数字光纤直放站在铁路移动通信系统中的应用研究

　　摘要

本文通过传输损耗、上行噪声叠加、传输时延和组网等方面来比较模拟光纤直放站和数字光纤直放站的优缺点，因为自身的一些弊端，传统的模拟光纤直放站在应用中受到一定的限制，对直放站性能产生一定的影响，难以满足现代高速铁路发展的需要，经分析，发现GSM-R数字光纤直放站的确优于普通的光纤直放站，与传统的模拟光纤直放站相比，数字光纤直放站具有输出功率更大、噪声系数更低、多远端机覆盖时对基站的底噪抬升更小、组网更灵活、传输时延可调整等优点；在网络中运用数字光纤直放站是低成本、快速解决网络覆盖的有效手段。另外，介绍数字光纤直放站（简称数字直放站）的内部结构，分析其优点和不足。通过对兰新高速铁路GSM-R数字光纤直放站的设备性能、特点、适用环境及应用技术指标及可能发生的设备故障的分析，确定数字光纤直放站的设备性能稳定，适用环境灵活，能更好、更可靠的服务于现代普速与高速高速铁路通信网络中。建议普速铁路与高速铁路都可以使用数字光纤直放站作为GSM-R网络覆盖弱场强区域的补偿。

关键词：模拟光纤直放站；数字光纤直放站；铁路

第一章绪论

　　1.1选题背景

近两年来，我国高速铁路发展迅速，兰新高铁作为我国第一条高速铁路，引领着我国高速铁路技术的发展，尤其是在张掖至门源区间多为隧道，这就对通信设备质量的要求，对通信网络的要求更为严格，目前，正在建设中我国即将接管的的宝兰客专和兰渝线铁路沿线地形复杂，多隧道、山沟、山体和坡地。这些地形都对GSM-R信号形成阻挡产生大量盲区。如果使用基站对这些区域进行信号补强，会造成极大地投资浪费并会使得线路运行设备频繁进行切换影响通信效果。由于直放站设备可以适应隧道内恶劣的工作环境、狭窄的安装条件、维护便捷性方面的要求，而大量用于铁路隧道的无线覆盖中，特别是在公众运营商的无线网络覆盖中，大量使用直放站。同时，由于直放站的引入，带来了多径干扰、增加了基站的上行噪声，可能恶化网络的服务器质量，而GSM-R恰好是干扰敏感的系统。为了提供直放站区段的通信质量，一方面改进设备，提供设备的可靠性和环境适应性，降低噪声引入，另一方面还可以从覆盖方案上进行优化，避免多径干扰，但是由于地理位置限制，多个直放站的引入不可避免多径干扰，特别是空间地段，由于信号衰减较慢，多个空间直放站容易造成多路信号叠加，影响通信质量，特别是传输干扰恢复时间难以满足规范的要求。若对这些若场区域的信号采用数字光纤直放站配合天线或漏缆进行补强，下行：近端机通过耦合器将来自基站主天线的下行信号馈送入双工器，分离后的下行模拟射频（RF）信号经过射频模块处理后，经光收发器由光纤传输到远端机。在远端机，经光电转换模块，将光信号转换为电信号，最后经发射机、双工器以及天线发射至覆盖区域。上行：来自移动终端的上行射频信号经射频模块处理后，再经电光转换模块转换为光信号由光纤传送到近端机。在近端机，经光电转换模块，将光信号转换为电信号，最后经发射机、双工器以及耦合器送给基站。从而保证GSM-R网络覆盖的稳定连续。本文通过对普通光纤直放站与GSM-R数字光纤直放站的优缺点比较，得出GSM-R数字光纤直放站的确优于普通的光纤直放站，并对我国兰新高铁GSM-R数字光纤直放站进行了设备方面的研究与分析，对设备方面可能存在的问题进行了分析，提出了合理的建议及应急处置措施。建议我国的普速铁路与高速铁路都可以使用数字光纤直放站作为GSM-R网络覆盖弱场强区域的补偿。

