光纤拉远基站技术在铁路系统中的适用性研究

王 哲 钟章队 丁建文

GSM－R网络沿铁路线状覆盖，列车在运行过程中会发生频繁的越区切换，其后果就是降低了服务质量。所以减少切换次数，简化切换过程，避免乒乓切换，及时快速完成切换，是提高GSM－R越区切换性能的关键。

1 直放站的问题

目前，对于局部基站密度较小、信号衰落严重的信号弱区或盲区，采用直放站补充覆盖。直放站是一种同频放大设备，相当于一种中继器，可增强无线通信信号，增强射频信号功率。虽然铁路隧道内侧壁铺设泄漏电缆，采用直放站作信源，可以解决隧道弱场覆盖问题，但仍存在以下缺点。

1．由于直放站对信号进行了2次转换处理，所以发送至目标区域的信号会有一定程度的失真，同时会引入噪声，传输时延也会因为2次变频而增加。

2．直放站不能与基站设备共同进行网管维护，一般采用轮巡方式，在设备告警实时性方面较差，查询状态信息速度较慢，基本没有网络监控能力。

3．直放站不能向LTE制式演进，不支持扩容，需要更加先进的技术代替。

2 光纤拉远基站

光纤拉远基站技术是通过分布式基站部署实现的。分布式基站 （DBS）是将基站分成近端设备和远端设备，即基带处理单元 （BBU）和射频拉远单元 （RRU），二者之间通过光纤连接。接口是基于通用公共射频接口 （CPRI）或开放式基站架构（OBASI）接口。

BBU完成基带处理 （信道编码、复用等）、信令处理、本地和远程操作维护，以及NodeB系统的工作状态监控和告警信息上报等功能。将繁琐的维护工作简化至BBU端，便于管理。BBU框架如图1所示。

RRU是将以前基站功能中的射频部分分离出来，安装在天线端。RRU负责无线信号的射频与中频处理，其内部原理如图2所示。

图1 BBU框架图

图2 RRU原理图

图3 单层网覆盖与光纤拉远基站覆盖下小区切换对比示意图

光纤拉远基站技术将BBU与RRU分离，一个BBU可以连接多个RRU，节省了成本，同时由于RRU体积较小，可以灵活分布在铁路沿线，通过光纤基站拉远、RRU共小区等关键技术可以扩大覆盖范围，解决高速铁路中切换频繁问题，提高了组网效率。此外，BBU与RRU通过光纤连接，损耗较低。

多RRU共小区技术是基于分布式基站架构开发的。通过RRU拉远，一个BBU下的多个Subsite物理上分属不同站址，逻辑上属于同一个小区。此外，多RRU共小区技术还解决了高速环境下网络切换频繁和弱场覆盖问题。通过将多个RRU配置为统一逻辑小区，同时使用相同的频点，可以扩大逻辑小区的覆盖范围，不仅可以大幅减少高速列车上移动终端的切换频度，提高高速环境下的网络切换成功率，而且可以有效缓解目前铁路通信频率资源紧张的问题。同时，RRU还有星形组网、链形组网和环形组网等方式。RRU共小区技术网络覆盖如图3所示。

光纤拉远基站和传统的光纤直放站相比，主要具有以下优点。

1．在传输时延和失真方面，RRU传输纯基带信号，BBU与RRU传输过程中也不会进行光电转换，因此，光纤拉远基站可以最大程度减少信号失真，也不会引入噪声和增加传输时延。

2．在监控告警方面，光纤拉远基站与普通GSM－R基站一样，采用实时监控机制，可以在第一时间上报设备故障，不仅可以监控基站自身设备，还可以对完整的网络性能进行监控，降低维护的人工成本。

3．光纤拉远基站技术已经在3G中得到了广泛的应用部署，各大设备厂商也在光纤拉远基站加大研发投入，研究在LTE制式中的应用。

3 仿真测试方案

光纤拉远基站技术虽然在公网中已经得到了较为广泛的应用，但是出于铁路系统安全性等方面考虑，并没有在铁路系统得到应用，目前只是在极个别路段进行了试验。针对这一现状，提出了无线光纤拉远基站技术测试方案，并已经在北京交通大学铁道部GSM－R实验室开始部署试验。仿真测试组网如图4所示。将GSM－R设备与能够模拟各种高速铁路场景的高速无线信道仿真平台相连，组建无线光纤拉远基站高速仿真测试环境，进行仿真测试。

图4 测试仿真组网图

测试平台主要基于GSM－R实验室中兴核心网和无线网络，仿真350km／h高速运行环境，将测试用模块接入无线信道仿真系统。

仿真环境包括4部分：①GSM－R网络，含 GSM－R核心 网 （HLR／MSC／VLR／SSP／GCR／IWF） 和 无 线 网（BSC／BTS）；②无线信道建模与仿真子系统；③GSM－R终端及QoS测试系统软件；④GSM－R QoS地面服务器及软件。

无线信道建模与仿真子系统由高性能服务器、信道仿真仪、数字信号源、频谱仪、矢量信号分析仪、数据采集卡及环形器、衰减器、馈线等硬件设备构成。

仿真的基本原理是将开放的无线环境通过无线信道建模与仿真子系统来实现，即测试模块与无线基站之间的Um接口不通过空间信号传播，而是将上、下行信号均通过射频线缆接入无线信道建模与仿真子系统，由无线信道建模与仿真子系统通过射频线缆与实际若干个 （2～4个）GSM－R基站相连。测试中通过控制和设置无线信道建模与仿真子系统的各项参数，模拟不同场景环境、速度及干扰等级条件下的信道，并将现场采集的大尺度电波传播数据导入系统，控制移动终端在连续小区之间进行越区切换，实现测试目标。场强数据经过格式处理和归一化后可导入无线信道建模与仿真子系统，模拟移动终端在不同的小区间进行切换。现场采集的场强数据如图5所示。

图5 实测场强数据

图6为模拟列车在运行到不同位置的信号强度所发生变化，从而在实验室环境实现了移动台越区切换的全过程，进行小区切换的性能指标分析、高速移动对越区切换造成的影响分析等。

4 结论

随着我国高速铁路里程的不断增加，对小区覆盖要求也日趋强烈。对光纤拉远基站技术在铁路系统中应用进行研究，和直放站技术进行对比，提出了针对光纤拉远基站技术在铁路高速环境中应用的仿真测试方案。

光纤拉远基站技术具有在公网中成功应用的案例，并对解决高速铁路中越区切换频度过高、小区覆盖范围较小等问题有着明显优势。在下一步的工作中，将针对提出的测试方案进一步深入研究，并在实验室进行仿真测试，论证光纤拉远基站技术应用于铁路系统的可行性。

图6 越区切换模拟

［1］ 梁延峰．RRU基本原理及应用分析［J］．电信工程技术与标准化，2007（03）：51－55．

［2］ 杨锐．分布式基站在我国铁路GSM－R系统中的应用研究［J］．铁路技术创新，2011（02）：64－66．

［3］ 杨帆．光纤拉远基站系统及其在高速铁路中的应用研究［D］．北京交通大学，2009．

［4］ 李玉洁，陈俊雷．高速铁路环境下LTE组网技术研究［J］．信息通信，2014（01）：250－251．