数字光纤直放站在铁路通信中的应用

高建平

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

随着京沈客专京冀段的开通，数字光纤直放站开始在CTCS-3（简称C3）铁路大规模投入使用，为铁路无线系统引入新的覆盖模式。本文分析探讨在C3 区段数字光纤直放站覆盖设置的技术方案，为进一步改善数字光纤直放站的服务质量提供技术支撑。

1 GSM-R射频信号拉远覆盖方式

目前，铁路GSM-R 系统的射频拉远覆盖主要有分布式基站、数字直放站等2 种方式，一般分布式基站单站输出为2 载频，数字直放站单站输出载频不小于8 载频，因此在隧道内、隧道口等地理受限地点一般采用数字直放站方式进行场强覆盖，在数字直放站覆盖区段，基站设备不再连接天馈或漏缆系统；在开阔地带，考虑设备维修维护的统一性，一般采用分布式基站进行场强覆盖。数字直放站与分布式基站技术方案对比如表1 所示。

表1 数字直放站与分布式基站技术方案对比Tab.1 Comparison between a digital repeater and a distributed base station

2 数字光纤直放站系统构成及工作流程

GSM-R 数字光纤直放站系统主要由近端机、光纤、远端机、操作维护设备构成，如图1 所示。

图1 数字光纤直放站系统构成示意Fig.1 Schematic diagram of digital optical fiber repeater system

GSM-R 数字光纤直放站系统工作流程如下。

1）下行方向工作流程

耦合器可以将1 路或多路基站的射频信号耦合至近端机设备；近端机跟踪基站信号并将射频信号进行A/D 转换、整形后，调整系统设定的TA 后将基带信号发送至远端机；远端机将信号进行D/A 转换、放大后，将信号发送至天馈系统。

2）上行方向工作流程

远端机通过选频后将天馈系统的信号进行滤波、带外抑制、A/D 转换后，将信号发送至近端机；近端机对上行信号底噪抑制后进行D/A 转换、放大，并将信号通过耦合器发送至基站。

3 数字光纤直放站系统在GSM-R系统调试中存在的问题及解决方案

随着数字直放站的大面积应用，下面就具体实施中发现的时延自动调整、噪声抑制及从信号自动调整等问题进行探讨。

3.1 时延调整问题及解决方案

在GSM 系 统 中1 个TDMA 帧 长 度 为4.615 ms，单个TDMA 帧分为8 个时隙，每个时隙长度为4.615 ms/8=0.577 ms；GSM 一个突发脉冲序列为156.25 bit，其中6 个bit 作为时延调整参数使用，1 个bit 的时长为3.7 μs。GSM 系统的均衡算法同频信号之间时延差值接近或超过该信号符号长度的10%时就会产生码间干扰，造成质量恶化，即0.577 ms×10%/3.7 μs/bit ≈15.5 μs。因此同频信号时差应控制在15.5 μs 内。GSM-R 系统中的时延状态如图2 所示。

图2 GSM-R系统中的时延状态Fig.2 Delay status in GSM-R system

时延调整功能是数字直放站的重要功能之一，在实际应用中当远端机的系统时延设置为随终端位置自动调整时，由于一个直放站环内可能存在多个终端，且行进方向不同、行进速度不同，对直放站时延调整的计算能力要求不同，受近端机计算能力所限，会产生终端时延更新慢、TA 跳变大，从而导致误码率高，影响通信质量。

另外一种情况是直放站设置为固定时延，如单向100 μs，在实际应用中由于光缆敷设存在过轨回绕、预留等原因导致基站收到的总时延超过233 μs，从而导致掉话。

因此建议直放站时延设置按系统时延+实测的直放站光缆环最远时延进行设置，每个直放站环单独设置时延，全线不统一设置。最终调整后的单向时延不超过100 μs，为维护中的光缆接续预留一定余量。

