了規(guī)范要求、用戶使用需求和航班生產(chǎn)需要。

該800 MHz TETRA 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建設(shè)早于T4航站樓，故未考慮后續(xù)建設(shè)的距基站東側(cè)2 km 的T4 航站樓。當(dāng)時(shí)評(píng)估T4 航站樓指廊室外區(qū)域?qū)拘盘?hào)不會(huì)有明顯的影響，因此信號(hào)覆蓋設(shè)計(jì)方案沒有考慮T4 航站樓外的機(jī)坪，僅針對(duì)T4 航站樓室內(nèi)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于該部分覆蓋范圍較大，故室內(nèi)覆蓋采用了三級(jí)級(jí)聯(lián)的組網(wǎng)方式，采用先進(jìn)的數(shù)字光纖直放站。在使用過程中，由于T4 航站樓指廊位于基站和T4 航站樓東機(jī)坪之間，以及T4 航站樓指廊與T4 航站樓主體形成的“L”形布局等原因，導(dǎo)致東機(jī)坪基站信號(hào)弱、電磁環(huán)境復(fù)雜等，經(jīng)多次設(shè)計(jì)測試，最終通過技術(shù)改造有效解決了這些問題。

3 應(yīng)用問題與改造設(shè)計(jì)淺析

3.1 T3 航站樓西側(cè)登機(jī)口區(qū)域信號(hào)弱問題分析

T3 航站樓西側(cè)登機(jī)口區(qū)域設(shè)計(jì)之初，利用行業(yè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行分析，設(shè)計(jì)采用基站天線實(shí)現(xiàn)對(duì)講機(jī)信號(hào)覆蓋，但因該區(qū)域航站樓兩側(cè)采用大型金屬面板包裹覆蓋且屋頂混凝土結(jié)構(gòu)厚度較大，嚴(yán)重影響基站信號(hào)覆蓋及對(duì)講機(jī)發(fā)射信號(hào)接收。

鑒于上述現(xiàn)狀，通過現(xiàn)場信號(hào)測量判定影響區(qū)域，再經(jīng)路徑損耗模型及周邊機(jī)房情況分析，從以下幾個(gè)方面來確定該無線信號(hào)設(shè)備選型及安裝方式等。

（1）符合技術(shù)改造的弱電機(jī)房只有兩間，一間是在西側(cè)登機(jī)口區(qū)域中部；另一間在靠近西側(cè)登機(jī)口區(qū)域的出發(fā)夾層，弱電機(jī)房距離基站實(shí)際線纜路由約450 m，傳輸距離是設(shè)備選型的重要參考因素。與射頻線纜相比，光纖具有極低的損耗，通常在波長為1.31 μm 的光信號(hào)傳輸中，每千米的損耗不超過0.35 dB，而射頻線纜在傳輸800 MHz 的信號(hào)時(shí)，每千米的損耗超過40 dB；光纖的石英石材質(zhì)使得它只傳輸光信號(hào)不傳輸電信號(hào)，并且不受電磁場環(huán)境影響，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，適合在機(jī)場航站樓復(fù)雜的電磁環(huán)境下工作。

（2）兩間弱電機(jī)房均是密閉空間結(jié)構(gòu)，內(nèi)層是較厚鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層，外層是航站樓金屬結(jié)構(gòu)層。機(jī)房外圍信號(hào)質(zhì)量不佳，不適用于無線設(shè)備信號(hào)取樣；若是天線安裝在航站樓金屬結(jié)構(gòu)層外，存在安裝距離遠(yuǎn)、環(huán)境復(fù)雜、安裝難度大等問題，這些情況說明采用無線直放站對(duì)該區(qū)域進(jìn)行信號(hào)覆蓋，存在信號(hào)質(zhì)量不穩(wěn)定和安裝難度較大等問題。

