1、2023 年 2 月第 59 卷 第 2 期铁 道 通 信 信 号Railway Signalling&CommunicationFebruary 2023Vol.59 No.2既有线GSM-R改造无线子系统技术方案研究姚欣楠摘 要：通过分析国内普速干线450 MHz无线列调通信系统的现状，以及国家对450 M470 MHz频段的相关政策要求，讨论了450 MHz无线列调通信系统改造为铁路数字移动通信系统（GSM-R）的必要性。针对基站+模拟直放站、基站+数字直放站、分布式基站BBU+RRU的改造方案，从噪声干扰、多径时延、设备兼容性、工程投资等方面进行比较，分析了3种方案的优缺点，并提出改造
2、建议，对既有铁路450 MHz无线列调通信系统改造具有参考意义。关键词：铁路数字移动通信系统；改造；数字直放站；分布式基站中图分类号：U285.5 文献标识码：A Research on the Technical Scheme of Wireless Subsystem for GSM-R Reconstruction of Existing RailwaysYAO XinnanAbstract：Based on the analysis of the current situation of 450 MHz wireless train dispatching communication
3、system for general speed trunk lines in China and the relevant national policy requirements for 450 M470 MHz frequency band,this paper discusses the necessity of transforming 450 MHz wireless train dispatching communication system into railway digital mobile communication system(GSM-R).Aiming at the
4、 three transformation schemes of base station+analog repeater,base station+digital repeater and distributed base station BBU+RRU,this paper compares the advantages and disadvantages of the three schemes from the aspects of noise interference,multipath delay,equipment compatibility,and engineering in
5、vestment,then puts forward transformation suggestions,which have reference significance for the transformation of the existing railway 450 MHz wireless train modulation communication system.Key words：GSM-R；Reconstruction；Digital repeater；Distributed base station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
6、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姚欣楠：中铁第四勘察设计院集团有限公司 工程师 430063 武汉收稿日期：2022-11-07DOI：10.13879/j.issn.1000-7458.2023-02.22361扫码浏览下载45铁道通信信号 2023年第59卷第2期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
7、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
8、。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。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GSM-R系统弱场覆盖时存在2个固有缺陷：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；单个基站如果带多个模拟直放站，则多个模拟直放站
9、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。表1GSM-R与450 MHz无线列调的比较项目数字/模拟
10、信道数5业务5同频干扰影响技术成熟度铁路数字移动通信系统GSM-R数字调制技术,数字通信系统多信道,每载频8个时隙,即8个物理信道,便于多业务承载可提供丰富的语音业务以及短消息、车次号及调度命令、列尾风压信息等数据业务的扩展干扰较小,通过网络优化可减小影响成熟、技术相对先进450 MHz无线列调系统模拟调制技术,模拟通信系统单信道,每载频1个信道,多用户在同一信道上工作,不利于日益增加的多业务承载目前只能开展单一的语音对讲业务和低速率的数传功能干扰严重,系统本身不能克服成熟,技术相对落后车站基站近端机远端机远端机弱场区区间基站车站基站近端机远端机远端机车站基站车站A隧道1隧道2车站C图1 基站
11、模拟直放站方案示意46Railway Signalling&Communication Vol.59 No.2 20232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 W6，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
12、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。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
13、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
14、。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BBURRU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
15、。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。远端机近端机远端机远端机弱场区远端机近端机远端机远端机车站基站车站基站车站基站车站A隧道1隧道2车站C图2 基站数字直放站方案示意47铁道通信信号 2023年第59卷第2期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
16、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