在鐵路GSM-R無線網絡覆蓋中應用GRRU相對于傳統光纖直放站的分析

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GSM平臺上開發出來的專為鐵路應用的數字式無線通信系統。

雖然GSM-R是以GSM為基礎，但相對于GSM無線通信系統又有著一定的區別。主要表現為：在功能上，它為鐵路運營提供定制的附加功能如鐵路通信列車調度、列車控制、支持高速列車等；在網絡覆蓋環境上，其信號覆蓋區域多為沿鐵路的線狀分布而非GSM網絡的片裝或扇區分布，且沿線覆蓋地型較為復雜；在可靠性要求上，GSM-R設備所要求的穩定性和可靠性相對于普通GSM設備要高得多。

鐵路線延伸區域廣闊，涉及地形復雜，沿線眾多隧道，山體和坡地等因素都對GSMR信號

形成阻擋產生大量盲區，使用GSMR基站進行整條鐵路線的信號覆蓋無疑將產生巨額資金投入，結合目前鐵路沿線已有的光纖資源，引入信號延伸設備對GSMR基站信號進行延伸和補盲將是一種很好的解決方案，在這種情況下，GRRU（GSM數字光纖射頻拉遠單元）產品相對于傳統直放站產品有著較大的優勢。

2．GRRU原理和特點

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端之間的光纖傳輸的是模擬信號，而GRRU近端和遠端之間的光纖傳輸的則是數字信號，因此，簡單的說，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)先將基站射頻信號下變頻到中頻，然后再將中頻信號進行數字化處理到數字信號，利用數字射頻拉遠傳輸系統通過光纖將數字信號傳送至遠端(RRH，Remote Radio Head)，再經過遠端的數字信號處理后恢復到模擬中頻信號，再上變頻還原到射頻信號。它采用先進的數字信號處理技術和數字信號光纖傳輸技術，可以實現多載波移動通信信號的遠距離傳輸和大容量、大動態范圍的信號覆蓋。

3．GRRU優勢分析

3.1　上行噪聲控制優勢：

對于傳統光纖直放站，由于其射頻信號是直接調制在光信號中進行傳輸的，對光信號的放大同時也將環境噪聲進行了放大，因此光纖直放站的上行噪聲有一個噪聲疊加的過程，我們用Nrep表示，當一個光纖直放站帶多個遠端時，其計算公式為：

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

如果我們對所有直放站上行噪聲進行控制，優化到上行噪聲相同，則此計算公式可以簡化為：

Nrep＝10*lg（N*10^ Nrep1/10）

根據此公式計算，兩臺遠端比一臺遠端的噪聲要多3dB，三臺則多5dB，這樣就會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。
而對于GRRU設備，由于光纖中傳輸的是純基帶的數字信號，不存在環境噪聲及底噪疊加的影響，同時數字射頻拉遠設備由于具有上行噪聲抑制功能，因此不會抬升基站噪聲電平，從而保證基站的接收靈敏度和覆蓋范圍。

3.2 組網方式的優勢：

對于傳統直放站和GRRU來說，都可以有星型組網和鏈型組網方式，首先我們來看傳統直放站的組網結構圖：

如前節所提到的，由于其射頻信號是直接調制在光信號中進行傳輸的，當光信號由于分配、耦合等原因引起信號強度降低時，其射頻信號同樣會降低，這樣就造成在星型組網時，直放站遠端一般不會超過4個，鏈型組網時，直放站遠端一般不會超過三個（因為還要鏈型組網還要考慮光/射頻信號的分配比、上行底噪抬升、信號一致性等工程問題），極大地限制了直放站作為信號延伸設備的使用。

再來看GRRU的組網結構圖：

由上圖我們可以看出，GRRU由于光纖中傳輸的是數字信號，因此其鏈型組網與傳統直放站組網方式是不同的，數字信號不隨光信號的衰減而衰減，因此它的遠端設備可以將下行的數字信號接收后繼續向下一級的遠端進行傳輸，而不需要象傳統直放站一樣考慮光信號及其中的射頻信號的強度是否足夠的問題。因此GRRU在組網時相對傳統直放站產品要方便得多，特別是在鏈型組網方式上，即不用考慮接收光信號的大小，也不用考慮光耦合器的跳接分配以及光纖的數量是否足夠，對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品的工程需求，大大地降低的工程成本。同時，由于基帶信號數字化傳輸后，基本不會因距離的增加而衰減，因此信號傳輸距離也大大增加，相對來說降低的基站的使用數量要求，在另一個方面降低了信號覆蓋的成本。

可靠性優勢：

對于鐵路專用通信網來說，由于掌控的是列車行駛、調度和控制等方面的數據，其可靠性是一個非常重要的性能指標，其相關產品的可靠性要求一般都比同等民用通信產品要高得多。

而對于GRRU產品，由于對其信號傳輸實現了數字化控制，因此它還可以實現一個原來傳統直放站產品所無法實現的組網方式：環形組網方式。

環形組網方式示意圖

在環形組網方式下，如果系統中有任意一根光纖被破壞，這個網絡能實現斷纖自動保護功能，其信號會自動切換到另一根光線進行傳輸，這樣極大地增強了鐵路GSM－R信號信號覆蓋的穩定性，從而保證了鐵路通信的正常運行。

監控優勢

在GSM－R系統中，同樣是基于鐵路通信安全等方面的考慮，要求能即時了解設備當前的運行狀況，以防止任何危險環節的發生，因此，對設備的監控也提出了非常高的要求。

在傳統光纖直放站產品中，由于近遠端設備之間傳輸的是模擬射頻信號，為實現對遠端實時監控的功能，一般有兩種方法，一種是在近遠端之間光盤中耦合一個FSK信號用來傳遞遠近端之間的數據，但一方面由于FSK容易受干擾，不夠穩定，常常會產生遠近端數據不通的現象；另一方面由于FSK信號也是一個射頻信號，為保證遠近端通信的暢通，常常會加大FSK信號的強度，這又會給系統以及周邊其它電子設備帶來一定的射頻干擾；除此之外，FSK還存在著通信速率較低，傳輸較長數據時延較大等問題。另一種方法則是直接將數據傳輸網接到光纖直放站設備的近端和遠端，這樣速度和可靠性倒是可以得到保證，但數據傳輸網的建設又要占用大量的資金，一般只是在市內軌道交通應用中才會使用。

而對于GRRU產品來說，其監控數據和基帶數據一樣，是直接在近遠端之間的光纖中進行傳輸的，而且采用HDLC標準傳輸協議，速度快，可靠性高，極大地保證了系統監控的可靠性和穩定性。

3.5 其它優勢：

與傳統的模擬光纖直放站相比，GRRU還有以下優勢：

1、輸出功率更大，單遠端可達60W以上；

2、可以自動測量出各個遠端的時延值，進行分別調整或自動調整，從而保證各個遠端的時延一致，防止重疊覆蓋區的時延色散干擾；

3、可以針對每個時隙、每個遠端進行統計，讓運營商了解話務分布情況；

4、可以通過近端實現對各個遠端進行遠程升級，提高了升級維護的便利性和快速性。

4．總結

由于GSM－R無線通信系統的特點以及其對可靠性、穩定性的要求，決定了與其相關的延伸覆蓋產品的性能需求。從上面的分析我們可以認識到：GRRU產品相對于傳統直放站產品，在鐵路GSM－R的延伸覆蓋上有著較大的優勢，我們應充分利用GRRU產品的技術和特點，建設有中國特色的GSM－R無線網絡，從而不斷滿足鐵路專用無線網絡覆蓋日益提高的業務要求和網絡質量需求。