浅述光纤直放站在铁路通信系统中的应用及发展趋势

第一章绪论1.1选题背景近几年来，我国铁路运营里程在不断地扩展，实际里程大约已到14万公里，位居全世界第二。在这样一个诺然庞大的铁路交通运输网中，有部分铁路线路分布在广阔平原、人口密集的城市，还有部分线路穿行在丘陵沟壑、高山森林等地形崎岖复杂地段，而恰是这些特殊地形，极大地限制了铁路通信无线信号的全面覆盖以及车站电磁波的传播，进而形成了通信弱场区和盲区，给列车运行造成了极大的安全隐患。因此，要想进一步实现铁路通信系统现代化进程，保障铁路运营线路的安全，解决铁路线路弱场场强问题，就显得尤为重要了。1.2选题目的目前，解决铁路线路弱场强区、盲区的方式中的中继设备主要有：无线中继器、GSM-R基站、天线、光纤直放站等。其中的光纤直放站中继设备相对于其他设备而言，具有工作稳定、覆盖效果好；列车通话质量好、干扰少；设计和施工更灵活；可提高增益而不会自激；传输距离远等优点。另一方面，由于目前光缆技术日益成熟且市场价位有下调趋势,同时光纤直放站也在公网移动通信中得到广泛的应用。因此随着我国铁路的高速现代化发展,光纤直放站也逐渐在铁路通信系统中得到重要实际应用,尤其在目前大部分既有线路的电气化改造中得到大量应用。第二章光纤直放站在实际工作中的应用由于本人目前在西安铁路局工作，对管内部分线路有些许了解。下文就根据铁路局管内咸铜线线路的实际情况，举例说明光纤直放站在铁路通信系统中的实际应用。2.1咸铜线线路介绍1941年，咸铜线建成通车，主要用于促进渭北资源开发。直到建国后，铜川作为全国重要的煤炭生产基地，咸铜线便成为了必不可少的工业建设运输线路。但是随时国家社会日益发展迅速，人民需求增长过快，再加上公路运输市场的压力，咸铜线逐渐显露疲态，客流、货运迅速下降。在此期间，线路也经过多次改造大修，但是由于主要标准不统一、线路设备设施简陋老化，并且未经过电气化改造，现状仍为内燃牵引铁路，极大地限制了运输效能。2.1.1地形概况咸铜铁路是连接咸阳与铜川的铁路线路，是陇海铁路支线，由咸阳车站东端引出，沿渭河北岸东北行，绕三原城外跨过清河，经阎良跨过石川河后转向东行，行至耀县站之后，地形便开始陡峭，依自然坡度14%，设纵坡上攀，经过黄堡站穿过桃园隧道，最终达到铜川车站。全长为135公里，含有20个车站，其中大小桥梁49座，隧道2座，总长550米。2.1.2电气化改造需求曾经一度繁忙的咸铜铁路也有西安到铜川的客运列车，但由于建线太久，铁路线路等级不高，公路发展迅速对咸铜线形成巨大冲击，1993年的时候，铜川成为了陕西省唯一没有铁路客运的地级市。因此决定对咸铜线进行电气化改造，建成开行西安站至铜川站“绿巨人”动车组。此次电气化改造能够发挥既有咸铜铁路设施对沿线经济发展的支撑作用，为“一带一路”战略提供运输保障需要；同时改善渭北区域和沿线地区运输条件，开拓渭北客运市场等。2.2光纤直放站的实际运用基于上述对咸铜线线路的介绍，电气化改造开通动车，就需要在既有通信网的基础上，对光传输、数据通信网、电话交换及接入网、有线调度通信、电源及环境监测等系统进行改造、补充及完善。咸铜线路其中，耀县站至铜川站地形陡峭，多为丘陵地区，车站多位于乡镇边缘，站间最远相距约7km，有桥梁、隧道。目前铜南至黄堡区间采用的通信方式是三台中继器加漏缆，一台互控台，经过电气化改造之后，计划在区间增设三台光纤直放站，采用光纤直放站＋隧道天线的通信方式，从而淘汰掉中继器及漏缆设备。2.2.1设备安装与开通设备的开通是指设备在现场进行安装、调试和交付用户使用。设备的固定、设备供电设施等工作都需要厂方与铁路方面密切配合，在设备安装前做好准备工作。下文以GZF450-III型光纤直放站的安装与开通举例说明。