　1.2选题的目的与意义

近两年来，我国高速铁路发展迅速，兰新高铁作为我国第一条高速铁路，引领着我国高速铁路技术的发展，尤其实在铁路通信系统中尤为突出。对于通信系统而言，我国普速铁路GSM-R系统中使用的光纤直放站全部是建立在射频和模拟传输技术基础之上的模拟光纤直放站设备，一般情况下，使用这种光纤直放站时，接两台远端机比一台远端机时的噪声要多3dB，三台要多5dB[1]。并且通常会因为两路信号传输路径不同而引起15us的时延，造成同频干扰，引起通话质量下降甚至掉话。而射频信号也会随着光信号的衰减而衰减，近端机和远端机之间光缆距离不同造成近端机和远端机之间射频通路的损耗不同，造成远端机输出功率及覆盖范围的不同。相比之下，我国高速铁路兰新线GSM-R系统中使用的光纤直放站是光纤传输信号的数字光纤直放站，它在信号的再生和放大过程中均不产生光传输的噪声，对于射频噪声，它利用采样技术与自适应滤波器单独对各射频单元的上行噪声进行控制。实时测量和射频单元与光近端设备之间的时延，可以实现精确的时延调整功能，保证不同的光远端机信号的时延一致。而且射频信号不随光信号的衰减而衰减，并且，在长距离和多路分路传输系统中保持动态范围不变。系统采用数字传输，有效信号在传输中可以多次再生以保证信号传输质量，增加传输距离。系统组网灵活，可以有星型、链型、环型及混合连接方式，具有可靠的通信效果。目前，正在建设中我国即将接管的的宝兰客专和兰渝线铁路沿线地形复杂，多隧道、山沟、山体和坡地。这些地形都对GSM-R信号形成阻挡产生大量盲区。如果使用基站对这些区域进行信号补强，会造成极大地投资浪费并会使得线路运行设备频繁进行切换影响通信效果。若对这些若场区域的信号采用数字光纤直放站配合天线或漏缆进行补强，以保证GSM-R网络覆盖的稳定连续。通过对管内数字光纤直放站设备的分析与研究，对设备运行中可能出现的故障及告警的分析，以使我在今后的工作中更好地掌握数字光纤直放站的技术，确保管内通信设备的良好运行。

1.3研究内容与技术路线

通过对模拟光纤直放站和数字光纤直放站的比较，确定数字光纤直放站的优点比模拟光纤直放站的优点多，数字光纤直放站更适合用于现代普速与高速铁路的通信网络技术中。通过对数字光纤直放站的设备性能、特点、适用环境及应用技术指标的分析，确定数字光纤直放站的设备性能稳定，适用环境灵活，能更好、更可靠的服务于现代普速与高速高速铁路通信网络中。普通光纤直放站与数字光纤直放站进行优缺点的比较，对GSM-R数字光纤直放站的原理概述，兰新高速铁路GSM-R数字光纤直放站近端机设备与电源设备参数分析，兰新高速铁路GSM-R数字光纤直放站远端机设备与电源设备参数分析，兰新高速铁路GSM-R数字光纤直放站环境控制单元，兰新高速铁路GSM-R数字光纤直放站隔离变压器，兰新高速铁路GSM-R数字光纤直放站可能发生的设备故障的分析与处理。从TETRA的原理特点等方面展望数字集群(TETRA/iDEN)移动通信系统的发展前景，未来在对若场强区域的通信将更加有前景。

　第二章GSM-R数字光纤直放站的概述

通常说的直放站，也叫中继器，属于同频放大设备，是指在无线通信传输过程中起到信号增强的一种无线电发射中转设备。直放站的基本功能就是增强射频信号功率，从而达到基站与移动台的信号传递。

　2.1模拟光纤直放站和GSM-R数字光纤直放站的比较

光纤直放站可分为模拟光纤直放站和数字光纤直放站（GRRU）两大类。数字光纤直放站是在传统模拟光纤直放站的基础之上，利用光纤传输信号，采用先进的数字信号处理技术，具有信号稳定、通信质量好、干扰小、没有隔离度问题等优点。

