在鐵路GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋中應(yīng)用GRRU相對(duì)于傳統(tǒng)光纖直放站的分析

1．概述

GSM-R是基于目前世界最成熟、最通用的公共無線通信系統(tǒng)GSM平臺(tái)上開發(fā)出來的專為鐵路應(yīng)用的數(shù)字式無線通信系統(tǒng)。

雖然GSM-R是以GSM為基礎(chǔ)，但相對(duì)于GSM無線通信系統(tǒng)又有著一定的區(qū)別。主要表現(xiàn)為：在功能上，它為鐵路運(yùn)營提供定制的附加功能如鐵路通信列車調(diào)度、列車控制、支持高速列車等；在網(wǎng)絡(luò)覆蓋環(huán)境上，其信號(hào)覆蓋區(qū)域多為沿鐵路的線狀分布而非GSM網(wǎng)絡(luò)的片裝或扇區(qū)分布，且沿線覆蓋地型較為復(fù)雜；在可靠性要求上，GSM-R設(shè)備所要求的穩(wěn)定性和可靠性相對(duì)于普通GSM設(shè)備要高得多。

鐵路線延伸區(qū)域廣闊，涉及地形復(fù)雜，沿線眾多隧道，山體和坡地等因素都對(duì)GSMR信號(hào)

形成阻擋產(chǎn)生大量盲區(qū)，使用GSMR基站進(jìn)行整條鐵路線的信號(hào)覆蓋無疑將產(chǎn)生巨額資金投入，結(jié)合目前鐵路沿線已有的光纖資源，引入信號(hào)延伸設(shè)備對(duì)GSMR基站信號(hào)進(jìn)行延伸和補(bǔ)盲將是一種很好的解決方案，在這種情況下，GRRU（GSM數(shù)字光纖射頻拉遠(yuǎn)單元）產(chǎn)品相對(duì)于傳統(tǒng)直放站產(chǎn)品有著較大的優(yōu)勢(shì)。

2．GRRU原理和特點(diǎn)

在一定程度上，GRRU也是光纖直放站的一種。原來的光纖直放站近端和遠(yuǎn)端之間的光纖傳輸?shù)氖悄M信號(hào)，而GRRU近端和遠(yuǎn)端之間的光纖傳輸?shù)膭t是數(shù)字信號(hào)，因此，簡(jiǎn)單的說，原來的光纖直放站，我們可以稱它為“模擬”光纖直放站，而GRRU則可以稱為“數(shù)字”光纖直放站。

GRRU的原理是：近端(LIM，Local Interface Module)先將基站射頻信號(hào)下變頻到中頻，然后再將中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理到數(shù)字信號(hào)，利用數(shù)字射頻拉遠(yuǎn)傳輸系統(tǒng)通過光纖將數(shù)字信號(hào)傳送至遠(yuǎn)端(RRH，Remote Radio Head)，再經(jīng)過遠(yuǎn)端的數(shù)字信號(hào)處理后恢復(fù)到模擬中頻信號(hào)，再上變頻還原到射頻信號(hào)。它采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和數(shù)字信號(hào)光纖傳輸技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)多載波移動(dòng)通信信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸和大容量、大動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)覆蓋。

3．GRRU優(yōu)勢(shì)分析

3.1　上行噪聲控制優(yōu)勢(shì)：

對(duì)于傳統(tǒng)光纖直放站，由于其射頻信號(hào)是直接調(diào)制在光信號(hào)中進(jìn)行傳輸?shù)?，?duì)光信號(hào)的放大同時(shí)也將環(huán)境噪聲進(jìn)行了放大，因此光纖直放站的上行噪聲有一個(gè)噪聲疊加的過程，我們用Nrep表示，當(dāng)一個(gè)光纖直放站帶多個(gè)遠(yuǎn)端時(shí)，其計(jì)算公式為：

