鐵路長(zhǎng)大隧道數(shù)字直放站拉遠(yuǎn)距離及切換區(qū)間距分析

劉 寧，趙留俊，葛偉濤

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308）

目前在鐵路長(zhǎng)大隧道場(chǎng)景下，采用基站拉遠(yuǎn)光纖直放站結(jié)合漏纜覆蓋的案例占大多數(shù)。早期項(xiàng)目以模擬直放站為主，2018～2021年間開(kāi)通的鐵路項(xiàng)目，多采用數(shù)字直放站。其相比于模擬直放站，優(yōu)勢(shì)是具備時(shí)延調(diào)整功能，可減少隧道設(shè)備洞室和遠(yuǎn)端機(jī)的數(shù)量。如2018年12月開(kāi)通的京沈客專(zhuān)遼寧段，設(shè)計(jì)速度350 km/h，長(zhǎng)大隧道采用模擬直放站，設(shè)備間距為1 km。2020年12月開(kāi)通的太焦客專(zhuān)，設(shè)計(jì)速度250 km/h，采用數(shù)字直放站，設(shè)備間距為1.5 km。2021年1月開(kāi)通的京沈客專(zhuān)京冀段，設(shè)計(jì)速度350 km/h，采用數(shù)字直放站，設(shè)備間距為1.5 km。

基站的覆蓋距離受GSM自身特性限制，結(jié)合數(shù)字直放站的參數(shù)特點(diǎn)，可分析出基站拉遠(yuǎn)數(shù)字直放站的理想最遠(yuǎn)距離。單直放站方案下，長(zhǎng)大隧道內(nèi)按照1.5 km間距設(shè)置切換區(qū)，并不一定都能滿足重疊區(qū)要求。過(guò)長(zhǎng)的隧道需要針對(duì)不同方案具體研究。本文針對(duì)以上兩點(diǎn)，分別進(jìn)行相關(guān)研究分析。

1 遠(yuǎn)端機(jī)的拉遠(yuǎn)距離分析

GSM系統(tǒng)采用時(shí)分多址技術(shù)（Time Division Multiple Access，TDMA），每載頻有8個(gè)時(shí)隙。由于時(shí)間保護(hù)間隔小，GSM系統(tǒng)采用移動(dòng)臺(tái)時(shí)間提前量（TA）來(lái)補(bǔ)充時(shí)延。TA的值域是0～63 bit，對(duì)應(yīng)0～233 μs（每bit對(duì)應(yīng)3.69 μs）。對(duì)應(yīng)單方向通信的最大時(shí)延為116.5 μs。

根據(jù)《鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM-R）設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，大于3 km的隧道，無(wú)線系統(tǒng)需要冗余覆蓋。300 km/h及以上速度的高速鐵路，信號(hào)系統(tǒng)采用CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)，無(wú)線系統(tǒng)均采用冗余覆蓋。鐵路長(zhǎng)隧道內(nèi)單直放站方案，其設(shè)備間距一般為1.5 km。由于數(shù)字直放站具有上行底噪抑制功能，不會(huì)因?yàn)橹狈耪緮?shù)量的增多而不斷累加底噪，本文不考慮直放站帶來(lái)的底噪影響?；谝陨蠗l件，對(duì)直放站環(huán)型和鏈型兩種組網(wǎng)形式的拉遠(yuǎn)距離進(jìn)行分析。

1.1 環(huán)型組網(wǎng)

基站與數(shù)字直放站組網(wǎng)時(shí)，從可靠性考慮，一般采用環(huán)型組網(wǎng)，如圖1所示。其中，BTS代表基站，MU代表數(shù)字直放站近端機(jī)，RU代表數(shù)字直放站遠(yuǎn)端機(jī)。第一個(gè)直放站遠(yuǎn)端機(jī)與直放站近端機(jī)的距離為dkm，直放站遠(yuǎn)端機(jī)的數(shù)量為n個(gè)。

圖1 數(shù)字直放站環(huán)形組網(wǎng)示意Fig.1 Digital repeater ring networking diagram

1.1.1 考慮光纜中斷影響

最不利為RU1與MU之間光纖中斷時(shí)，RU1至RUn以鏈型方式通過(guò)光纖連接至MU。此時(shí)RU1覆蓋區(qū)域下的終端時(shí)延最大，該時(shí)延應(yīng)小于GSM-R單方向最大時(shí)延，據(jù)此計(jì)算環(huán)網(wǎng)中遠(yuǎn)端機(jī)的最大數(shù)量，從而得出拉遠(yuǎn)距離。

