铁路长大隧道数字直放站拉远距离及切换区间距分析

刘 宁，赵留俊，葛伟涛

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）

目前在铁路长大隧道场景下，采用基站拉远光纤直放站结合漏缆覆盖的案例占大多数。早期项目以模拟直放站为主，2018～2021年间开通的铁路项目，多采用数字直放站。其相比于模拟直放站，优势是具备时延调整功能，可减少隧道设备洞室和远端机的数量。如2018年12月开通的京沈客专辽宁段，设计速度350 km/h，长大隧道采用模拟直放站，设备间距为1 km。2020年12月开通的太焦客专，设计速度250 km/h，采用数字直放站，设备间距为1.5 km。2021年1月开通的京沈客专京冀段，设计速度350 km/h，采用数字直放站，设备间距为1.5 km。

基站的覆盖距离受GSM自身特性限制，结合数字直放站的参数特点，可分析出基站拉远数字直放站的理想最远距离。单直放站方案下，长大隧道内按照1.5 km间距设置切换区，并不一定都能满足重叠区要求。过长的隧道需要针对不同方案具体研究。本文针对以上两点，分别进行相关研究分析。

1 远端机的拉远距离分析

GSM系统采用时分多址技术（Time Division Multiple Access，TDMA），每载频有8个时隙。由于时间保护间隔小，GSM系统采用移动台时间提前量（TA）来补充时延。TA的值域是0～63 bit，对应0～233 μs（每bit对应3.69 μs）。对应单方向通信的最大时延为116.5 μs。

根据《铁路数字移动通信系统（GSM-R）设计规范》要求，大于3 km的隧道，无线系统需要冗余覆盖。300 km/h及以上速度的高速铁路，信号系统采用CTCS-3级列控系统，无线系统均采用冗余覆盖。铁路长隧道内单直放站方案，其设备间距一般为1.5 km。由于数字直放站具有上行底噪抑制功能，不会因为直放站数量的增多而不断累加底噪，本文不考虑直放站带来的底噪影响。基于以上条件，对直放站环型和链型两种组网形式的拉远距离进行分析。

1.1 环型组网

基站与数字直放站组网时，从可靠性考虑，一般采用环型组网，如图1所示。其中，BTS代表基站，MU代表数字直放站近端机，RU代表数字直放站远端机。第一个直放站远端机与直放站近端机的距离为dkm，直放站远端机的数量为n个。

图1 数字直放站环形组网示意Fig.1 Digital repeater ring networking diagram

1.1.1 考虑光缆中断影响

最不利为RU1与MU之间光纤中断时，RU1至RUn以链型方式通过光纤连接至MU。此时RU1覆盖区域下的终端时延最大，该时延应小于GSM-R单方向最大时延，据此计算环网中远端机的最大数量，从而得出拉远距离。

参考计算公式：

公式（1）中：t1— RU1覆盖区域下的时延，μs；应小于116.5 μs；

t2— 直放站系统时延，取18 μs；

l— MU通过RUn迂回至RU1处的光纤总长度，km；

v1— 光在光纤中的传播速度，取0.2 km/μs；

n— 环网中直放站远端机的总数量，个；

t3— 直放站单机转发时延，取1.5 μs；

d2— 远端机间距，取1.5 km；

v2— 射频信号在漏泄同轴电缆的传播速度，取0.264 km/μs。

经计算得出：16.5n+5d＜109.32。

得出主要结论：环网中最多可设置6套远端机，相应地，RU6与MU的距离最远为7.5 km；环网中远端机的数量越少，拉远的距离越远，最远为18.5 km；通过合理确定环网中远端机的数量，单向的最远拉远距离为16.5 km。

1.1.2 不考虑光缆中断的影响

经计算，环网中最多可设置11套远端机，超过11套后，移动台将超过基站的小区边界，发起呼叫清除。数字直放站技术条件要求厂家最少支持8台设备环型组网。环网中设置8套远端机时，单个环网最远拉远距离为10.5 km；单方向最远拉远距离为18 km。