Nrep＝10*lg（10^ Nrep1 /10+10^ Nrep2/10+。。。。+10^ NrepN/10）

如果我們對(duì)所有直放站上行噪聲進(jìn)行控制，優(yōu)化到上行噪聲相同，則此計(jì)算公式可以簡(jiǎn)化為：

Nrep＝10*lg（N*10^ Nrep1/10）

根據(jù)此公式計(jì)算，兩臺(tái)遠(yuǎn)端比一臺(tái)遠(yuǎn)端的噪聲要多3dB，三臺(tái)則多5dB，這樣就會(huì)抬升基站的噪聲電平，使基站的接收靈敏度和覆蓋范圍降低。
而對(duì)于GRRU設(shè)備，由于光纖中傳輸?shù)氖羌兓鶐У臄?shù)字信號(hào)，不存在環(huán)境噪聲及底噪疊加的影響，同時(shí)數(shù)字射頻拉遠(yuǎn)設(shè)備由于具有上行噪聲抑制功能，因此不會(huì)抬升基站噪聲電平，從而保證基站的接收靈敏度和覆蓋范圍。

3.2 組網(wǎng)方式的優(yōu)勢(shì)：

對(duì)于傳統(tǒng)直放站和GRRU來說，都可以有星型組網(wǎng)和鏈型組網(wǎng)方式，首先我們來看傳統(tǒng)直放站的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖：

如前節(jié)所提到的，由于其射頻信號(hào)是直接調(diào)制在光信號(hào)中進(jìn)行傳輸?shù)模?dāng)光信號(hào)由于分配、耦合等原因引起信號(hào)強(qiáng)度降低時(shí)，其射頻信號(hào)同樣會(huì)降低，這樣就造成在星型組網(wǎng)時(shí)，直放站遠(yuǎn)端一般不會(huì)超過4個(gè)，鏈型組網(wǎng)時(shí)，直放站遠(yuǎn)端一般不會(huì)超過三個(gè)（因?yàn)檫€要鏈型組網(wǎng)還要考慮光/射頻信號(hào)的分配比、上行底噪抬升、信號(hào)一致性等工程問題），極大地限制了直放站作為信號(hào)延伸設(shè)備的使用。

再來看GRRU的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖：

由上圖我們可以看出，GRRU由于光纖中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，因此其鏈型組網(wǎng)與傳統(tǒng)直放站組網(wǎng)方式是不同的，數(shù)字信號(hào)不隨光信號(hào)的衰減而衰減，因此它的遠(yuǎn)端設(shè)備可以將下行的數(shù)字信號(hào)接收后繼續(xù)向下一級(jí)的遠(yuǎn)端進(jìn)行傳輸，而不需要象傳統(tǒng)直放站一樣考慮光信號(hào)及其中的射頻信號(hào)的強(qiáng)度是否足夠的問題。因此GRRU在組網(wǎng)時(shí)相對(duì)傳統(tǒng)直放站產(chǎn)品要方便得多，特別是在鏈型組網(wǎng)方式上，即不用考慮接收光信號(hào)的大小，也不用考慮光耦合器的跳接分配以及光纖的數(shù)量是否足夠，對(duì)于鐵路即有線路的改造來說，只需原來備有一根光纖就可以滿足產(chǎn)品的工程需求，大大地降低的工程成本。同時(shí)，由于基帶信號(hào)數(shù)字化傳輸后，基本不會(huì)因距離的增加而衰減，因此信號(hào)傳輸距離也大大增加，相對(duì)來說降低的基站的使用數(shù)量要求，在另一個(gè)方面降低了信號(hào)覆蓋的成本。

可靠性優(yōu)勢(shì)：

對(duì)于鐵路專用通信網(wǎng)來說，由于掌控的是列車行駛、調(diào)度和控制等方面的數(shù)據(jù)，其可靠性是一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)，其相關(guān)產(chǎn)品的可靠性要求一般都比同等民用通信產(chǎn)品要高得多。

而對(duì)于GRRU產(chǎn)品，由于對(duì)其信號(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制，因此它還可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)原來傳統(tǒng)直放站產(chǎn)品所無法實(shí)現(xiàn)的組網(wǎng)方式：環(huán)形組網(wǎng)方式。