　2.1.1模拟光纤直放站

模拟光纤直放站设备，接两台远端机比一台远端机时的噪声要多3dB，三台要多5 dB。并且通常会因为两路信号传输路径不同而引起15us的时延，造成同频干扰，引起通话质量下降甚至掉话[4]。而射频信号也会随着光信号的衰减而衰减，近端机和远端机之间光缆距离不同造成近端机和远端机之间射频通路的损耗不同，造成远端机输出功率及覆盖范围的不同。模拟直放站采用星形连接，施工重复穿线，或耗费大量光纤，采用数字直放站可减少光纤需求，降低施工难度，还可以通过环形结构组网，提高链路可用性。

　2.1.2GSM-R数字光纤直放站

数字光纤直放站在信号的再生和放大过程中均不产生光传输的噪声，对于射频噪声，它利用采样技术与自适应滤波器单独对各射频单元的上行噪声进行控制。实时测量和射频单元与光近端设备之间的时延，可以实现精确的时延调整功能，保证不同的光远端机信号的时延一致。而且射频信号不随光信号的衰减而衰减，并且，在长距离和多路分路传输系统中保持动态范围不变。系统采用数字传输，有效信号在传输中可以多次再生以保证信号传输质量，增加传输距离。系统组网灵活，信号的分路和合路通过数字的方法实现：下行分路通过数字比特流的复制实现，上行合路通过数字和实现，数字分路合路对信号都不会有任何损耗。这样，引入的上行噪声累积低，因此可以有星型、链型、环型及混合连接方式。其中星型连接方式（见附录）是运用最广泛的，具有可靠的通信效果。尤其适合现有移动网的扩充和延伸，具有投资省、工期短、收效快等优点。通过对模拟光纤直放站和数字光纤直放站的比较，确定数字光纤直放站的优点比模拟光纤直放站的优点多，数字光纤直放站更适合用于现代普速与高速铁路的通信网络技术中。

2.2GSM-R数字光纤直放站设备概述

光纤直放站是利用光传输损耗低的特性，以光纤为传输介质来传输射频信号的直放站。数字直放站将模拟射频信号转换为数字信号，利用光纤进行数字信号传输[5]。由于采用数字信号处理及传输技术，可以克服在远、近端机光模块、尾纤连接、长途光纤中引入的噪声和衰减，从而可以在远端机中将下行信号几乎无失真地恢复，类似地，在近端机中可以将上行信号几乎无失真地恢复。是GSM-R通信系统配套产品之一，近端站配合远端站工作，主要用于延伸GSM-R基站场强覆盖范围，特别适合于解决弱场区问题，也可以用于解决盲区的场强覆盖。

　2.2.1GSM-R是数字光纤直放站近端机与电源

光纤直放站近端机由开关电源、功率模块、主控板，光模块等组成。下行射频信号从基站中耦合出来后，进入近端机，经过功率模块放大信号，然后通过光模块转换成光信号，经过光纤传输到远端机；上行信号由远端机发出的光信号经过光纤进入近端机，通过光模块转为射频信号信号，进入功率模块放大信号，最后耦合到基站[6]。

电源板:

①输入48V直流电，输出13.5V直流电

②具备双路电源输出，热备份功能

③具备电源输入电压、电流检测，输出电压、电流检测等功能

④具备充电接口，可外接可充电电池。

⑤RS485数据接口，单片机智能控制。

　2.2.2GSM-R数字光纤直放站远端机与电源

GSM-R数字光纤直放站远端机由开关电源、双工器、低噪声放大器、高功率放大器、光模块、动力及环境监控系统等组成。传输射频信号，解决隧道等弱场区的覆盖，延伸基站的通信区域；光纤链路、功放、电源故障自动切换；具有漏缆监测设备接口，上传漏缆监测设备数据；应有电源电压、下行输出功率、光收发功率等指示；具有开门告警、电源故障告警、功放故障告警、光纤链路告警、驻波比告警等指示；具有功放开关、增益等参数设置；具有自动监测告警功能，实现远程控制管理；远端机防雷等功能。电源与环境监测[7]：