当站内覆盖使用数字直放站覆盖时，由于数字远端机的系统时延为25 μs，超过15.5 μs 要求，因此在基站站房附近应尽量降低直放站覆盖信号，基站与直放站的信号交叠区段尽量设置在用户较少位置。

直放站近端机连接，耦合器及负载与近、远端机放在同一个机柜内，可能造成负载或连线的信号泄漏对直放站有干扰。把耦合器和负载移出机柜，做好机柜接地。

3.2 噪声抑制问题及解决方案

在射频信号传送过程中，不可避免的将带外杂散信号、噪声信号进行调制解调，尤其是当多个远端机将带噪声的信号同时传给近端机时，在近端机处发生噪声叠加现象，从而导致GSM-R 系统的上行信号C/I 变差。

如公式（1）、（2）所示。远端机噪声功率（êN）=

其中：en是放大器噪声电压，eR是信源电阻的热噪声是放大器的噪声电流，Rgen是信源电阻。

其中，eNn是各远端机的噪声功率。

放大器的噪声系数（NF）是指输入端的信噪比与输出端的有用信号与噪声之比，如公式（3）所示。

当多路远端机在近端机产生噪声叠加时，如公式（4）所示。

数字直放站设备通过FPGA 采用8PSK 方式控制声表面波或CIC（Cascade Integrator Comb）滤波器件对基站的射频信号转化为中频信号。为降低噪声的叠加，FPGA 通过带宽设置和信号过滤功能实现噪声抑制功能。

当带宽设置较小或底噪抑制较大时，易发生调制/解调的信号信息量不足，导致调整/解调信号不完整，发生丢帧现象；当调制带宽较大或噪声抑制功能太低时，引入噪声太大，通信质量下降，发生误码率太高现象。根据公式（3）、（4）可知：近端机处产生的噪声与远端机的噪声成正向指数关系。

数字直放站系统噪声系数（NF）应满足规范规定单机设备的单端口设备≤4 dB、双端口设备≤7.5 dB，组网后最大增益状态下单端口设备≤7 dB、双端口设备≤10.5 dB。当系统不能满足设计及现场要求时，应调整FPGA 控制的信道带宽及噪声抑制系数，建议FPGA 控制的信道带宽控制在260 kHz 以下。

由于数字直放站采用8PSK 调制方式，因此在FPGA 控制相位通道时应动态调制当前信道数量及信道间隔，采用非相关相位进行调制，以降低滤波器中产生的互调信号，如系统中有2 个载频时，采用1、8 相位；系统中有3 个载频时，采用1、4、7相位等。

3.3 从信号自动调整问题及解决方案

数字直放站具有从信号自动调整功能，在GSM-R 单网交织区段，直放站远端机同时输出2路信号，主信号输出功率比从信号高6 个dB，当直放站系统检测到主信号不工作时，自动将从信号输出提高6 dB，提高到主信号的强度。

同站址双网站点基站的输出电平设置与直放站输出信号类似，主用基站天线架设在铁塔的上层平台、备用基站天线架设在铁塔的下层平台时，主、备用基站输出功率一致；主、备用基站天线架设在同一层平台时，主用基站输出功率比备用基站输出功率高6 个dB。

单网交织的GSM-R 系统，网络覆盖是以主用基站信号覆盖为基准进行系统调测，且备用基站信号没有自动调整功能。因此在直放站与同站址双网切换区段，直放站主、备用输出信号强度不变，当备用基站工作时，备用基站输出功率低，覆盖范围相对减小，经常发生在备用覆盖范围内不满足CSD传输无差错时间不满足20 s 的要求。因此建议在直放站与同站址双网切换区段，关闭直放站从信号自动调整功能。

4 结束语

随着数字直放站的大面积投入使用，在保证无线覆盖交织冗余的条件下，极大降低了模拟直放站覆盖下引起的时延质差，有利于提高网络的服务质量；由于数字直放站发射功率的提升，相对于模拟直放站站间距离得以加大，从而降低了工程投资，为国内铁路GSM-R 系统承载CTCS-3 级列控业务的良好运用创造有利条件。