既有线GSM-R改造无线子系统技术方案研究

姚欣楠

列车无线调度通信作为保证铁路行车安全的主要技术手段之一，在铁路运输生产中发挥着重要作用。目前国内绝大部分普速干线仍然采用450 MHz无线列调通信系统，且大部分450 MHz车站电台已超过改造年限，设备老化陈旧，故障率逐年上升，加之区间中继设备多样，运用时间长短不一，又加剧影响了通信系统安全运行，因此迫切需要改造450 MHz无线列调通信系统。

根据工业和信息化部《关于无线电台站规范化管理若干问题的通知》［1］和中国铁路总公司《关于调整铁路专用无线通信业务和频率有关工作的通知》（铁总运函〔2014〕31号）［2］的要求，“新建、改建铁路不再安排450 MHz无线列调系统的设计，应全面采用GSM-R系统”。

GSM-R与450 MHz无线列调的比较见表1。从调制技术、信道数量、业务范围、抗干扰能力及技术先进性等方面，GSM-R技术均明显优于450 MHz无线列调。虽然目前主流设备供应商已将生产重心转移到5G等新兴技术产品上，后续很难保证GSM-R相关设备长时间的供应、技术支持和维保服务［3］，但是铁路下一代移动通信系统还处于技术攻关阶段，且短期内很难具备工程应用条件［4］。所以将450 MHz无线列调通信系统改造为GSM-R是当前最合理的选择。

表1 GSM-R与450 MHz无线列调的比较

目前针对既有线GSM-R改造有3种无线子系统技术方案，通过分析这3种方案的不同特性，可对既有铁路450 MHz无线列调通信系统的改造提供参考。

1 基站+模拟直放站方案

作为以往基建项目的常用方案，需要在车站和区间设置基站，并在路堑、隧道等弱场区设置模拟直放站加天线/漏缆，对基站信号进行延伸覆盖。基站+模拟直放站方案示意见图1。

图1 基站+模拟直放站方案示意

该方案应用于既有线GSM-R网络改造工程，主要存在以下几个问题。

1）从技术层面考虑，模拟直放站解决GSMR系统弱场覆盖时存在2个固有缺陷：①同信源不同模拟直放站之间（或者基站与其所带的模拟直放站之间）的多径时延，容易引起多径干扰；②单个基站如果带多个模拟直放站，则多个模拟直放站在基站处会产生上行噪声叠加。这2个问题除了影响特定区段的通话质量外，还限制了区间模拟直放站的站间距和级联数量。因此在弱场区较多的区间，当弱场区的间距超过同信源模拟直放站所能满足的距离时，弱场区一般需要设置区间基站。而设置区间基站会导致频繁的小区切换和重选，降低个呼、组呼的可靠性，及GPRS（通用分组无线业务）传输可靠性，进而降低GSM-R系统的可靠性［5］。

2）从经济层面考虑，设置区间基站需配置传输、电源等配套设施，所需机房面积较大，可能会引起铁路红线外的征地；模拟直放站最大发射功率一般为5 W，覆盖距离有限，因此所需设备数量较多。

2 基站+数字直放站方案

由于数字直放站具有时延调整和上行噪声抑制功能，最大发射功率可以达到20 W［6］，并且具备上行分集接收功能，因此采用数字直放站可连续覆盖较大区间范围。该方案与基站+模拟直放站方案最大的不同，是在站间距不大的情况下，仅在车站设置基站，利用数字直放站取代区间基站。同样，在路堑、隧道等弱场区，利用数字直放站加天线/漏缆进行覆盖，实现对基站信号的延伸。由于数字直放站的信号与所连接的基站信号之间存在较大的时延，主要是单机时延和中继转发时延，因此数字直放站不能与所连接的基站在覆盖重叠区域同时使用。采用本方案时，基站射频端口需经过耦合器后连接假负载，基站仅作为信源不直接提供覆盖。此外，车站基站处还需设置数字直放站连接天馈系统。在有些车站间距较小的区间，或者不存在弱场的平原区段，仅用车站基站+天线覆盖即可。基站+数字直放站方案示意见图2。

图2 基站+数字直放站方案示意

相对于基站+模拟直放站方案，基站+数字直放站方案在既有线GSM-R网络改造工程中的技术、经济优势非常明显。

1）技术层面。由于数字直放站具有时延调整和上行噪声抑制功能，因此可以有效地解决由光缆长度差异引起的多径干扰，并且一定程度上抑制直放站在基站处的上行噪声［7］。利用数字直放站代替设置区间基站，整体上减少了切换和重选次数，既有利于提高个呼、组呼的可靠性，也有利于组呼区域划分和节省组呼信道，提高GPRS传输可靠性，从而提高GSM-R系统的可靠性。另外，数字直放站传输动态范围大，基站可以连接的数字直放站个数基本不受限制，可以形成更大的小区范围，使切换区的选择更加灵活，有利于解决连续短隧道群场景下适合空间波切换区段少的问题。

