1 概述

  既有铁路450 MHz无线列调系统服役年限越来越长,故障率逐年升高,给运输生产指挥通信带来不同程度的影响。目前,中国铁路总公司对于已到更新改造期限的各大干线铁路无线列调系统实施改造,而因铁路下一代移动通信系统的频率、标准、制式等尚处于研究和试验阶段,所以,450 MHz无线列调系统改造的方向仍将是在高速铁路中发挥重要作用的铁路数字移动通信系统(GSM-R)。但是既有铁路在车站设置、设计时速、线路走向、运输组织等方面都与高速铁路存在差异,随着GSM-R系统的发展,出现各式各样的无线覆盖设备,这给广大工程设计人员在进行工程设计时造成困惑。本文对GSM-R系统无线设备的选择进行分析,供工程设计人员参考。

2 GSM-R系统无线设备应用现状

  目前已开通运营GSM-R系统的线路,根据覆盖场景的需要,主要采用宏基站、模拟光纤直放站、分布式基站等无线设备。在正线平原、高架桥等区段,主要采用发射功率高的宏基站进行覆盖;在隧道等弱场区段主要采用宏基站+模拟光纤直放站结合漏泄同轴电缆进行覆盖;在一些铁路枢纽,考虑频率规划紧张、切换复杂等因素,采用分布式基站进行覆盖。

3 既有铁路特点及GSM-R系统覆盖需求

  既有铁路车站设置较多,凡是人口密集的城镇都要顾及到,车站间距从几公里到几十公里不等;设计速度一般在160 km/h及以下;受当时建设条件的限制,在山区线路比较曲折,即弯道较多;既有铁路维修时间有限,因此在条件允许的情况下,GSM-R系统应尽量提供安全可靠的覆盖。

4 GSM-R系统无线设备选择

  下面就平原区段和山区两种典型覆盖场景,分析GSM-R系统无线设备的选择。

  4.1 平原区段

  平原区段线路一般较直,无线信号传播不易受地形、地物、建筑物等的影响,考虑维护便利、基础设施齐全,以及满足基于位置寻址的呼叫需要,首先宜在车站设置基站。如果车站间距不是很长,只在车站设置基站,就可满足区间场强覆盖需要。如果根据链路预算,车站基站无法满足区间场强覆盖需求,则需在区间增加无线设备。以下从覆盖距离、投资两个方面对宏基站和分布式基站进行比较。

  4.1.1 覆盖距离

  目前,宏基站产品支持的发射功率主要包括40、60、80 W等,分布式基站的发射功率主要包括20、30、50 W等。根据Okumura-Hata模型:

  其中:

  f——工作频率,按930 MHz计算;

  Hb——基站天线高度,m;

  Hm——机车台天线高度,取4m;

  a(hm)——移动台天线高度校正因子,按中小城市取值,a(hm)=[1.1lg(f)-0.7]hm-1.56lg(f)+0.8;

  d——覆盖距离,km。

  以宏基站发射功率40 W、分布式基站发射功率20 W为例,从公式(1)可以推算出,在相同基站天线高度下,宏基站比分布式基站的覆盖距离长,具体计算公式如下:

  工程中,基站天线高度一般为30~60 m,带入公式(4),可计算出宏基站的覆盖距离约是分布式基站覆盖距离的1.2倍。当分布式基站采用共小区时,为避免产生多径时延,分布式基站射频拉远单元(RRU)间距目前只能做到4.5 km以内。因此,从覆盖距离来看,宏基站比分布式基站有优势。

  4.1.2 投资

  区间新建基站节点,主要包括通信、电力和房建投资。对于区间宏基站,通信设备主要包括基站、传输、电源、动环、铁塔、光缆线路,电力设备主要为箱式变电站或杆架变电台,房建主要为机房、空调。对于区间分布式基站,通信设备主要包括RRU、铁塔、光缆线路,电力设备主要为箱式变电站或杆架变电台,房建主要为机房。

  目前宏基站传输设备组网,一般需要4芯光纤,而RRU与基带控制单元(BBU)之间通信也需要4芯光纤。铁路局基础网改造一般建有32芯或48芯干线光缆,宏基站传输设备组网可利用既有光缆,如果既有干线光缆不允许用于分布式基站组网,则需从RRU向BBU敷设短段光缆。宏基站与分布式基站RRU单节点投资比较如表1所示。

  从表1可以看出,宏基站单节点高于分布式基站RRU单节点的投资,而当既有光缆可以利旧时,分布式基站RRU节点投资更低,约为宏基站投资的50%。

  4.1.3 比较结论

  综合以上覆盖距离、投资两方面的比较,根据链路预算,当区间需要增加一处无线设备时,分布式基站投资低;当车站间距较大,需要增加多处无线设备时,因为宏基站覆盖距离远,较少的宏基站节点就能满足覆盖需求,分布式基站在投资方面不一定有优势,需要结合工程具体情况进行比较。

