刘刚
中国铁路成都局集团有限公司 成都
工电检测所 610081）
【摘要】：本文从直放站标准入手，介绍模拟直放站、数字直放站交织冗余的要求及典型实现方案，分析数字直放站主从交织冗余方案存在的不足，提出了更为先进、完善的主备从交织冗余数字直放站方案，并且从系统组网、工作原理等方面阐述了该方案的实现方式。
【关键字】：GSM-R 时钟域归一 主备从 交织 冗余
1.概述
GSM-R数字光纤直放站（以下简称“数字直放站”）从标准制订到产品推广应用至今，为铁路行车提供了重要安全保障，交织冗余作为直放站系统重要功能，已在CTCS-3高速铁路、长大隧道、复杂地形（如山区、隧道群）中广泛应用。特殊应用场景对无线通信可靠性要求高，需要直放站系统设备、无线网络覆盖具有更高稳定性、可靠性。本文以运营的CTCS-3级高速铁路中应用的数字直放站“主从交织冗余”组网模式下存在的不足，深化执行技术标准，在系统组网、信号处理逻辑、关键模块备份等层面采用新技术，创新性提出了“主备从交织冗余”数字直放站方案，利用相邻近端机支持单纤拉远远端机实现相邻基站的双无线信号传输技术，进而提高了系统场强覆盖稳定性、可靠性，为GSM-R系统数字直放站网络工程设计、设备研发等提供了新思路、新选择。
2.直放站标准对交织冗余的要求及典型实现方案
2.1.模拟直放站
模拟直放站标准TB/T 3364-2015《铁路数字移动通信系统（GSM-R）模拟光纤直放站》对模拟直放站标准强调“主备从交织冗余覆盖，同时具有关键模块冗余备份”要求。典型模拟直放站交织冗余系统组网，如图1。
典型模拟直放站远端机内部配置主备两套光端机。正常模式下，主备接同一台近端机，互为备份；交织模式下，增加一套光端机作为从连接另一台近端机，组网如图1，主备接主用近端机1，互为备份；备接从近端机2，无备份。基站A、B信号通过主从或备从链路实现交织覆盖。设计时主信号高于从信号6dBm。
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正常情况，远端机同时控制主、从链路中的下行信号实现交织覆盖；当主链路故障，通过备链路继续保持主信号覆盖，交织覆盖不变。当从链路故障，从链路无备份，交织覆盖降级为单层覆盖。
2.2.数字直放站
数字直放站标准TB/T 3367-2016《铁路数字移动通信系统（GSM-R）数字光纤直放站》标准中强调数字直放站应具有“主从交织覆盖”和环路保护功能，但未要求同时具有主从部件冗余。典型数字直放站交织冗余系统如图2。
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典型数字直放站的近、远端机内部分别配置主备两套数字板（含光模块、变频器等）。
正常模式，远端机主从链路接同一台近端机，互为备份；交织模式下，从链路连接另一台近端机，形成主从交织冗余覆盖，如图2。远端机主链路接左侧近端机1构成主环路；从链路接右侧近端机2构成从环路。主、从环路均无备份，主、从环路也不构成互备。基站A、B的信号分别通过主、从环路实现冗余交织覆盖。主信号高于从信号6dBm。
正常情况，远端机同时处理主、从环路中的基站信号实现交织覆盖。当某一环路中的信号处理部件故障无法实现覆盖时，交织冗余覆盖降级为单网覆盖。
3.典型数字直放站主从交织冗余系统方案的缺陷
由于模拟直放站不具备底噪抑制、时延调整、环形组网等功能，作为GSM-R中继设备，存在很大局限性，正逐渐退出历史舞台。随着铁路数字化发展，数字直放站作为模拟直放站的替代产品，在主从交织冗余覆盖模式下，对其存在的缺陷进行分析，如图2，具体如下：
（1）近端机冗余不足。任一台近端机主环路或从环路模块故障、经由此路传输的基站信号消失时，该区间由交织冗余覆盖降级为单层覆盖，系统可靠性降低。当主信号消失，通过该区段的车载终端设备将增加1次越区切换，由主链路切到从链路；从路信号单独覆盖时，覆盖电平低于主路信号6dBm，系统服务质量降低。