1、设备安装前的准备工作设备安装开通前，一般需作如下准备：①覆盖方案的提出，施工方案的确定；②可行性方案论证，包括现场地形勘测和电磁环境测试；③设备安装的设计、安装与测试。现场地形勘测和电磁环境测试是覆盖方案设计、工程安装设计的依据。内容一般需覆盖的面积及地形，设备及天线的固定位置及布线方案的确定，接地方案的设计、安装，供电系统的配置与实施等。2、设备安装与开通步骤设备运抵安装站后，在包装箱完整的情况下，开启包装箱，对照装箱清单核对箱内物品。并按照设计报告中确定的安装位置和实测场强，与建设单位协商确定各点的天线杆的位置、高度，馈线走线、固定方式，设备安装位置、220V电源及地线埋设等，并按照下面步骤进行安装和调试。①直放站的安装按照施工图纸安装直放站。图2-1上远端设备外型图图2-2上远端设备安装图（1）图2-3上远端设备安装图（2）②场强测试与电平调整直放站在工程开通过程中，电平调整是一项重要工作，对下行通道而言，首先要根据耦合基站信号强度，调整直放站的下行增益，使其下行输出满足覆盖的要求。同时还要相应调整上行链路的增益，使上下行增益平衡，并保证上行噪声足够的小。③馈线接头密封建议先加电，测试电平正常后，再作天馈线接头密封工作；上接头前应先将接头内进行清洁，并检查电缆头芯子的长度及左右位置是否正常，然后再固定；密封前必须检查接头是否拧紧。④设备接地按照技术要求，剥去馈线的外塑料皮，约6～7cm长，切不可用力过大碰伤内部波纹铜皮，然后用铜丝编织带缠紧，确保与波纹铜皮紧牢接触，再用胶带、胶泥封紧、封严；另一端与地牢固连接在一起。用于固定的螺丝、螺母应作防锈处理。图2-4上设备接地示意图⑤通电检测设备安装、初调完毕后，用测试手机进行简单的信号测试，同时微调天线的位置，以达到最佳的覆盖效果。天线微调完毕后，必须紧固天线，避免受外力的影响。同时检查设备接地等是否良好。⑥监控功能的开通（监控软件名称：中继传输设备统一监控V1.0.0）（1）将监控盘用串口线接到PC机上，用串口直连的通信方式设置该直放站的编号（由局方给定）、通信参数（包括查询电话、告警电话）；并根据现场情况完成射频参数设置，设置过程中可通过仪表和测试手机检测射频指标是否满足要求。（2）开关机一次，重复上面测试步骤检查存储资料是否能够恢复。（3）近远端通信，通过近端查询远端，查看远端模块数量是否为7个，告警量能否返回。如果成功则近远端监控功能通信正常。注：光纤直放站开通时上下行增益应不大于45dB，此设备在增益上留有较大余量是为了补偿光路较长或者一拖多使用时光分路器带来的较大光路衰减。2.2.2实际应用方式在弱场区段或者盲区内，通过对光纤直放站与天线、射频电缆、漏泄电缆的合理搭配，进行组网实现无线信号覆盖，通常情况有以下几种应用方式：1、光纤直放站＋隧道天线当铁路线路区间有丘陵或者隧道地势时，由于弯道及山体的阻挡，形成了信号覆盖弱场区，此时可以利用此方式解决问题。按照一台光纤直放站＋隧道天线的形式1.6km距离进行配置，一般采用双定向螺旋天线覆盖，如果是300m以上距离的隧道，那么两端都需要架设天线。2、光纤直放站＋漏缆＋天线当铁路线路区间地处山区，区间多长大隧道群，线路弯道居多，可采用此应用方式。按照一台光纤直放站＋漏缆＋天线以3.0km距离的形式进行配置。若采用星型连接组网可以覆盖距离长达20km。3、大区间应用方式这种应用方式一般是在弱信号区域或盲区进行设置光纤直放站。直放站远端机的数量可以配置多台，天线可采用全向或定向。（这种方式特别适合关闭站）4、光纤直放站连接方式分星型连接和串型连接两种方式。星型连接方式如下：星型连接方式主要特点是，近端机的每个光收发模块都是用一根光纤对应一个远端机，有多少个远端机就需多少根光纤。