通过以上分析，能确定环网中支持远端机的最多数量及最远拉远距离。在工程设计中，建议从提高环网可靠性的角度，在有条件的前提下，适当减少环网中的远端机数量。

用已开通项目举例：太焦客专的长板岭隧道和襄垣隧道区域由两侧的基站分别做主备信源，最远的拉远距离为16.655 km。京沈客专京冀段有1处区间基站覆盖凤凰岭隧道、刘家沟隧道和柳树地下隧道区域，最远的拉远距离为13.22 km。测试及运营过程中均能满足无线系统的使用要求。

1.2 链型组网

当双套基站共同与数字直放站组网时，可采用链型组网。链型组网时，经计算，一条链路上最多可设置11套远端机。单方向最远拉远距离为18 km。

本文基于GSM自身特性，分析出直放站环型组网及链型组网的最远拉远距离均为18 km。考虑光缆中断影响时，环型组网最远为16.5 km。同时，拉远距离也会因设备性能参数的不同而有所不同。

实测数据不会超过18 km，在工程设计时，直放站拉远距离不能超过18 km。如果考虑光缆中断影响，不应超过16.5 km。

2 长大隧道内切换区设备间距分析

2.1 重叠区计算

根据《铁路数字移动通信系统（GSM-R）设计规范》（TB 10088-2015）第4.2.6条要求规定，“相邻基站无线覆盖重叠区长度应根据设计速度、切换时间、小区重选时间进行计算，并符合下列规定：

1）切换时间应保证车载无线终端在设计速度下连续完成2次切换；

2）在特殊区段，重叠区长度应符合车载无线终端完成小区重选要求。”

从联调联试实际测试来看，系统会循环发出测量报告，每个测量报告的时间小于500 ms。当发出的6个测量报告中有4个测量报告均达到切换门限时（一般3～4 dB），系统则判定可以切换，且立即执行切换，切换时间小于300 ms。因此，完成1次切换的测量和执行的时间小于3.3 s。即在正常情况下，完成2次切换的时间小于6.6 s。

考虑小区重选（终端在空闲状态下完成的小区再选择）的特殊情况：根据GSM协议，在邻区电平比服务小区电平高，且持续5 s后，终端才会重选到更强电平的小区。因为存在一定概率在重叠区中点（两直放站之间的漏缆中点位置）附近发生小区重选的可能。如果在中点发起小区重选，且邻区电平比服务小区电平高，但不能持续5 s，则小区重选失败。如果此时发起呼叫，会因为原服务小区的电平陡降，发生连接建立失败，从而直接掉话。因此，重叠区长度要考虑小区重选，以及小区重选后立即发起连接到目标小区的时间。考虑以上内容，重叠区需要保证上、下行方向的小区重选时间，即5 s×2=10 s。

综合以上两个原则得出需保证10 s的切换重叠区。350 km/h速度下为972 m、300 km/h速度 下 为834 m、250 km/h速 度 下 为695 m、200 km/h速度下为556 m。

2.2 普通长隧道场景

普通长隧道场景是指两隧道口各设置1套基站，且隧道内各远端机的主、备用信源取自两端隧道口基站的场景。该场景方案比较成熟，综合考虑单点直放站故障影响及重叠区的距离要求，工程上按照1.5 km的间距设置。

需要特殊指出的是，由于数字直放站的限制，基站侧无法经过天线发出射频信号。模拟直放站时代在隧道口的“基站天线+直放站天线”的“冗余模式”不复存在。因此，考虑隧道口直放站的单点故障影响，建议在隧道口（与相邻基站切换位置）采用设置双套远端机的方案。该方案能解决隧道口直放站单点故障引起的无线信号电平陡降和无法切换等问题。

2.3 超长隧道场景

2.3.1 切换区单直放站方案

超长隧道场景指需要在隧道口设置2套及以上基站的场景，需要在两个隧道口区域各设置2套基站，采用同站址双网的模式覆盖隧道弱场，如图2所示（以20.5 km隧道为例）。间隔1.5 km设置数字直放站远端机，在隧道口区域设置双套远端机。RU1～RU10的主用信号为BTS 01，RU1～RU10的备用信号为BTS 02。RU11～RU17的主用信号为BTS 03，RU11～RU17的备用信号为BTS 04。切换位置在RU10与RU11之间。

