淺談光纖直放站在山區(qū)鐵路中的應(yīng)用

吳培軍

（中鐵三局電務(wù)工程有限公司，山西晉中 030600）

鐵路運(yùn)營(yíng)線路作為全國(guó)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的大動(dòng)脈，不僅要運(yùn)行于城鎮(zhèn)和平原地區(qū)，還要經(jīng)常穿越大山、丘陵、森林等眾多地形復(fù)雜地段，這些特殊地形限制了車站電臺(tái)電磁波的傳播和無線信號(hào)的覆蓋，形成弱場(chǎng)強(qiáng)區(qū)，嚴(yán)重影響了無線列車調(diào)度通信。

現(xiàn)階段我國(guó)近1/3的鐵路在山區(qū)，因此解決山區(qū)無線列車調(diào)度信號(hào)覆蓋問題顯得尤為重要。采用光纖直放站是一種行之有效的解決方案。

1 概述

1.1 光纖直放站的工作原理

光纖直放站的工作原理，如圖1所示。下行方向：無線信號(hào)從車站電臺(tái)中耦合出來后，進(jìn)入光近端機(jī)，通過電光轉(zhuǎn)換，電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，從光近端機(jī)輸入至光纖，再至光遠(yuǎn)端機(jī)，光遠(yuǎn)端機(jī)把光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，進(jìn)入射頻（RF）單元進(jìn)行放大，信號(hào)經(jīng)過放大后送入天線發(fā)射，覆蓋目標(biāo)區(qū)域。上行方向鏈路的工作原理與下行方向相同。

1.2 光纖直放站的系統(tǒng)組成

主要有以下幾個(gè)部分組成：光近端機(jī)、光纖、光遠(yuǎn)端機(jī)（覆蓋單元）。光近端機(jī)和光遠(yuǎn)端機(jī)都包括RF單元和光單元。

1.3 利用光纖直放站在山區(qū)鐵路的無線信號(hào)覆蓋方式

光纖直放站通過光纖傳輸信號(hào)，無需考慮安裝地點(diǎn)能否接收到信號(hào)，只要光纖可以敷設(shè)到的位置，均可設(shè)置直放站，不受地理環(huán)境、天氣變化或施主基站覆蓋范圍調(diào)整的影響，且光纖傳輸損耗很小，每公里只有0.2～0.35 dB，此時(shí)再連接覆蓋天線或漏泄電纜對(duì)盲區(qū)進(jìn)行覆蓋，能最大范圍地覆蓋盲區(qū)，減少投資，具體覆蓋方式如圖2所示。

（1）光纖直放站連接覆蓋天線

光纖直放站連接覆蓋天線，主要覆蓋車站部分和兩山體之間，覆蓋天線可根據(jù)覆蓋范圍選擇全向或定向天線。

從基站至直放站，再至覆蓋天線的各種損耗都比較小，再加上直放站設(shè)備和覆蓋天線的損耗增益，通過調(diào)節(jié)輸出功率等，可覆蓋20 km甚至更遠(yuǎn)的覆蓋范圍。在山區(qū)鐵路兩基站間一般不會(huì)超過20 km，只有幾公里甚至幾百米、幾十米，所以采用“光纖直放站+覆蓋天線”完全滿足鐵路在兩山體之間的覆蓋要求。

（2）光纖直放站連接漏泄電纜

光纖直放站連接漏泄電纜主要覆蓋隧道部分。

在每個(gè)工程中，由于移動(dòng)終端的最小輸出電平和基站接收靈敏度不同，連接直放站的漏纜長(zhǎng)度不同。漏纜主要用來覆蓋隧道，其損耗值為αs=α×L+Lc，其中Lc為漏纜的耦合損耗值，L為漏纜長(zhǎng)度，α為該漏纜的衰減常數(shù)，α×L為傳輸衰減。

當(dāng)然，在考慮系統(tǒng)允許的最大衰耗值時(shí)，還需要考慮饋線、跳線及接頭、耦合器、功分器等的插損和耦合損耗的波動(dòng)裕量（一般為5 dB）、車體屏蔽（一般為10 dB）、人體影響（一般為5 dB），以上損耗統(tǒng)稱為余量預(yù)留，用M表示。

計(jì)算漏纜的最大覆蓋距離：系統(tǒng)損耗為αmax=αs+M=α×L+Lc+M，則L=(αmax-Lc-M)/α，此L值即為漏泄同軸電纜的最大覆蓋距離。

（3）光纖直放站+漏泄電纜+覆蓋天線

在山區(qū)鐵路中，可根據(jù)實(shí)際地形地勢(shì)進(jìn)行漏纜電纜和覆蓋天線的搭配使用，在經(jīng)過一定長(zhǎng)度漏纜的信號(hào)衰減后，連接覆蓋天線對(duì)非隧道區(qū)域進(jìn)行信號(hào)覆蓋，最大程度地覆蓋盲區(qū)，減少投資。山區(qū)鐵路兩山體之間的距離較短，采用此種方式完全滿足覆蓋要求。