优点是引入噪声和干扰小，信号质量好；近端机和远端机独立连接，其中一台远端机损坏，不会中断链路，不会影响其他远端机正常工作。串型连接方式如下：串型连接的优点是能够减少使用光纤数量，但相对于星型连接而言一方面增加了工程开通和维护的难度，另一方面也降低了系统的可靠性，因此一般情况下建议采用星型连接。2.2.3系统日常维护及常见故障处理1、系统的日常维护·网管中心每天通过后台实时监控检查直放站工作是否正常；一般情况下每周应对设备的工作状态作一次详细的检查并记录。·铁路通信系统的现场无线维护工区应定期到站址现场进行检查，每三个月检查一次,主要检查设备天馈系统及附件的固定是否有松动，接地系统及接地是否仍然良好，供电系统是否稳定安全可靠。·若整个网络监控部分覆盖区域异常，监测相关基站的同时，应及时通过监控中心对与该区域有关和可能有关的环节进行仔细检查，确认是否正常工作。2、常见故障类型一般常见故障主要发生在远端机，包括光电模块、光路、电源等常见故障。①．光路故障光路故障主要是指设备告警显示“光路告警”，一般报告该类告警的是近端，而近端报告该告警的依据是，在一定的时间内，光盘发出的光，无法得到任何回应，简单的说就是有发光没收光。②．电源故障光纤直放站近端机采用的是-48V直流电源供电，远端机采用220V交流电源供电，通常远端机都配有可供设备运行7-8个小时的蓄电池电源，在交流掉电时，会自动切换到蓄电池供电。供电故障主要就是指交流掉电或近端-48V电源故障。③．设备故障设备故障主要是指设备本身发生故障，一般表现为某模块无法正常工作。④．射频故障射频故障主要是指与射频信号相关的告警，如下行驻波告警，下行输入欠功率，下行输出欠功率等。⑤．近端机故障主要包括有：光收发模块故障、监控盘掉电告警、从电源模块故障、光路故障、主电源模块故障、下行输入欠功率。⑥．远端机故障主要包括有：功放过温、低噪放故障、蓄电池保护、门禁告警、交流掉电、下行驻波故障、光收发模块故障、功放故障、从功放故障、监控盘掉电告警、主电源模块故障、从电源模块故障、监控告警、环境烟雾告警、环境门磁告警、温度过温告警等等。3、日常故障及处理方法a.近端机光模块故障告警故障原因：1）告警所指示的光模块故障；2）告警所指示的光模块联接的光纤发生故障；3）告警所指示的光模块联接的远端机掉电；4）告警所指示的光模块联接的远端机光模块故障。当近端光模块没有检测到远端光模块的发光或在一段时间内无法得到远端设备的响应时，将产生一个告警位，该告警位被监控盘检测到后，由监控盘进行去抖动处理，确认告警位有效后向网管发送告警信息。处理方法：确认远端光模块工作是否正常；确认近端光模块工作是否正常；确认光纤链路是否正常。b.远端机光模块故障告警故障原因：1）远端整机掉电；2）远端光模块故障；3）远端所接光纤故障；4）远端与近端光盘间FSK通信故障。（注：由于远近端光模块之间通过光纤进行的FSK通信存在一定不可靠因素，有时会因远近端光盘FSK通信短时间联系不上造成“远端光模块告警”故障产生，如果在短时间内自动恢复，则对系统监控功能不会造成影响。）处理方式同近端机一样。c.低噪放故障告警故障原因：低噪放模块内部实时检测输入和输出功率，当输出和输入功率之间的增益和设定值不一致时，将产生一个告警位，该告警位被监控盘检测到后，由监控盘进行去抖动处理，确认告警位有效后向网管发送告警信息。处理方法：更换低噪放模块。d.功放故障告警故障原因：主功放模块内部实时检测输入和输出功率，当输出和输入功率之间的增益和设定值不一致时，将产生一个告警位，该告警位被监控盘检测到后，由监控盘进行去抖动处理，确认告警位有效后向网管发送告警信息。由于本机使用双路热备份功放，当主、从任意一路功放发生故障时，会分别产生“功放故障”和“从功放故障”两个告警。