图2 超长隧道场景切换区单直放站方案Fig.2 Single-repeater solution in long railway tunnel switching zone

如果处在切换位置的RU10发生单点故障，且RU10只是通过功分器与两边漏缆简单相连，则RU10与RU11之间的漏缆只有BTS 03和BTS 04的信号，无BTS 01和BTS 02的信号。这将使该区域无相邻小区无线信号的重叠区，无法完成切换，会带来掉话及C3降级的恶劣影响。

为解决以上问题，在洞室设置单套直放站的前提下，可考虑采用信号耦合的方式将RU9与RU10之间漏缆的信号耦合至RU10与RU11之间的漏缆中。以RU10单点故障为例进行说明，如图3所示，将RU10通过额外增加2套耦合器的方式与两侧的漏缆相连。其中，耦合器的输入端与漏缆相连、输出端与功分器相连、耦合参数尽可能取小（暂取5 dB）。

图3 信号耦合连接示意Fig.3 Schematic diagram of signal coupling connection

此方式下，由于耦合器带来额外的损耗，需要重新进行链路预算，如表1所示。

表1 信号耦合场景下的链路预算Tab.1 Link budget in signal coupling scenario

计算前提如下：数字直放站发射功率为20 W（单射频口输出）、1/2输馈线长度按照10 m计算（损耗是0.07 dB/m）、直放站与漏缆之间按照3个接头计算（损耗是每个0.05 dB）。

信号耦合部分：耦合器采用5 dB、耦合器之间的1/2馈线长度按照10 m计算、漏缆与耦合器之间按照4个接头计算。

保护余量3 dB、距离漏缆2 m处的耦合损耗（95%，最大值）为69 dB、宽度因子（机车天线距离漏缆大于2 m，对耦合损耗的补偿值）为7 dB。

根据以上链路预算结果，结论总结如下。

在300～350 km/h条件下，考虑实际工程CTCS-3列控系统对无线系统抗干扰能力要求较高，保护余量暂取14 dB，RU9与RU10的间距在210 m、RU10与RU11的间距在1 km、RU11与RU12的间距在210 m时，能满足重叠区的要求。以上设备间距为非常规设置，近似于在切换区同址设置2套远端机。

在250 km/h条件下，RU9与RU10的间距在970 m、RU10与RU11的间距在700 m、RU11与RU12的间距在970 m时，能满足重叠区695 m的要求。

在200 km/h条件下，RU9与RU10的间距在1 070 m、RU10与RU11的间距在600 m、RU11与RU12的间距在1 070 m时，能满足重叠区556 m的要求。

综上所述，在单直放站方案下，满足切换区的距离要求，需要调整相邻直放站的设置间距，工程上不建议采用。

2.3.2 隧道内切换区双直放站方案

隧道内切换区双直放站方案如图4所示，在RU10处额外设置了RU10′，在RU11处额外设置了RU11′，RU10或RU11单点故障时，RU10′和RU11′仍能够继续工作。该方案能够按照1.5 km的间距设置，满足信号覆盖及重叠区距离的要求。

图4 超长隧道场景切换区双直放站方案Fig.4 Double-repeater solution in long railway tunnel switching zone

综上所述，在超长隧道场景下，采用在切换区两侧各设置2套直放站的方案，可将切换区设定为1.5 km。因此，综合以往的隧道场景，可将所有隧道内的切换区设定为1.5 km。

3 结束语

本文针对GSM系统特性，在长大隧道场景下给出数字直放站环型组网和链型组网对应的理论拉远距离，对长大隧道无线方案的设计具有一定的参考价值。

从铁路工程设计的角度分析超长隧道场景，结合切换重叠区的距离要求与链路预算情况，给出隧道内切换区设定距离的通用性建议。