  4.2 山区

  山区隧道较多,一般采用光纤直放站+漏泄同轴电缆方式进行无线覆盖,而分布式基站射频单元可拉远安装,且为室外型设备,可应用于隧道等环境部署,因此分布式基站也可用于山区场景覆盖。中国铁路总公司发布了铁路数字移动通信系统(GSM-R)数字光纤直放站技术要求,行业标准也已实施,在直放站应用方面,数字光纤直放站将逐步取代模拟光纤直放站占主导地位。以下从覆盖距离、投资两个方面对分布式基站和数字直放站进行比较。

  4.2.1 覆盖距离

  目前,分布式基站产品支持的发射功率主要包括20、30、50W等,数字光纤直放站单端口发射功率主要包括2、5、20W及以上。根据漏泄同轴电缆区段链路预算:

  其中:

  Pr——机车台天线处最小可用接收电平,既有线取-98 dBm;

  Po——分布式基站或数字光纤直放站发射功率,分别取43 dBm(每载波20 W)和40 dBm(每载波10W,双端口);

  Lt——1-5/8〞漏泄同轴电缆传输损耗,取2.4 dB/100 m;

  Lc——1-5/8〞漏泄同轴电缆耦合损耗(95%,2 m),取69 dB;

  Lp——附加损耗,为连接电缆加电缆接头的损耗,取6 dB;

  La——宽度因子,取20 lg (8/2) =12 dB;

  M——设计储备量,取6 dB,其中分布式基站或数字光纤直放站发射功率下降3 dB,漏泄同轴电缆老化3 dB;

  D——漏缆长度,m。

  计算结果如表2所示。

  4.2.2 投资

  分布式基站BBU与数字光纤直放站信源基站处均需设置传输、电源、动环等通信设备及配套的电力、房建设施。区间分布式基站RRU与数字光纤直放站远端机类似,除无线设备外,主要包括铁塔、光缆线路及配套的电力、房建设施。在分布式基站BBU所在地,需设置分布式基站RRU进行覆盖;为避免多径时延干扰,作为数字光纤直放站信源的基站设备不能做空间覆盖,基站处需设置直放站远端机进行覆盖。

  目前,分布式基站RRU与BBU之间可采用星型、链型和环形组网,链型组网对于铁路专网应用来说,可靠性较低,上级RRU故障会影响后续RRU工作,所以工程中宜采用星型或环型组网方式。对于星型组网,每处RRU需要4芯光纤;对于环型组网,每个环需要4芯光纤。环型组网比星型组网节省光纤资源。

  与分布式基站类似,数字光纤直放站远端机与近端机之间可采用星型、链型、环型和混合型组网,就可靠性而言,宜采用星型或环型组网方式。对于星型组网,每处远端机需要2芯光纤;对于环型组网,每个环需要2芯光纤。环型组网比星型组网节省光纤资源。

  从以上分析可以看出,分布式基站与数字光纤直放站在传输、电源、动环等通信设备,以及电力、房建等配套设施方面的需求类似,前者对于短段光缆的需求是后者的2倍,从无线设备的投资方面对两者进行比较,如表3所示。

  从表3可以看出,当分布式基站RRU或数字光纤直放站远端机节点数量小于等于3个时,分布式基站投资较低;当节点数量达到4个及以上时,数字光纤直放站在投资方面比较有优势。

  4.2.3 比较结论

  综合以上分析,分布式基站因发射功率较高,覆盖距离稍远。结合投资,当区间需要增加的无线设备节点数量较少(1~2个)时,可考虑设置分布式基站,节点数量较多(3个及以上)时,宜设置数字光纤直放站。

5 其他建议

  从目前的分布式基站产品来看,还存在一些改进空间,以更好的适应既有铁路450 MHz无线列调改造GSM-R系统的需求。

  1)GSM-R系统相关铁路行业标准要求基站的核心处理器或主控板应冗余热备;载波单元应分板设置,任一单板故障时,基站仍能提供服务。部分产品需要设置双套BBU和双套RRU,BBU与基站控制器(BSC)之间需要组双环网,需要较多的传输和光缆资源。

  2)部分产品的RRU与BBU之间不支持环型组网,需要较多的光缆资源。

  3)RRU与BBU通过通用无线公共接口(CPRI)采用光纤连接时,部分产品收发光纤分开,不支持收发共用光纤,因此需要较多的光纤资源。

  4)部分产品的RRU对电源及环境监控信息传输支持较弱,因RRU处一般不设置传输设备,因此需要占用更多的光纤资源回传动环信息和/或电力远动信息。

参考文献

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  [8]华为技术有限公司.GSM无线网络规划与优化[M].北京:人民邮电出版社,2004.

  (收稿日期:2016-04-27)

  (修回日期:2016-06-15)