2）经济层面。利用数字直放站代替区间基站，能减少在区间点配置传输、电源等配套设施，可充分利用既有450 MHz无线列调中继机房而减少征地。由于数字直放站发射功率远高于模拟直放站，特别在长大隧道内或者利用漏缆覆盖的连续隧道群区域，数字直放站的间距可以达到1.5 km甚至更大，因此所需设备数量比模拟直放站要少。另外，数字直放站近端机和远端机的连接方式可以采用环型或链型连接，需要光缆纤芯数也较少。如GSM-R改造工程中利用贯通短段光缆中的4芯（大于3 km隧道区段实现冗余覆盖时需要主用环及从用环［8］）就可以满足区间点的光纤接入需求，一般不需要再敷设多余的数字直放站短段光缆。

3 分布式基站BBU+RRU方案

与传统的基站+直放站方式相比，BBU+RRU方式在对射频信号的处理上有很大不同。基站没有射频单元，直接把基带信号转换成光信号，通过光纤传输到远端，在远端把光信号恢复成基带信号后调制成射频信号，射频处理单元都集中在远端［9］。该方案与基站+数字直放站方案相比，在既有线GSM-R改造工程上的应用有很多相似点。比如，仅在车站设置BBU+RRU，区间点设置RRU，车站BBU仅作为信源，不直接覆盖。另外，在有些车站间距较小，或者不存在弱场的平原区段，仅在车站设置BBU+RRU覆盖即可，区间不再设置RRU。分布式基站BBU+RRU方案示意见图3。

图3 分布式基站BBU+RRU方案示意

数字直放站和分布式基站在公网GSM系统中已应用多年，总的来说，分布式基站性能要优于数字直放站。

1） 数字直放站可以通过上行噪声抑制功能，减少在基站处的上行噪声干扰叠加，但不能完全消除；而上行噪声抑制门限如果设置过高，在下行场强较弱的地方容易出现下行通话困难的情况。而分布式基站由于BBU没有射频单元，因此远端RRU对BBU不存在上行噪声干扰的问题。

2） 分布式基站同一BBU所带的不同RRU，可以通过设置为异小区来避免相互间的多径干扰，因此同一BBU所带的RRU间距仅考虑覆盖即可。而同一基站所带的不同数字直放站无法设置为异小区，因此同信源的数字直放站间距还是会受到由空间波引起的多径干扰限制。

3） 数字直放站需要单独设置直放站网管；而分布式基站BBU与RRU共用网管［10］，在网管功能上比数字直放站网管更完善。

当然分布式基站也存在一些缺点，各厂家组网方案差异较大，对光纤的需求不同。如果仅使用4芯光纤，部分厂家分布式基站可支持的区间节点数量有限，在某些区段需要新增短段光缆。部分厂家的分布式基站目前还无法做到单套设备主要板件硬件冗余，只能采用同址双套设备或异址（交织）备份的方式来满足冗余要求，增加了对传输通道、供电及光缆的需求，工程投资也有所增加，而且双套设备的复杂性将降低整个系统的可靠性和稳定性［11］。此外，数字直放站可以接到任何基站设备，不存在兼容性问题，选型不受限；而每个分布式基站厂家的BBU与RRU之间协议规范不一致，造成不同厂家的BBU与RRU之间无法兼容使用，选型受限。

根据上下行链路预算公式及覆盖距离计算公式，并结合不同的无线电波传播环境和天线挂高，假设设备输出功率为5 W（37 dBm），天线挂高30 m，功分器损耗为6 dB，馈线及接头损耗为3 dB，发射天线增益为17 dB，上行接收天线增益为17 dB，接收馈线及接头损耗为3 dB，塔顶功分器损耗为3 dB，并考虑相应附加损耗、设计余量等因素，则计算得出站址位于郊区时覆盖半径为2.5 km，位于开阔区时覆盖半径超过6 km［12-13］。

4 方案比较

综上分析，3种方案主要优缺点比较见表2。虽然这3种方案在技术上均可实现，但从工程经济性、可实施性、系统可靠性等方面比较各有优缺点。基站+模拟直放站方案无论从技术上还是经济上都有劣势，因此对于既有线的GSM-R改造，不推荐使用该方案。

表2 3种方案主要优缺点

在丘陵和山区，一般车站间区间中继设备较多，因此若采用分布式基站，则需要新增区间短段光缆；而数字直放站和部分厂家的分布式基站由于区间可带节点数较多，一般不需要新增区间短段光缆。因此在这种情况下推荐采用基站+数字直放站方案。

在平原地区，由于分布式基站可以设置为异小区，因此设备间距仅考虑覆盖即可，一般间距可达12 km；而数字直放站，同小区的设备间距受到多径时延干扰的限制，一般不超过5 km。在相邻区间中继点间距超过5 km的情况下，分布式基站方案不需增加区间中继设备站点，而数字直放站方案需要在车站配置多套基站和近端机，以实现不同基站的异小区设置。因此这种情况推荐采用BBU+RRU方案。

5 总结

在既有线GSM-R改造时，不仅需要从线路的车站间距、地形特点、既有光缆资源等多个方面进行考虑，同时还要兼顾方案的经济性、可实施性和产品支持度，方可选定具体的无线子系统方案。