①可对交流配电盘的输入电压和电流进行测量及告警。

②可对蓄电池的电流、电压及电压过放进行监测、告警。

③可监测温度、湿度、烟雾、水浸、非法入侵等

　2.3GSM-R数字光纤直放站环境控制系统与隔离变压器

GSM-R数字光纤直放站环控单元实时监控远端机的状态，当发生异常状态时及时发出告警信息，而GSM-R数字光纤直放站隔离变压器有防雷击、浪涌保护功能，降低接入设备由于的输入干扰而引起的故障。作为GSM-R数字光纤直放站的附属设备，从根本上保证了直放站在环境与雷电方面的安全有效。

　2.3.1GSM-R数字光纤直放站环境控制系统

GSM-R数字光纤直放站环控单元实时监控远端机的状态，当发生异常状态时及时发出告警信息。GSM-R数字光纤直放站环控单元包括温湿度传感器、红外线传感器、水浸传感器和烟雾传感器。单元功能：

①温湿度传感器：检测远端机周围的温度及湿度情况，实时上报检测到的状态；

②红外线传感器：防止远端机被非法入侵，如有感应异常则立刻报警；

③水浸传感器：防止远端机被水浸湿，如有浸水则立刻报警；

④和烟雾传感器：防止远端机周围起火，如有烟雾则立刻报警。

　2.3.2GSM-R数字光纤直放站隔离变压器

GSM-R数字光纤直放站隔离变压器有防雷击、浪涌保护功能，降低接入设备由于的输入干扰而引起的故障。GSM-R数字光纤直放站远端机电源单元主要由浪涌保护器、保险丝及隔离变压器组成。

1）功能

①保护接入设备不受雷击、浪涌的影响；

②隔离输入电源，增加设备安全性。

2）隔离变压器性能指标

输入端阻值:≥3Ω;输出端阻值:≥4Ω;输出电压:输入电压±15 V.

　第三章兰新高速铁路GSM-R数字光纤直放站实例研究

对兰新高速铁路GSM-R数字光纤直放站设备的项技术指标进行了分析，以此来说明，GSM-R数字光纤直放站的优越性。

3.1兰新高速铁路GSM-R数字光纤直放站近端机与电源设备分析

兰新高速铁路的GSM-R数字光纤直放站运用的是上海新干通通信公司的，其近端机由开关电源、双工器、射频检测、射频放大器、光传输模块、监控系统等组成。

　3.1.1GSM-R数字光纤直放站近端机设备分析

如图3-1所示线路光纤直放站近端机由开关电源、功率模块、主控板，光模块等组成。下行射频信号从基站中耦合出来后，进入近端机，经过功率模块放大信号，然后通过光模块转换成光信号，经过光纤传输到远端机；上行信号由远端机发出的光信号经过光纤进入近端机，通过光模块转为射频信号信号，进入功率模块放大信号，最后耦合到基站。近端机的一些参数指标：工作频段为885-889/930-934MHz；上下行增益为-7±2dB；上行输出功率≥-5dBm，下行最大输入工作电平≥0dBm；环境温度-25～55 oC，湿度≤95％；光输出功率≥-1dBm，光接收灵敏度≤-18dBm。

图3-1近端机设备系统连接图

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近端机内置可充电电池，可以适当考虑放电，即关闭电源，只留电池工作，观察电池状态，当电池电源低于11.5V时即可（当电池电压低于11V时会产生电池告警，当电池电压低于10.8V时自动关机）。外部电源（DC48V）AL16-J4Z四芯插座，直流-48V±20%,电源功耗≤40W。