（2）远端机冗余不足。任一台远端机主环路或从环路模块故障，该远端机覆盖信号丢失，该区域由交织冗余覆盖降级为单层覆盖，系统可靠性降低。当主信号丢失，通过该区域的终端设备将增加2次越区切换，由主链路切到从链路，再由从链路切回主链路；从路信号单独覆盖时，覆盖电平低于主路信号6dBm，系统服务质量降低。
通过以上分析，该系统方案缺少主从光链路模块互为备份机制，单点故障即增加终端设备切换次数、覆盖质量降低，系统安全性、可靠性和服务质量下降。
4.主备从交织冗余定义
直放站同时接入相邻基站，实现单纤传输相邻基站无线信号接入，如图3；双纤实现直放站数字处理板主从互备功能，如图4；四纤实现主备从光纤环路功能，如图5。
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5.主备从交织冗余数字直放站方案
为解决数字直放站“主从交织冗余”的不足，提高系统交织冗余可靠性，经研究，创新性提出“主备从交织冗余数字直放站方案”，如图5，在交织冗余、环路保护基础上成功实现主从环路相互备份机制。
该方案与典型数字直放站设备的硬件、结构、接口等保持一致。通过调整系统组网连接，使主从环路分别扩展到相邻近端机，如图5。现对数据信号处理逻辑进行分析。
上行数据处理：每台远端机接收的上行信号分成两路同时传送到主、从环路，近端机根据工作状态选择其中一路信号传送到基站。
下行数据处理：每台近端机将基站信号分成两路发送到主、从环路，远端机选择环路中基站A、B的数据组合，控制无线信号增益，实现交织冗余覆盖。处理逻辑如表1。
表1 主从环路下行信号选择逻辑
逻辑 主环路 从环路
基站A数据 基站B数据 基站A数据 基站B数据
逻辑1 √ √
逻辑2 √ √
逻辑3 √ √
正常逻辑：远端机选择主环路基站A和从环路基站B下行数据实现交织覆盖；近端机1选择主环路的上行信号传到基站A；近端机2选择从环路的上行信号传到基站B。
近端机1主路故障：系统主环路的基站A数据丢失，远端机选择从环路基站A、B的下行数据实现覆盖；近端机1、2选择从环路的上行信号传到基站A、B，交织冗余结构完整。
近端机2主路故障：正常逻辑处理。
近端机1从路故障：正常逻辑处理。
近端机2从路故障：从环路基站B数据丢失，远端机选择主环路基站A、B的下行数据实现覆盖；近端机1、2选择主环路的上行信号传到基站A、B，交织冗余结构完整。
远端机主路故障：任一台远端机主路故障导致该远端机覆盖区域的基站A数据丢失，远端机选择从环路基站A、B的下行数据实现网络覆盖；近端机1、2选择从环路的上行信号传到基站A、B，交织冗余结构完整。
远端机从路故障：任一台远端机从路故障，导致该远端机覆盖区域的基站B数据丢失，远端机选择主环路基站A、B的下行数据实现覆盖；近端机1、2选择主环路的上行信号传到基站A、B，交织冗余结构不完整。
本方案采用数字信号处理转发技术和相邻近端机时钟域归一技术实现了单环路传输处理双基站信号、系统时钟同步等多个技术难点，不增加硬件复杂度情况下，通过调整组网和信号处理逻辑实现了数字直放站系统主、从环路的相互备份，提高了直放站系统可靠性，解决了主从交织冗余覆盖备份不足的难题，充分满足不同等级铁路在特殊场景下对高可靠性的要求。
6.结语
数字直放站主备从交织冗余系统方案，如图5，支持主路备份，从路备份，相比典型的主从备交织冗余方案，如图2，多一路从路备份，对于高等级线路和长大隧道，增加了冗余度，系统复杂度未见明显增加。本方案仅对数字直放站系统组网结构、信号处理逻辑进行研究调整，简便易行，便于推广。
参考文献：
[1]国家铁路局.TB/T 3364-2015铁路数字移动通信系统(GSM-R)数模拟纤直放站[S].北京:中国铁道出版社,2015.
[2]国家铁路局.TB/T 3367-2016铁路数字移动通信系统(GSM-R)数字光纤直放站[S].北京:中国铁道出版社,2016.
[3]夏文芳,刘立海.GSM-R高冗余直放站在高速铁路中的应用分析[J].通信信息,2018(5):190-193
[4]刘淑荣.交织冗余备份光纤直放站在GSM-R系统中的应用[J].铁路通信信号工程技术,2016,13(3):44-46.