環(huán)形組網(wǎng)方式示意圖

在環(huán)形組網(wǎng)方式下，如果系統(tǒng)中有任意一根光纖被破壞，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)斷纖自動(dòng)保護(hù)功能，其信號(hào)會(huì)自動(dòng)切換到另一根光線進(jìn)行傳輸，這樣極大地增強(qiáng)了鐵路GSM－R信號(hào)信號(hào)覆蓋的穩(wěn)定性，從而保證了鐵路通信的正常運(yùn)行。

監(jiān)控優(yōu)勢(shì)

在GSM－R系統(tǒng)中，同樣是基于鐵路通信安全等方面的考慮，要求能即時(shí)了解設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀況，以防止任何危險(xiǎn)環(huán)節(jié)的發(fā)生，因此，對(duì)設(shè)備的監(jiān)控也提出了非常高的要求。

在傳統(tǒng)光纖直放站產(chǎn)品中，由于近遠(yuǎn)端設(shè)備之間傳輸?shù)氖悄M射頻信號(hào)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)端實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能，一般有兩種方法，一種是在近遠(yuǎn)端之間光盤中耦合一個(gè)FSK信號(hào)用來傳遞遠(yuǎn)近端之間的數(shù)據(jù)，但一方面由于FSK容易受干擾，不夠穩(wěn)定，常常會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)近端數(shù)據(jù)不通的現(xiàn)象；另一方面由于FSK信號(hào)也是一個(gè)射頻信號(hào)，為保證遠(yuǎn)近端通信的暢通，常常會(huì)加大FSK信號(hào)的強(qiáng)度，這又會(huì)給系統(tǒng)以及周邊其它電子設(shè)備帶來一定的射頻干擾；除此之外，F(xiàn)SK還存在著通信速率較低，傳輸較長(zhǎng)數(shù)據(jù)時(shí)延較大等問題。另一種方法則是直接將數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)接到光纖直放站設(shè)備的近端和遠(yuǎn)端，這樣速度和可靠性倒是可以得到保證，但數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)的建設(shè)又要占用大量的資金，一般只是在市內(nèi)軌道交通應(yīng)用中才會(huì)使用。

而對(duì)于GRRU產(chǎn)品來說，其監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和基帶數(shù)據(jù)一樣，是直接在近遠(yuǎn)端之間的光纖中進(jìn)行傳輸?shù)?，而且采用HDLC標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議，速度快，可靠性高，極大地保證了系統(tǒng)監(jiān)控的可靠性和穩(wěn)定性。

3.5 其它優(yōu)勢(shì)：

與傳統(tǒng)的模擬光纖直放站相比，GRRU還有以下優(yōu)勢(shì)：

1、輸出功率更大，單遠(yuǎn)端可達(dá)60W以上；

2、可以自動(dòng)測(cè)量出各個(gè)遠(yuǎn)端的時(shí)延值，進(jìn)行分別調(diào)整或自動(dòng)調(diào)整，從而保證各個(gè)遠(yuǎn)端的時(shí)延一致，防止重疊覆蓋區(qū)的時(shí)延色散干擾；

3、可以針對(duì)每個(gè)時(shí)隙、每個(gè)遠(yuǎn)端進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，讓運(yùn)營商了解話務(wù)分布情況；

4、可以通過近端實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)遠(yuǎn)端進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)，提高了升級(jí)維護(hù)的便利性和快速性。

4．總結(jié)

由于GSM－R無線通信系統(tǒng)的特點(diǎn)以及其對(duì)可靠性、穩(wěn)定性的要求，決定了與其相關(guān)的延伸覆蓋產(chǎn)品的性能需求。從上面的分析我們可以認(rèn)識(shí)到：GRRU產(chǎn)品相對(duì)于傳統(tǒng)直放站產(chǎn)品，在鐵路GSM－R的延伸覆蓋上有著較大的優(yōu)勢(shì)，我們應(yīng)充分利用GRRU產(chǎn)品的技術(shù)和特點(diǎn)，建設(shè)有中國特色的GSM－R無線網(wǎng)絡(luò)，從而不斷滿足鐵路專用無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋日益提高的業(yè)務(wù)要求和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量需求。