　3.2兰新高速铁路GSM-R数字光纤直放站远端机与电源设备分析

兰新高速铁路的运用的是上海新干通的GSM-R数字光纤直放站远端机，整机由开关电源、双工器、低噪声放大器、高功率放大器、光模块、动力及环境监控系统等组成。

　3.2.1GSM-R数字光纤直放站远端机设备分析

如图3-2（远端机设备系统连接图）由于远端机的特殊构造，它具有以下基本功能中继传输、主、备份切换、漏缆监测、电源与环境监测、本机本地参数设置和指示、网络监控管理具、远端机防雷等功能。系统主要技术指标有：工作频段为885-889/930-934MHz；噪声系数（dB）≤4;增益（dB）:53±2;驻波比≤1.4;增益调节范围（dB）≥30;带内波动（dB）≤3;自动电平控制（dB）≥10;时延(μs)≤1;输出功率（dBm）:37±2;电源功耗（W)＜250。指标测试环境：温度(℃)：15～35℃；相对湿度(%)：45～75%；大气压力：86～106kPa；环境噪声：≤55dB(A)电源：AC220V±10V、DC－48V±5V。主机维护标准：正常温度在-200C～+550C；正常输出功率参考设备设置功率值，误差小于3dB。

图3-2远端机设备系统连接图

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兰新高速铁路GSM-R数字光纤直放站远端机电源单元为光纤直放站远端机提供稳定的直流电源，并实时监测电源的状态，将异常情况告知主控单元，以便及时发出告警信息。远端机电源单元主要由电源转换及电源检测两部分组成。单元功能：将220V(154V~286V)输入转换为直流28V及直流12V输出，为远端机其他单元提供稳定的电源；实时监测设备的电源状态，包括交流输入电压、交流输入电流、直流输入电压、直流输出电压、直流输出电流、电池电压、电池充电电流；对监测的数据进行判断，若有异常则立即告知主控单元，以便及时发出告警信息。

　3.3兰新高速铁路GSM-R数字光纤直放站环境控制系统分析

兰新高速铁路GSM-R数字光纤直放站环控单元实时监控远端机的状态，当发生异常状态时及时发出告警信息。GSM-R数字光纤直放站环控单元包括温湿度传感器、红外线传感器、水浸传感器和烟雾传感器。单元功能及检测：温湿度传感器：检测远端机周围的温度及湿度情况，实时上报检测到的状态；红外线传感器（如图3-3）：防止远端机被非法入侵，如有感应异常则立刻报警，初始化检测时，红外LED闪烁不超过3分钟，工装指示灯熄灭；报警指示：红外LED亮起，工装指示灯同时亮起；水浸传感器：防止远端机被水浸湿，如有浸水则立刻报警；烟雾传感器（如图3-4）：防止远端机周围起火，如有烟雾则立刻报警，灵敏度检测：LED灯常亮，告警指示检测：LED灯及工装指示灯同时亮起。

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图3-4烟雾传感器

　3.4兰新高速铁路GSM-R数字光纤直放站隔离变压器的分析

兰新高速铁路GSM-R数字光纤直放站隔离变压器有防雷击、浪涌保护功能，降低接入设备由于的输入干扰而引起的故障。GSM-R数字光纤直放站远端机电源单元主要由浪涌保护器、保险丝及隔离变压器组成。功能：保护接入设备不受雷击、浪涌的影响；隔离输入电源，增加设备安全性。隔离变压器性能指标：输入端阻值:≥3Ω;输出端阻值:≥4Ω;输出电压:输入电压±15V。单元接口介绍：电源转换单元共有2个接口，分别为“输入AC220V”及“输出AC220V”；“输入AC220V”为交流输入，其中1脚火线、2脚零线，3脚地；“输出AC220V”为交流输出，其中1脚火线、2脚零线，3脚悬空。隔离变压器测试步骤：输入端阻值：用万用表200Ω电阻档测量输入端（如图3-5所示N与L）1脚与2脚间的电阻，测量值即为输入端阻值。输出端阻值：用万用表200Ω电阻档测量输出端1脚与2脚间的电阻，测量值即为输出端阻值。输出电压：用万用表750V交流电压档测量实际交流市电，测量值即为输入电压。将输入端通过“隔离变压器电源线”连接至市电，将输出端通过“电源连接线(隔离变压器-远端机)”连接至用160Ω/300W电阻，万用表750V交流电压档测量负载两端的电压，测量值即为输出电压。

