在铁路GSM-R无线网络覆盖中应用GRRU相对于传统光纤直放站的分析

1．概述

GSM-R是基于目前世界最成熟、最通用的公共无线通信系统GSM平台上开发出来的专为铁路应用的数字式无线通信系统。

虽然GSM-R是以GSM为基础，但相对于GSM无线通信系统又有着一定的区别。主要表现为：在功能上，它为铁路运营提供定制的附加功能如铁路通信列车调度、列车控制、支持高速列车等；在网络覆盖环境上，其信号覆盖区域多为沿铁路的线状分布而非GSM网络的片装或扇区分布，且沿线覆盖地型较为复杂；在可靠性要求上，GSM-R设备所要求的稳定性和可靠性相对于普通GSM设备要高得多。

铁路线延伸区域广阔，涉及地形复杂，沿线众多隧道，山体和坡地等因素都对GSMR信号

形成阻挡产生大量盲区，使用GSMR基站进行整条铁路线的信号覆盖无疑将产生巨额资金投入，结合目前铁路沿线已有的光纤资源，引入信号延伸设备对GSMR基站信号进行延伸和补盲将是一种很好的解决方案，在这种情况下，GRRU（GSM数字光纤射频拉远单元）产品相对于传统直放站产品有着较大的优势。

2．GRRU原理和特点

在一定程度上，GRRU也是光纤直放站的一种。原来的光纤直放站近端和远端之间的光纤传输的是模拟信号，而GRRU近端和远端之间的光纤传输的则是数字信号，因此，简单的说，原来的光纤直放站，我们可以称它为"模拟"光纤直放站，而GRRU则可以称为"数字"光纤直放站。

GRRU的原理是：近端(LIM，Local Interface Module)先将基站射频信号下变频到中频，然后再将中频信号进行数字化处理到数字信号，利用数字射频拉远传输系统通过光纤将数字信号传送至远端(RRH，Remote Radio Head)，再经过远端的数字信号处理后恢复到模拟中频信号，再上变频还原到射频信号。它采用先进的数字信号处理技术和数字信号光纤传输技术，可以实现多载波移动通信信号的远距离传输和大容量、大动态范围的信号覆盖。

3．GRRU优势分析

3.1　上行噪声控制优势：

对于传统光纤直放站，由于其射频信号是直接调制在光信号中进行传输的，对光信号的放大同时也将环境噪声进行了放大，因此光纤直放站的上行噪声有一个噪声叠加的过程，我们用Nrep表示，当一个光纤直放站带多个远端时，其计算公式为：

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

如果我们对所有直放站上行噪声进行控制，优化到上行噪声相同，则此计算公式可以简化为：

Nrep＝10*lg（N*10^ Nrep1/10）

根据此公式计算，两台远端比一台远端的噪声要多3dB，三台则多5dB，这样就会抬升基站的噪声电平，使基站的接收灵敏度和覆盖范围降低。
 而对于GRRU设备，由于光纤中传输的是纯基带的数字信号，不存在环境噪声及底噪叠加的影响，同时数字射频拉远设备由于具有上行噪声抑制功能，因此不会抬升基站噪声电平，从而保证基站的接收灵敏度和覆盖范围。

3.2 组网方式的优势：

对于传统直放站和GRRU来说，都可以有星型组网和链型组网方式，首先我们来看传统直放站的组网结构图：

如前节所提到的，由于其射频信号是直接调制在光信号中进行传输的，当光信号由于分配、耦合等原因引起信号强度降低时，其射频信号同样会降低，这样就造成在星型组网时，直放站远端一般不会超过4个，链型组网时，直放站远端一般不会超过三个（因为还要链型组网还要考虑光/射频信号的分配比、上行底噪抬升、信号一致性等工程问题），极大地限制了直放站作为信号延伸设备的使用。

再来看GRRU的组网结构图：

由上图我们可以看出，GRRU由于光纤中传输的是数字信号，因此其链型组网与传统直放站组网方式是不同的，数字信号不随光信号的衰减而衰减，因此它的远端设备可以将下行的数字信号接收后继续向下一级的远端进行传输，而不需要象传统直放站一样考虑光信号及其中的射频信号的强度是否足够的问题。因此GRRU在组网时相对传统直放站产品要方便得多，特别是在链型组网方式上，即不用考虑接收光信号的大小，也不用考虑光耦合器的跳接分配以及光纤的数量是否足够，对于铁路即有线路的改造来说，只需原来备有一根光纤就可以满足产品的工程需求，大大地降低的工程成本。同时，由于基带信号数字化传输后，基本不会因距离的增加而衰减，因此信号传输距离也大大增加，相对来说降低的基站的使用数量要求，在另一个方面降低了信号覆盖的成本。

可靠性优势：

对于铁路专用通信网来说，由于掌控的是列车行驶、调度和控制等方面的数据，其可靠性是一个非常重要的性能指标，其相关产品的可靠性要求一般都比同等民用通信产品要高得多。

而对于GRRU产品，由于对其信号传输实现了数字化控制，因此它还可以实现一个原来传统直放站产品所无法实现的组网方式：环形组网方式。

环形组网方式示意图

在环形组网方式下，如果系统中有任意一根光纤被破坏，这个网络能实现断纤自动保护功能，其信号会自动切换到另一根光线进行传输，这样极大地增强了铁路GSM－R信号信号覆盖的稳定性，从而保证了铁路通信的正常运行。

监控优势

在GSM－R系统中，同样是基于铁路通信安全等方面的考虑，要求能即时了解设备当前的运行状况，以防止任何危险环节的发生，因此，对设备的监控也提出了非常高的要求。

在传统光纤直放站产品中，由于近远端设备之间传输的是模拟射频信号，为实现对远端实时监控的功能，一般有两种方法，一种是在近远端之间光盘中耦合一个FSK信号用来传递远近端之间的数据，但一方面由于FSK容易受干扰，不够稳定，常常会产生远近端数据不通的现象；另一方面由于FSK信号也是一个射频信号，为保证远近端通信的畅通，常常会加大FSK信号的强度，这又会给系统以及周边其它电子设备带来一定的射频干扰；除此之外，FSK还存在着通信速率较低，传输较长数据时延较大等问题。另一种方法则是直接将数据传输网接到光纤直放站设备的近端和远端，这样速度和可靠性倒是可以得到保证，但数据传输网的建设又要占用大量的资金，一般只是在市内轨道交通应用中才会使用。

而对于GRRU产品来说，其监控数据和基带数据一样，是直接在近远端之间的光纤中进行传输的，而且采用HDLC标准传输协议，速度快，可靠性高，极大地保证了系统监控的可靠性和稳定性。

3.5 其它优势：

与传统的模拟光纤直放站相比，GRRU还有以下优势：

1、输出功率更大，单远端可达60W以上；

2、可以自动测量出各个远端的时延值，进行分别调整或自动调整，从而保证各个远端的时延一致，防止重叠覆盖区的时延色散干扰；

3、可以针对每个时隙、每个远端进行统计，让运营商了解话务分布情况；

4、可以通过近端实现对各个远端进行远程升级，提高了升级维护的便利性和快速性。

4．总结

由于GSM－R无线通信系统的特点以及其对可靠性、稳定性的要求，决定了与其相关的延伸覆盖产品的性能需求。从上面的分析我们可以认识到：GRRU产品相对于传统直放站产品，在铁路GSM－R的延伸覆盖上有着较大的优势，我们应充分利用GRRU产品的技术和特点，建设有中国特色的GSM－R无线网络，从而不断满足铁路专用无线网络覆盖日益提高的业务要求和网络质量需求。