參考計(jì)算公式：

公式（1）中：t1— RU1覆蓋區(qū)域下的時(shí)延，μs；應(yīng)小于116.5 μs；

t2— 直放站系統(tǒng)時(shí)延，取18 μs；

l— MU通過(guò)RUn迂回至RU1處的光纖總長(zhǎng)度，km；

v1— 光在光纖中的傳播速度，取0.2 km/μs；

n— 環(huán)網(wǎng)中直放站遠(yuǎn)端機(jī)的總數(shù)量，個(gè)；

t3— 直放站單機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，取1.5 μs；

d2— 遠(yuǎn)端機(jī)間距，取1.5 km；

v2— 射頻信號(hào)在漏泄同軸電纜的傳播速度，取0.264 km/μs。

經(jīng)計(jì)算得出：16.5n+5d＜109.32。

得出主要結(jié)論：環(huán)網(wǎng)中最多可設(shè)置6套遠(yuǎn)端機(jī)，相應(yīng)地，RU6與MU的距離最遠(yuǎn)為7.5 km；環(huán)網(wǎng)中遠(yuǎn)端機(jī)的數(shù)量越少，拉遠(yuǎn)的距離越遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)為18.5 km；通過(guò)合理確定環(huán)網(wǎng)中遠(yuǎn)端機(jī)的數(shù)量，單向的最遠(yuǎn)拉遠(yuǎn)距離為16.5 km。

1.1.2 不考慮光纜中斷的影響

經(jīng)計(jì)算，環(huán)網(wǎng)中最多可設(shè)置11套遠(yuǎn)端機(jī)，超過(guò)11套后，移動(dòng)臺(tái)將超過(guò)基站的小區(qū)邊界，發(fā)起呼叫清除。數(shù)字直放站技術(shù)條件要求廠家最少支持8臺(tái)設(shè)備環(huán)型組網(wǎng)。環(huán)網(wǎng)中設(shè)置8套遠(yuǎn)端機(jī)時(shí)，單個(gè)環(huán)網(wǎng)最遠(yuǎn)拉遠(yuǎn)距離為10.5 km；單方向最遠(yuǎn)拉遠(yuǎn)距離為18 km。

通過(guò)以上分析，能確定環(huán)網(wǎng)中支持遠(yuǎn)端機(jī)的最多數(shù)量及最遠(yuǎn)拉遠(yuǎn)距離。在工程設(shè)計(jì)中，建議從提高環(huán)網(wǎng)可靠性的角度，在有條件的前提下，適當(dāng)減少環(huán)網(wǎng)中的遠(yuǎn)端機(jī)數(shù)量。

用已開(kāi)通項(xiàng)目舉例：太焦客專(zhuān)的長(zhǎng)板嶺隧道和襄垣隧道區(qū)域由兩側(cè)的基站分別做主備信源，最遠(yuǎn)的拉遠(yuǎn)距離為16.655 km。京沈客專(zhuān)京冀段有1處區(qū)間基站覆蓋鳳凰嶺隧道、劉家溝隧道和柳樹(shù)地下隧道區(qū)域，最遠(yuǎn)的拉遠(yuǎn)距離為13.22 km。測(cè)試及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中均能滿足無(wú)線系統(tǒng)的使用要求。

1.2 鏈型組網(wǎng)

當(dāng)雙套基站共同與數(shù)字直放站組網(wǎng)時(shí)，可采用鏈型組網(wǎng)。鏈型組網(wǎng)時(shí)，經(jīng)計(jì)算，一條鏈路上最多可設(shè)置11套遠(yuǎn)端機(jī)。單方向最遠(yuǎn)拉遠(yuǎn)距離為18 km。

本文基于GSM自身特性，分析出直放站環(huán)型組網(wǎng)及鏈型組網(wǎng)的最遠(yuǎn)拉遠(yuǎn)距離均為18 km?？紤]光纜中斷影響時(shí)，環(huán)型組網(wǎng)最遠(yuǎn)為16.5 km。同時(shí)，拉遠(yuǎn)距離也會(huì)因設(shè)備性能參數(shù)的不同而有所不同。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不會(huì)超過(guò)18 km，在工程設(shè)計(jì)時(shí)，直放站拉遠(yuǎn)距離不能超過(guò)18 km。如果考慮光纜中斷影響，不應(yīng)超過(guò)16.5 km。

2 長(zhǎng)大隧道內(nèi)切換區(qū)設(shè)備間距分析

2.1 重疊區(qū)計(jì)算

根據(jù)《鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM-R）設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10088-2015）第4.2.6條要求規(guī)定，“相鄰基站無(wú)線覆蓋重疊區(qū)長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)速度、切換時(shí)間、小區(qū)重選時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，并符合下列規(guī)定：