图3-5隔离变压器连接图

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　第四章措施及建议

任何设备都有可能在使用中发生设备故障，本节对GSM-R数字光纤直放站应用于兰新高速铁路的通信网中可能出现的设备方面的问题进行分析，并提出合理的建议及应急处置措施。

　4.1兰新高铁GSM-R数字光纤直放站可能出现告警分析及处置措施

当直放站设备有告警时，先观察近端机的显示屏是否正常显示，指示灯是否正常（电源灯常亮、运行灯闪烁、通信灯通常为灭，告警灯亮为有告警，需要进一步看的告警内容，告警灯灭表示正常）。在“告警信息”中查看各项是否有告警，需要弄清楚每项告警的原因，如果器件损坏，则需要及时更换修复。如表4-1为近端机可能发生的告警的分析与处理措施。

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直放站远端机的正常温度在-200C～+550C；正常输出功率参考设备设置功率值，误差小于3dB。日常检查维修时，检查散热装置是否正常，用红外线测温仪测试机内各单元模块和射频头等温度，温度过高，则查明原因并上报。用频谱仪或功率计，测量直放站的输入/输出功率是否正常。询问网管看是否有告警，如果有告警则要查明原因，并进行分析处理，如表4-2为远端机可能发生的告警的分析与处理措施。

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　4.2兰新高铁GSM-R数字光纤直放站可能出现故障分析及处置措施

近端机在线运行时，正常情况可以免维护。一般配合网管使用，当出现故障告警时，只要针对性的更换相应模块或采取相应措施即可。如表4-3为近端机可能发生的故障与处理措施。

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　结论

通过对模拟光纤直放站和数字光纤直放站的比较，确定数字光纤直放站的优点比模拟光纤直放站的优点多，在网络中运用数字光纤直放站是低成本、快速解决网络覆盖的有效手段。因为自身的一些弊端，传统的模拟光纤直放站在应用中受到一定的限制，对直放站性能产生一定的影响，难以满足现代高速铁路发展的需要，所以数字光纤直放站更适合用于现代普速与高速铁路的通信网络技术中。本文介绍数字光纤直放站（简称数字直放站）的内部结构，分析其优点和不足,通过对兰新高速铁路GSM-R数字光纤直放站的设备性能、特点、适用环境及应用技术指标及可能发生的设备故障的分析，确定数字光纤直放站的设备性能稳定，适用环境灵活，能更好、更可靠的服务于现代普速与高速高速铁路通信网络中。分析表明数字直放站可以在铁路GSM-R无线覆盖中应用。

参考文献

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[4]刘玉建，GRRU设备使用原则[J].电信科学，2010,12A：184-186.

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[6]刘清涛.蒋笑冰.铁路数字移动通信系统（GSM-R）维护暂行规则铁运[2011]121号[S].中国铁道出版社，2011.

[7]闫永利.张卫军.常青.铁路有线通信维护暂行规则铁运[2010]194号[S].中国铁道出版社，2010.

致谢

随着毕业设计的结束也表明着我的在华东交通大学继续教育学院的学生生涯即将结束，我要感谢我的学校，大学3年，我学到了很多新的知识，同时我也改变了很多进步了很多。而这些应该归功于我的学校。特别感谢我的指导老师。在老师的悉心指导下，我对毕业论文的认识从一团糟到有了初步的认识到明确了任务目标，再到基本工作的组织和完成以及对工作任务的检查和整理。毕业论文的每一个过程都离不开老师的淳淳教诲，让我一点点的成长起来。通过这样一个过程，使我更深一步地了解了数字光纤直放站在铁路数字移动通信网络的应用。并在以后的工作中有了更进一步的业务技能的提高。今后，我会继续努力，好好工作！在任何时刻都不会忘记老师的谆谆教诲。