（3）考慮建設(shè)成本，相較于數(shù)字光纖直放站，模擬光纖直放站成本較低，具備一定優(yōu)勢，所以最終確定采用模擬光纖直放站。

經(jīng)過此次技術(shù)改造，T3 航站樓西側(cè)登機(jī)口區(qū)域的信號(hào)強(qiáng)度得到極大提升。

3.2 T4 航站樓東機(jī)坪區(qū)信號(hào)問題分析

T4 航站樓自投入使用后，因其指廊金屬建筑結(jié)構(gòu)以及電磁環(huán)境較復(fù)雜的影響，指廊在基站與T4 航站樓東機(jī)坪之間形成一個(gè)高30 m、長300 m的金屬屏蔽網(wǎng)，基站信號(hào)在T4 航站樓東機(jī)坪側(cè)信號(hào)強(qiáng)度明顯偏弱。故當(dāng)時(shí)首先提出的改造方案是就近將室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)直放站的輸出劃分出一路較強(qiáng)的信號(hào)覆蓋機(jī)坪。具體實(shí)施如下：從室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)級(jí)聯(lián)第一級(jí)（T4 指廊9 號(hào)弱電間內(nèi)）直放站（輸出功率為43 dBm）的輸出端插入一個(gè)二功分器，將信號(hào)分成兩路（每路功率約為40 dBm），其中一路信號(hào)仍供給原室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)，另一路信號(hào)則引到機(jī)坪相對(duì)中間位置的接收/ 發(fā)射天線，實(shí)現(xiàn)對(duì)該機(jī)坪覆蓋。

此次改造完成后，對(duì)T4 航站樓東機(jī)坪進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度得到了明顯改善，但在一些區(qū)域特別是在室外天線半徑為50 ～ 150 m 的機(jī)坪區(qū)域，對(duì)講機(jī)信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到-80 ～ -70 dB，但對(duì)講機(jī)存在經(jīng)常脫網(wǎng)、斷話現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了對(duì)講機(jī)通信業(yè)務(wù)，疑似出現(xiàn)了與主基站信號(hào)之間的同頻干擾或多徑干擾。

模擬光纖直放站和數(shù)字光纖直放站都用于同頻放大系統(tǒng)，而數(shù)字光纖直放站因需要兩次變頻，時(shí)延較明顯，盡管信號(hào)是從第一級(jí)直放站引出的，在該室外天線半徑為50 ～ 150 m 的機(jī)坪區(qū)域，形成基站信號(hào)與數(shù)字光纖直放站存在同頻且信號(hào)強(qiáng)度均處于-80 ～ -70 dB 的現(xiàn)象，兩者信號(hào)相當(dāng)，即同頻干擾或多徑干擾現(xiàn)象，導(dǎo)致終端對(duì)講機(jī)無法正常接收信號(hào)。

為解決這個(gè)問題，測試3 種克服信號(hào)干擾的方案，具體的方案與結(jié)果如下。

第1 種：通過調(diào)整數(shù)字光纖直放站的輸入/ 輸出功率和駐波比等參數(shù)，優(yōu)化對(duì)講機(jī)信號(hào)雙向傳輸，進(jìn)一步驗(yàn)證各種參數(shù)狀態(tài)下對(duì)講機(jī)的使用情況。測試結(jié)果表明無明顯改善。

第2 種：通過調(diào)整室外天線安裝高度和輻射角度等參數(shù)，以及采用滿足TETRA 協(xié)議的其他品牌對(duì)講機(jī)。測試結(jié)果無明顯改善。

第3 種：通過將2BR 基站信號(hào)通過數(shù)字光纖直放站引入T4 航站樓東機(jī)坪區(qū)域。該方案雖克服了信號(hào)斷續(xù)的問題，但它難以承接系統(tǒng)的較大通話業(yè)務(wù)量，故該方案不可行。

以上3 種測試結(jié)果表明，現(xiàn)場確實(shí)發(fā)生了同頻干擾，而引入遠(yuǎn)端小型基站無法滿足業(yè)務(wù)需求?？紤]經(jīng)濟(jì)成本與效益，最終采用模擬光纖直放站搭建并測試，即使用模擬光纖直放站（輸出功率為43 dBm）代替原數(shù)字光纖直放站，現(xiàn)場天線覆蓋網(wǎng)絡(luò)保持不變?，F(xiàn)場測試結(jié)果如下：① T4 航站樓東機(jī)坪室外天線半徑為50 ～ 150 m 的機(jī)坪區(qū)域中的對(duì)講機(jī)信號(hào)強(qiáng)度有增強(qiáng)，該區(qū)域?qū)χv機(jī)通話穩(wěn)定，說明不存在同頻干擾現(xiàn)象；② T4 航站樓東機(jī)坪及周邊信號(hào)穩(wěn)定，通話得到了明顯的改善，無同頻干擾現(xiàn)象。