1）切換時(shí)間應(yīng)保證車(chē)載無(wú)線終端在設(shè)計(jì)速度下連續(xù)完成2次切換；

2）在特殊區(qū)段，重疊區(qū)長(zhǎng)度應(yīng)符合車(chē)載無(wú)線終端完成小區(qū)重選要求?！?/p>

從聯(lián)調(diào)聯(lián)試實(shí)際測(cè)試來(lái)看，系統(tǒng)會(huì)循環(huán)發(fā)出測(cè)量報(bào)告，每個(gè)測(cè)量報(bào)告的時(shí)間小于500 ms。當(dāng)發(fā)出的6個(gè)測(cè)量報(bào)告中有4個(gè)測(cè)量報(bào)告均達(dá)到切換門(mén)限時(shí)（一般3～4 dB），系統(tǒng)則判定可以切換，且立即執(zhí)行切換，切換時(shí)間小于300 ms。因此，完成1次切換的測(cè)量和執(zhí)行的時(shí)間小于3.3 s。即在正常情況下，完成2次切換的時(shí)間小于6.6 s。

考慮小區(qū)重選（終端在空閑狀態(tài)下完成的小區(qū)再選擇）的特殊情況：根據(jù)GSM協(xié)議，在鄰區(qū)電平比服務(wù)小區(qū)電平高，且持續(xù)5 s后，終端才會(huì)重選到更強(qiáng)電平的小區(qū)。因?yàn)榇嬖谝欢ǜ怕试谥丿B區(qū)中點(diǎn)（兩直放站之間的漏纜中點(diǎn)位置）附近發(fā)生小區(qū)重選的可能。如果在中點(diǎn)發(fā)起小區(qū)重選，且鄰區(qū)電平比服務(wù)小區(qū)電平高，但不能持續(xù)5 s，則小區(qū)重選失敗。如果此時(shí)發(fā)起呼叫，會(huì)因?yàn)樵?wù)小區(qū)的電平陡降，發(fā)生連接建立失敗，從而直接掉話。因此，重疊區(qū)長(zhǎng)度要考慮小區(qū)重選，以及小區(qū)重選后立即發(fā)起連接到目標(biāo)小區(qū)的時(shí)間?？紤]以上內(nèi)容，重疊區(qū)需要保證上、下行方向的小區(qū)重選時(shí)間，即5 s×2=10 s。

綜合以上兩個(gè)原則得出需保證10 s的切換重疊區(qū)。350 km/h速度下為972 m、300 km/h速度 下 為834 m、250 km/h速 度 下 為695 m、200 km/h速度下為556 m。

2.2 普通長(zhǎng)隧道場(chǎng)景

普通長(zhǎng)隧道場(chǎng)景是指兩隧道口各設(shè)置1套基站，且隧道內(nèi)各遠(yuǎn)端機(jī)的主、備用信源取自兩端隧道口基站的場(chǎng)景。該場(chǎng)景方案比較成熟，綜合考慮單點(diǎn)直放站故障影響及重疊區(qū)的距離要求，工程上按照1.5 km的間距設(shè)置。

需要特殊指出的是，由于數(shù)字直放站的限制，基站側(cè)無(wú)法經(jīng)過(guò)天線發(fā)出射頻信號(hào)。模擬直放站時(shí)代在隧道口的“基站天線+直放站天線”的“冗余模式”不復(fù)存在。因此，考慮隧道口直放站的單點(diǎn)故障影響，建議在隧道口（與相鄰基站切換位置）采用設(shè)置雙套遠(yuǎn)端機(jī)的方案。該方案能解決隧道口直放站單點(diǎn)故障引起的無(wú)線信號(hào)電平陡降和無(wú)法切換等問(wèn)題。

2.3 超長(zhǎng)隧道場(chǎng)景

2.3.1 切換區(qū)單直放站方案

超長(zhǎng)隧道場(chǎng)景指需要在隧道口設(shè)置2套及以上基站的場(chǎng)景，需要在兩個(gè)隧道口區(qū)域各設(shè)置2套基站，采用同站址雙網(wǎng)的模式覆蓋隧道弱場(chǎng)，如圖2所示（以20.5 km隧道為例）。間隔1.5 km設(shè)置數(shù)字直放站遠(yuǎn)端機(jī)，在隧道口區(qū)域設(shè)置雙套遠(yuǎn)端機(jī)。RU1～RU10的主用信號(hào)為BTS 01，RU1～RU10的備用信號(hào)為BTS 02。RU11～RU17的主用信號(hào)為BTS 03，RU11～RU17的備用信號(hào)為BTS 04。切換位置在RU10與RU11之間。

圖2 超長(zhǎng)隧道場(chǎng)景切換區(qū)單直放站方案Fig.2 Single-repeater solution in long railway tunnel switching zone

如果處在切換位置的RU10發(fā)生單點(diǎn)故障，且RU10只是通過(guò)功分器與兩邊漏纜簡(jiǎn)單相連，則RU10與RU11之間的漏纜只有BTS 03和BTS 04的信號(hào)，無(wú)BTS 01和BTS 02的信號(hào)。這將使該區(qū)域無(wú)相鄰小區(qū)無(wú)線信號(hào)的重疊區(qū)，無(wú)法完成切換，會(huì)帶來(lái)掉話及C3降級(jí)的惡劣影響。

