光纤直放站原理及在铁路移动通信的应用

时庆飞

(北京中铁建电气化设计研究院有限公司，北京 100043)

1 概述

2004年初，我国制定了《中长期铁路网规划》，计划到2020年，全国营运里程达到10万km，其中客运专线1.2万km、既有线电气化1.6万km。在既有线的电气化改造中，通信线路、设备的改造是其重要组成部分。在列车的几次大提速中，铁路移动通信功不可没。铁路移动通信中,无线场强覆盖率是比较重要的技术指标，采用光纤直放站覆盖是解决区间弱场强覆盖的重要手段。

光纤直放站具有传输距离远、信号质量高、抗干扰能力强、稳定性好等特点。由于光缆技术日益成熟且价位下调，光纤直放站已经在公网移动通信中得到广泛的应用。随着中国铁路的高速发展，光纤直放站也逐步在铁路移动通信得到应用，尤其在既有线路的电气化改造及新建客运专线中大量的应用,主要是GSM-R系统和无线列调系统。

2 光纤直放站构成与工作原理

2.1 光纤直放站构成

光纤直放站主要由近端机（信号源端）和远端机（弱场强区域端）构成，两者之间通过光缆相连。

2.2 光纤直放站工作原理

如图1所示，下行信号：首先从信号源的射频部分通过耦合器耦合出射频信号，进入近端主机，把射频信号转换成中频信号并进行放大；然后进入光端机，把电信号转换成光信号并进行放大；再到波分复用器（与其他业务共用1根光纤），进行光波合路，通过光缆传到远端机，先进入波分器，把设备采用的波长（1 550 nm）分离出来；进入光端机，把光信号转换成电信号，再到远端主机，把中频信号转换成射频信号并进行放大；最后通过天线发射出去；完成对弱场强区域的覆盖。

上行信号：远端站天线接收到移动台的射频信号，进入远端主机把射频信号进行放大，并转换为中频信号，送到光端机将电信号转换成光信号，进入波分复用器进行光波合路（与其他业务共用1根光纤），再通过光纤传送到近端站的波分器，进行波长分离，送到光端机，把光信号转换成电信号，进入近端主机进行信号放大，转换成射频信号进入信号源内。

光纤应用分析：图1采用2根光纤进行传输，上下行信号均采用1 550 nm光波长（与其他业务共用光纤），也可不与其他业务共用，自身占用2根光纤。如果光缆芯数紧张，可以采用1根光纤，上下行信号共用1根光纤，分别采用1 310 nm和1 550 nm光波长，采用波分复用器和波分器把2个波长进行合路和分离，节省1芯光纤。

3 光纤直放站组网方式

组网方式主要有并联方式、串联方式和串并联混合方式。

并联方式的特点：远端机以星型的方式连接到近端机上，如图2所示。优点：每台远端机到近端机的光路都是独立的，1台远端机故障时不影响其他远端机；目前工程上使用的光纤直放站大部分为模拟的，有底部噪声，并联方式不存在噪声积累。缺点：因为每台远端机到近端机的光路是独立的，占用光缆资源。

串联方式的特点：远端机以级联的方式连接到近端机上，如图3所示，1台近端机带1台远端机，1台远端机再带远端机。优点：几台远端机共用1条光路，这样节省光缆资源。缺点：前端的远端机故障时影响后端的远端机的正常工作，这种级联方式存在噪声积累。

串并联混合方式：综合了并联和串联的2种方式，如图4所示。

一般在铁路移动通信中，采用并联方式比较多，其他方式相对比较少。

4 光纤直放站在铁路移动通信工程的应用

图5为光纤直放站在铁路无线列调系统的典型应用。下行：通过耦合器引入车站电台和解码器的射频信号，近端站通过电/光转换，将射频信号转换成光信号，光信号通过光纤传送到远端站，远端站通过光/电转换，将光信号转换成射频信号，并将射频信号放大后通过天线发射，解决盲区的覆盖。上行：远端站天线接收移动台的射频信号，将射频信号放大后进行电/光转换，将光信号通过光纤传送到近端站，近端站通过光/电转换，将光信号还原成射频信号，通过耦合器送入车站电台和车次号解码器。

4.1 天线覆盖基本数据计算

空间损耗：LS=32.45+20 lgD+20 lgf

下行场强覆盖计算：

Po+Gal-Ls-Lp+Ga2=Prm+La

其中：

Po——直放站发射功率；

Gal——直放站天线增益；

Ls——空间损耗；

Lp——电缆接头及电缆附加损耗；

Ga2——移动终端天线增益；

Prm——移动终端接收电平；

La——保护电平储备；

D——移动终端到直放站的距离；

f——工作频率。

通常 Po=35 dBm，Gal=12 dB，Lp=18 dB，Ga2=0 dB，La=6.5 dB，Prm=-97 dBm（电气化区段最小接收电平）。

上面公式同样适用于上行信号覆盖的计算，通常移动终端的发射功率为33 dBm，上面公式中的空间损耗的计算为自由空间损耗，实际计算中考虑其他原因产生的损耗（例如地形等原因）。

直放站的覆盖距离除了上面的计算，还与天线挂高、周围的地形有关，通常天线挂高为20～30m，一般地形比较平坦的区域，直放站最大覆盖距离为10 km，地形比较复杂的区域也可达到5～6 km。

4.2 应用实例

长荆线（湖北长江埠到荆门的铁路）全长176.39 km，进行全线电气化改造，移动通信要求采用无线列调通信系统450 MHz频段B1制式，进行全线覆盖，弱场强区域按照电气化铁路要求进行补强。原有移动通信现状：无线列调通信系统为450 MHz频段C制式，区间内无中继设备，只覆盖车站，8个中间站，共有9个区间，最小区间7.03 km，最长区间为26.80 km，其中6个区间超过20 km，2个区间10多km；全线存在大量的弱场强区域；全线地形比较复杂，地势跌宕起伏，有些区间为丘陵地形，地势平坦的区间也有不少深挖的路堑和弯道，其中一区段内有1.13 km的隧道。设计方案：车站更换无线列调通信系统450 MHz频段B1制式电台，区间弱场强区域采用光纤直放站进行补强，隧道内采用光纤直放站加泄漏电缆进行补强；全线设置了18处光纤直放站，安装30 m铁塔，天线采用高增益的双定向天线，在比较大的区间设置了3处直放站进行覆盖。

[1] TB10006-2005 铁路运输通信设计规范[S].

[2] TB/T3052-2002 列车无线调度通信系统制式及主要技术条件[S].

[3] 铁道部通信信号总公司研究设计院．《铁路工程项目设计技术手册》通信[M],北京：中国铁道出版社，1994.

[4] TB1630-1985 电气化150/450 MHz铁路列车无线电通信最小接收电平值及其测量方法[S].