利用分布式RRU有效解决GSM-R弱覆盖

时鹏 高鹏程

【摘要】 铁路沿线无线环境复杂，针对GSM-R（GSM for Railway）弱覆盖问题，传统采用直放站提升覆盖。本文提出了利用分布式RRU（Remote Radio Unit）解决弱覆盖的技术方案，和传统直放站覆盖方式对比具有低成本、高质量、更可靠、易施工、便运维等优势。

【关键词】 GSM-R 弱覆盖 直放站 分布式RRU

一、前言

GSM-R是铁路信息化的必由之路。GSM-R系统的通信质量是至关重要的，它直接影响铁路运输的安全和效率。同其它无线通信系统一样，无线覆盖是GSM-R通信质量和安全保障的根基。

基于安全的设计，需要冗余覆盖且不能够存在弱覆盖或覆盖盲区。大部分铁路段由宏站覆盖，长隧道通常采用泄露电缆覆盖。但在一些特殊路段，铁路弯道较多，有大量的短隧道或路堑，一些丘陵地带受山坡阻挡，都会导致宏基站信号衰减较大，类似城市楼宇产生的阴影效应。如何解决这种山坡阻挡、弯道及路堑等弱覆盖场景就成了一个难题。

为解决GSM-R弱覆盖，较常见的是采用直放站的覆盖方式。本文提出了采用分布式RRU覆盖的解决方案。

二、传统直放站覆盖方案

在国内GSM-R的弱覆盖场景中直放站应用非常广泛。直放站一般会选择就近的宏站作为信源，将射频信号拉出，通过近端机后，射频信号在远端机覆盖补盲。

直放站的输出功率较小，覆盖范围小。直放站是一种射频拉远的信号放大设备，信号有失真。射频拉远距离不同，时延也不同，主设备补偿困难。直放站不能够增加系统容量，反而增加了基站底噪，使原基站工作环境恶化，缩小覆盖半径。此外，直放站的网管功能和设备检测功能远不如基站，当直放站发生故障后不易发现。

直放站的工程安装要求较为苛刻：因直放站有时延，直放站级联数有限制；附近不能有较强的信号与施主基站同频。直放站的工程安装需要根据实地勘测结果进行传播预测和系统平衡的计算，来决定直放站的相关参数的取值。采用直放站方案，级联数受限于处理延时。背景噪声容易引起施主基站干扰。

三、分布式RRU覆盖方案

中兴通讯分布式基站都是基于SDR统一平台，由基带单元（BBU）和射频单元（RRU）组成，两者通过光纤进行连接。

BBU+RRU分布式基站实现GSM-R组网覆盖，是采用业界最新的“分布式”的设计理念。由于拉出的RRU是基带信号，在拉远时无失真。RRU本身就是基站的射频组成部分，本身可提供载频容量。拉出的RRU与宏站充分融合，完善的设备管理和报警功能，降低维护成本和维护工作量。

BBU建议放置在车站或现有机房，RRU通过级联方式在铁路沿线自由灵活铺设，可以采用抱杆安装或者利用已有的沿线铁塔安装。RRU近天线安装，可以节省馈线损耗。分布式RRU支持挂墙、抱杆、塔顶安装等多种安装方式。电源柜的安装也较为灵活，支持室内和室外，或上塔的安装方式。

四、两种方案的对比分析

GSM-R的覆盖，主要还是由宏站来承担。针对弱覆盖问题，有宏站+直放站解决方案（下左图）和宏站+分布式RRU解决方案（下右图）。

从上面的比较可以看出，与光纤直放站覆盖方案比较，分布式RRU覆盖方案能够给GSM-R带来的优势有：更好的网络质量、更简易的网络扩容方式、更方便的维护管理和更灵活的网络规划设计。分布式RRU方案比直放站方案具有“低成本、高质量、更可靠、易施工、便运维”的优点：

低成本：

站点数量：RRU支持机顶20W-40W发射功率，可减少站点设计数量，节省投资成本； RRU具有时延自动校正功能，最大拉远40KM；直放站有时延限制要求，最大拉远约3公里。

直放站近端机数量 ：无需使用直放站近端机；

网管数量：RRU由GSM-R无线网管统一管理，无需建设直放站网管系统；

容量：RRU可提供载频容量。直放站无法提供容量，如有容量需求，还需新增设备。

高质量、更可靠：

信号质量：RRU直接输出射频信号，信噪比低，信号质量更好；直放站从基站取信号，放大信号的同时也放大噪声，影响了施主基站性能；RRU输出功率更大，覆盖更好；

网络性能：RRU可使用专利的多谱勒频偏校正、多RRU共逻辑小区技术、高速切换算法，矫正多普勒频移，拉大单逻辑小区覆盖范围，减少切换次数，减少切换时间，提高网络通信质量。在350km/h的运行速度下，列车内用户通话质量受多普勒频偏影响明显，光纤直放站无能力解决该问题。

可靠组网：提供BBU/RRU环网保护， RRU安全可靠，适应GSM-R各种冗余组网方案，主备覆盖。

易施工、便运维：

RRU功率大，减少站点数量，同时减少施工成本

RRU是BTS的射频单元，由GSM-R无线网管统一管理，直放站需独立网管。分布式基站与传统宏站一样可正常接入大网网管，并可对属于同一逻辑小区而位于不同物理站址的RRU分别进行监控。而光纤直放站无法纳入大网网管，维护非常不便且光纤直放站交调指标差，抬升网络底噪，严重影响通话质量。

后续演进发展：光纤直放站属于濒临淘汰的技术，而基于宽带多载波功放的分布式基站是在向LTE-R演进方面有着明确的解决方案。

五、应用案例

某一段弯曲的铁路，无线环境较为复杂，不仅山体阻挡严重，还有短隧道，且上下行分线。在采用直放站方案情况下，弯道部分需要2个近端机和7个直放站远端机（下左图）。宏站+直放站覆盖方案图 宏站+分布式RRU覆盖方案图

采用中兴通讯BBU+RRU分布式基站实现GSM-R覆盖，因RRU功率更大覆盖范围更广（RRU的覆盖距离约是直放站覆盖距离的2倍），同样的路段只需4个RRU通过级联方式在弯道沿线覆盖，RRU可以采用抱杆安装或利用已有的沿线铁塔安装。这样弯道部分原来需要7个直放站的减少到4个RRU就能实现无缝覆盖（上右图）。

参 考 文 献

[1] 钟章队，《铁路数字移动通讯系统（GSM-R）无线网络规划与优化》，北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社 ，2012年