為解決以上問(wèn)題，在洞室設(shè)置單套直放站的前提下，可考慮采用信號(hào)耦合的方式將RU9與RU10之間漏纜的信號(hào)耦合至RU10與RU11之間的漏纜中。以RU10單點(diǎn)故障為例進(jìn)行說(shuō)明，如圖3所示，將RU10通過(guò)額外增加2套耦合器的方式與兩側(cè)的漏纜相連。其中，耦合器的輸入端與漏纜相連、輸出端與功分器相連、耦合參數(shù)盡可能取?。〞喝? dB）。

圖3 信號(hào)耦合連接示意Fig.3 Schematic diagram of signal coupling connection

此方式下，由于耦合器帶來(lái)額外的損耗，需要重新進(jìn)行鏈路預(yù)算，如表1所示。

表1 信號(hào)耦合場(chǎng)景下的鏈路預(yù)算Tab.1 Link budget in signal coupling scenario

計(jì)算前提如下：數(shù)字直放站發(fā)射功率為20 W（單射頻口輸出）、1/2輸饋線長(zhǎng)度按照10 m計(jì)算（損耗是0.07 dB/m）、直放站與漏纜之間按照3個(gè)接頭計(jì)算（損耗是每個(gè)0.05 dB）。

信號(hào)耦合部分：耦合器采用5 dB、耦合器之間的1/2饋線長(zhǎng)度按照10 m計(jì)算、漏纜與耦合器之間按照4個(gè)接頭計(jì)算。

保護(hù)余量3 dB、距離漏纜2 m處的耦合損耗（95%，最大值）為69 dB、寬度因子（機(jī)車(chē)天線距離漏纜大于2 m，對(duì)耦合損耗的補(bǔ)償值）為7 dB。

根據(jù)以上鏈路預(yù)算結(jié)果，結(jié)論總結(jié)如下。

在300～350 km/h條件下，考慮實(shí)際工程CTCS-3列控系統(tǒng)對(duì)無(wú)線系統(tǒng)抗干擾能力要求較高，保護(hù)余量暫取14 dB，RU9與RU10的間距在210 m、RU10與RU11的間距在1 km、RU11與RU12的間距在210 m時(shí)，能滿足重疊區(qū)的要求。以上設(shè)備間距為非常規(guī)設(shè)置，近似于在切換區(qū)同址設(shè)置2套遠(yuǎn)端機(jī)。

在250 km/h條件下，RU9與RU10的間距在970 m、RU10與RU11的間距在700 m、RU11與RU12的間距在970 m時(shí)，能滿足重疊區(qū)695 m的要求。

在200 km/h條件下，RU9與RU10的間距在1 070 m、RU10與RU11的間距在600 m、RU11與RU12的間距在1 070 m時(shí)，能滿足重疊區(qū)556 m的要求。

綜上所述，在單直放站方案下，滿足切換區(qū)的距離要求，需要調(diào)整相鄰直放站的設(shè)置間距，工程上不建議采用。

2.3.2 隧道內(nèi)切換區(qū)雙直放站方案

隧道內(nèi)切換區(qū)雙直放站方案如圖4所示，在RU10處額外設(shè)置了RU10′，在RU11處額外設(shè)置了RU11′，RU10或RU11單點(diǎn)故障時(shí)，RU10′和RU11′仍能夠繼續(xù)工作。該方案能夠按照1.5 km的間距設(shè)置，滿足信號(hào)覆蓋及重疊區(qū)距離的要求。

圖4 超長(zhǎng)隧道場(chǎng)景切換區(qū)雙直放站方案Fig.4 Double-repeater solution in long railway tunnel switching zone

綜上所述，在超長(zhǎng)隧道場(chǎng)景下，采用在切換區(qū)兩側(cè)各設(shè)置2套直放站的方案，可將切換區(qū)設(shè)定為1.5 km。因此，綜合以往的隧道場(chǎng)景，可將所有隧道內(nèi)的切換區(qū)設(shè)定為1.5 km。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)GSM系統(tǒng)特性，在長(zhǎng)大隧道場(chǎng)景下給出數(shù)字直放站環(huán)型組網(wǎng)和鏈型組網(wǎng)對(duì)應(yīng)的理論拉遠(yuǎn)距離，對(duì)長(zhǎng)大隧道無(wú)線方案的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

從鐵路工程設(shè)計(jì)的角度分析超長(zhǎng)隧道場(chǎng)景，結(jié)合切換重疊區(qū)的距離要求與鏈路預(yù)算情況，給出隧道內(nèi)切換區(qū)設(shè)定距離的通用性建議。