2 山區(qū)鐵路的無線信號(hào)覆蓋方案

以襄渝線的一段鐵路線——巴山至局界（西安局和成都局交界）段為例，簡(jiǎn)單介紹利用光纖直放站的無線信號(hào)覆蓋。

2.1 地形狀況

本段鐵路復(fù)線全長(zhǎng)約290 km，含14個(gè)車站，其中橋梁247座，長(zhǎng)約45.8 km，含隧道164座，長(zhǎng)約116 km。本段鐵路位于群山之間，瀕臨河流，經(jīng)常穿越山體；車站位于鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊緣，站間相距約12 km，區(qū)間經(jīng)常是橋隧相連，更有甚者隧道連接橋梁，緊接著又是隧道，或隧道間只有幾十米。

2.2 襄渝線增建二線無線系統(tǒng)施工主要內(nèi)容

（1）各車站設(shè)無線基站（含車站電臺(tái)、光近端機(jī)），通過車站電臺(tái)用RF同軸電纜引至車站全向天線，無線信號(hào)覆蓋車站及信號(hào)樓至區(qū)間第一個(gè)隧道間，若隧道口信號(hào)較弱，可利用區(qū)間直放站在隧道口設(shè)天線覆蓋。

（2）區(qū)間設(shè)光纖直放站、漏泄電纜、定向天線和光纜，光遠(yuǎn)端機(jī)通過光纖接收來自光近端機(jī)的信號(hào)，無線信號(hào)放大后送入定向天線、漏泄電纜，定向天線覆蓋定向側(cè)的無線信號(hào)。漏泄電纜覆蓋漏纜敷設(shè)區(qū)的鐵路沿線。

（3）區(qū)間增加功分器、非漏泄同軸電纜和RF軟同軸電纜、終端負(fù)載。光纖直放站需要對(duì)本光纖直放站的兩個(gè)方向進(jìn)行信號(hào)覆蓋，以及根據(jù)線路的特殊情況，如橋隧相連等，需要增加以上器件滿足鐵路沿線信號(hào)覆蓋。

2.3 襄渝線利用光纖直放站的信號(hào)覆蓋

利用光纖直放站進(jìn)行山區(qū)弱場(chǎng)信號(hào)覆蓋，首先要明確直放站的安裝位置：（1）隧道內(nèi)設(shè)置直放站時(shí)，出于對(duì)施工難度及設(shè)備維護(hù)的考慮，應(yīng)盡可能設(shè)置在距離隧道口近的大避車洞內(nèi)；（2）隧道外設(shè)置直放站時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的需求如設(shè)備用地、設(shè)備接電、影響行車等條件選?。唬?）出于對(duì)施工及設(shè)備維護(hù)等的考慮，在滿足信號(hào)覆蓋的條件下，盡量選擇在靠近交通運(yùn)輸便利的位置。

其次，對(duì)于隧道的大小，并沒有一個(gè)嚴(yán)格的界限，根據(jù)光纖直放站可連接漏纜最大長(zhǎng)度的公式L=(αmax-Lc-M)/α計(jì)算，本工程選定漏纜最大長(zhǎng)度為1 500 m，這里暫且認(rèn)定超過3 000 m的隧道為長(zhǎng)大隧道。為減少投資和施工難度，采用下列方式設(shè)置光纖直放站。

2.3.1 隧道的信號(hào)覆蓋（隧道長(zhǎng)度為L(zhǎng)）

（1）當(dāng)L≤1 500 m，在隧道外設(shè)置一處光纖直放站，單方向連接漏纜覆蓋隧道，漏纜終端根據(jù)需要連接天線或終端負(fù)載，如圖3所示。

光纖直放站一般設(shè)置在隧道出口，但實(shí)際施工中，因設(shè)備用地等原因，直放站經(jīng)常設(shè)置在距離隧道口幾十米的位置，若考慮在此地出現(xiàn)轉(zhuǎn)彎等復(fù)雜地形，可能距離更長(zhǎng)，達(dá)到幾百米。假設(shè)隧道長(zhǎng)度L1，隧道至直放站間長(zhǎng)度L2，漏纜覆蓋距離為L(zhǎng)=L1+L2；此時(shí)鐵路沿線包括隧道在內(nèi)的信號(hào)覆蓋通過漏纜覆蓋。

（2）當(dāng)1 500 m

利用隧道內(nèi)大避車洞設(shè)置光纖直放站，在滿足覆蓋距離的條件下，應(yīng)盡可能設(shè)置在距離洞口近的大避車洞內(nèi)。當(dāng)有一端需要漏纜連接天線繼續(xù)延長(zhǎng)覆蓋區(qū)域時(shí)，光纖直放站設(shè)置在距離需要接天線的一端，以減少信號(hào)衰減，滿足信號(hào)覆蓋。