測試通信效果表明，采用模擬光纖直放站的方法是最佳方案，原因包括兩個(gè)方面：一方面，增設(shè)基站有明顯缺點(diǎn)，如項(xiàng)目成本投入極大、需要再申請(qǐng)額外頻段、建設(shè)周期較長；另一方面，數(shù)字遠(yuǎn)端機(jī)信號(hào)時(shí)延比模擬光纖直放站設(shè)備時(shí)延（約為1.5 μs）長，這通過實(shí)際案例應(yīng)用也得到進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 應(yīng)用場景探討

現(xiàn)有民航無線通信系統(tǒng)承載機(jī)場航班生產(chǎn)的即時(shí)通信，該系統(tǒng)是機(jī)場的核心系統(tǒng)，要求做到信號(hào)全面覆蓋、信號(hào)穩(wěn)定、無信號(hào)弱區(qū)和盲區(qū)。而航站樓因特殊的建筑物結(jié)構(gòu)及金屬鋼結(jié)構(gòu)使得信號(hào)傳輸畸變，電磁環(huán)境變得復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)信號(hào)全面有效覆蓋難度加大。考慮投資成本和頻譜資源，機(jī)場采用數(shù)量疊加方式設(shè)置基站的方案并不可取，故在滿足機(jī)坪主要通信范圍條件下，采用模擬光纖直放站實(shí)現(xiàn)室內(nèi)覆蓋的方案成為首選。

大規(guī)模的室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)采用數(shù)字光纖直放站具有獨(dú)特的優(yōu)勢，這通過現(xiàn)有運(yùn)營商公網(wǎng)覆蓋案例就足以說明，但數(shù)字光纖直放站固有的弱點(diǎn)——時(shí)延還需要降低。

對(duì)于運(yùn)營商公網(wǎng)的設(shè)計(jì)，一方面考慮到諸多因素，基站采用的是微蜂窩結(jié)構(gòu)方式，每個(gè)公網(wǎng)基站在實(shí)際應(yīng)用中的覆蓋范圍通常只有百米左右，這個(gè)強(qiáng)度的信號(hào)穿透到建筑物內(nèi)后，已經(jīng)可以忽略不計(jì)；另一方面，由于手機(jī)最大功率不高于200 mW（因?yàn)橘N身使用，功率過大會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生電磁傷害并且增加終端耗電），為保證上行通信效果，建筑物內(nèi)室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)中的天線間距不宜過大，這使得天線下行輸出功率較小，這種結(jié)構(gòu)使得室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)和基站幾乎互不干擾。因此，先進(jìn)的數(shù)字光纖直放站可以正常應(yīng)用在這種場景，不會(huì)出現(xiàn)同頻干擾現(xiàn)象。

800 MHz TETRA 系統(tǒng)基站信號(hào)能夠大面積覆蓋，其終端對(duì)講機(jī)最大功率可達(dá)1.8 W，即使室內(nèi)天線間距較大（直線可視距離500 m 以上）也能保證上行通信質(zhì)量。為保證下行通信效果，天線下行輸出功率也必須達(dá)到一定強(qiáng)度，這樣在使用數(shù)字光纖直放站的情況下，一旦建筑物隔離度（無線電屏蔽、衰減程度）不足，很容易產(chǎn)生同頻干擾[3]。例如，T3 航站樓3 樓出發(fā)廳靠近基站一側(cè)部分區(qū)域（采用室內(nèi)數(shù)字光纖直放站）與基站僅有一墻之隔，但會(huì)出現(xiàn)掉話現(xiàn)象，通過采用模擬光纖直放站并且憑借其低時(shí)延優(yōu)勢，能有效解決該問題。

5 總結(jié)

目前，我國民航機(jī)場更多傾向于室外機(jī)坪區(qū)域和室內(nèi)航站樓區(qū)域各自獨(dú)立建設(shè)基站進(jìn)行信號(hào)覆蓋，但它的缺點(diǎn)是投入成本高、頻譜占用多及安裝要求高。對(duì)于類似廈門機(jī)場的中大型機(jī)場，采用兩個(gè)室外機(jī)坪主基站加室內(nèi)模擬光纖直放站的方案，既能較好滿足機(jī)場生產(chǎn)無線通信業(yè)務(wù)需求，又能有效減少資金投入，實(shí)現(xiàn)安全、可靠、全面覆蓋的目標(biāo)，該方案是同規(guī)模中大型機(jī)場800 MHz TETRA系統(tǒng)建設(shè)首選。

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