（3）當(dāng)L≥3 000 m時(shí)，在隧道內(nèi)任意位置設(shè)置一處直放站均不能滿足隧道覆蓋，此時(shí)根據(jù)隧道的長(zhǎng)度設(shè)置直放站的數(shù)量和具體位置，但兩直放站間的距離必須小于等于3 000 m，漏纜兩端接天線或終端負(fù)載，如圖5所示。

圖5所示設(shè)置了兩個(gè)直放站，RU1向右覆蓋1 500 m接終端負(fù)載，RU2向左覆蓋1 500 m接終端負(fù)載，若隧道再長(zhǎng)時(shí)，按照此種接續(xù)方式繼續(xù)連接（連接漏纜長(zhǎng)度不能大于1 500 m）。洞外需要信號(hào)的延續(xù)覆蓋時(shí)，接天線延續(xù)信號(hào)覆蓋，否則接終端負(fù)載。

2.3.2 橋隧相連或隧道群的信號(hào)覆蓋

在橋隧相連或隧道群地段，為避免盲區(qū)，在隧道間設(shè)置光纖直放站，分別向雙方向進(jìn)行信號(hào)覆蓋：隧道段選用漏纜覆蓋；隧道外能架設(shè)漏纜采用漏纜架設(shè)覆蓋；無法架空時(shí)，采用非泄露型同軸電纜進(jìn)行信號(hào)延續(xù)（橋梁段敷設(shè)于橋梁上的電纜槽內(nèi)），用覆蓋天線進(jìn)行信號(hào)覆蓋，如圖6所示。

特殊地當(dāng)隧道間無法設(shè)置光纖直放站時(shí)，可考慮在隧道內(nèi)設(shè)置。

2.3.3 鐵路出現(xiàn)轉(zhuǎn)彎的信號(hào)覆蓋

鐵路出現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，原信號(hào)受山體阻隔而出現(xiàn)盲區(qū)，且又無法架設(shè)漏纜時(shí)，可選擇以下兩種方案。

方案1，在箭頭處設(shè)2幅天線，對(duì)鐵路沿線進(jìn)行信號(hào)覆蓋；方案2可選擇在轉(zhuǎn)彎處設(shè)一雙方向天線或全向天線，雙方向進(jìn)行信號(hào)覆蓋。

根據(jù)以上幾點(diǎn)施工，完畢后全線測(cè)量，既滿足了設(shè)計(jì)要求，又減少了工程造價(jià)，且降低了施工難度。

3 山區(qū)鐵路利用光纖直放站進(jìn)行無線信號(hào)覆蓋的優(yōu)點(diǎn)

3.1 工作穩(wěn)定，覆蓋效果好

光纖直放站通過光纖傳輸信號(hào)，不受地理環(huán)境、天氣變化或施主基站覆蓋范圍調(diào)整的影響，因此工作穩(wěn)定，覆蓋效果好。

3.2 施工更為靈活

無線直放站通過接收空間傳播的無線信號(hào)進(jìn)行放大，從而擴(kuò)大基站的覆蓋范圍。根據(jù)無線直放站的工作原理，無線直放站需把施主天線安裝在可以接收到GSM信號(hào)的地方，而且接收信號(hào)強(qiáng)度不能小于-80 dBm，所以無線直放站一般只能安裝在基站覆蓋范圍的邊緣，并向順著基站覆蓋的方向延伸覆蓋。同時(shí)，為了防止直放站自激，還需保證施主天線和覆蓋天線有足夠的隔離度。因此，無線直放站的安裝位置和方式受到一定限制。光纖直放站與無線直放站的最大區(qū)別在于施主基站信號(hào)的傳輸方式上，光纖直放站是通過光纖進(jìn)行傳輸，無需考慮安裝地點(diǎn)能否接收到信號(hào)、收發(fā)隔離問題，選址比較方便；覆蓋天線可根據(jù)需要采用全向或定向天線。光纜很細(xì)，容易鋪設(shè)。因此，施工的靈活性大。

3.3 避免同頻干擾，可全向或定向覆蓋, 干擾少

光纖直放站是為了擴(kuò)大無線信號(hào)的覆蓋范圍，從電信號(hào)至光信號(hào)，再至電信號(hào)，從基地站到遠(yuǎn)程地區(qū)，可使干擾及插入損失減小到最小。

除此之外，還可提高增益而不會(huì)自激，有利于加大下行信號(hào)發(fā)射功率。并且信號(hào)傳輸不受地理?xiàng)l件限制，特別適合地形復(fù)雜的山區(qū)鐵路。