处理方法：更换功放模块。e.功放过温告警故障原因：设备中主要发热器件为功放模块，因此功放模块内部有一个温度传感器，当该温度传感器检测到的温度高出设定值时，将产生一个告警位，该告警位被监控盘检测到后，由监控盘进行去抖动处理，确认告警位有效后向网管发送告警信息。处理方法：确认设备温度告警门限设定值是否设定合理；确认功放模块工作是否正常；确认功放散热是否良好。f.门禁告警故障原因：在设备内部安装有一个门磁开关，当设备被打开时，该门磁开关由闭合状态变为断开，从而引起检测电平的改变，监控盘检测到该电平的变化后，将产生一个告警位，该告警位被监控盘检测到后，由监控盘进行去抖动处理，确认告警位有效后向网管发送告警信息。处理方法：确认设备是否开启；确认门磁开关工作是否正常。g.电源模块故障故障原因：设备近、远端都使用双路电源以保证系统稳定供电，当主、从路电源中任意一个电源模块无输出时，都将产生一个告警位，该告警位被监控盘检测到后，由监控盘进行去抖动处理，确认告警位有效后向网管发送告警信息。处理方法：检查电源模块是否无输出，检测电源模块输入的交流电是否正常。h.交流掉电告警故障原因：设备近、远端都使用双路电源以保证系统稳定供电，当主、从路电源中任意一个电源模块无交流电输入时，都将产生一个告警位，该告警位被监控盘检测到后，由监控盘进行去抖动处理，确认告警位有效后向网管发送告警信息，一般伴随有主电源模块故障和从电源模块故障。处理方法：检查电源内部接线是否断开，检测电源模块输入的交流电是否正常。i.监控告警故障原因：该故障出现在远端，说明网管中心无法与远端取得任何联系，可能的情况有两种。一是连接近远端设备的尾纤或光缆断了；二是设备彻底掉电，如果是供电出现问题，在之前应该出现交流掉电和蓄电池保护告警。处理方法：续接光纤或检查供电。2.2.4日常作业检修内容作为通信工，对管内通信设备必须进行日常维护检修，以保证铁路通信系统时刻良好，光纤直放站便是其中重要设备之一。下文主要以作者的工作日常为例，简要对光纤直放站检修作业举例说明。1、作业前准备:交班会：工长布置当天作业内容，明确检修作业负责人、作业人员、作业时间、地点、检修要求。由安全员宣读注意劳动安全和针对性措施的安全预想，做好会议录音记录。工具及仪表准备：通信机房门钥匙、近端机机柜钥匙、远端机开箱钥匙、无水乙醇、脱脂棉、GSM-R手机、万用表、工具箱（包）等。（如果是故障处理，则还需要带上必备的换用模块以及备用电池、光纤头等）材料准备：防水胶带、扎带、抹布、毛刷、绝缘胶带、手套等2、检修内容：（1）设备告警监控和性能监控。（2）查询直放站的工作状态。（3）直放站近、远端机运行状态检查。（4）射频器件、连接线检查。（5）远端机备用通道检查。（6）直放站机柜清扫（7）短段光缆、远端机UPS蓄电池等设备检查。（8）拨打测试。3、检修标准：（1）网管监测显示设备无异常告警、直放站工作状态正常。（2）服务器时间与北京时间保持一致（误差小于一分钟）。（3）现场检查直放站近、远端机运行状态正常。（4）直放站周边无腐蚀性设备，洞室内或机房内无易燃，易爆物品堆放。（5）直放站射频电缆、尾纤、电源线等应紧固，模块、板件之间连线无破损，各个配线接头无破损、松动。（6）机柜上没有异物，近端机与机柜固定螺丝牢固，柜门容易关闭，门锁开关正常，远端机安装牢固，设备无破损。（7）连接直放站的尾纤、馈线、电源线、接地线标签完好，各接头连接牢固，标明路由。（8）蓄电池外观正常、无漏液，各连接线紧固、无破损、无锈蚀，万用表测试UPS蓄电池电压在36V（-10%～+15%）之间浮动。（9）远端机备用光纤连接紧固、外观完好，备用光收功率值在+0dBm到-10dBm之间,光发功率在0dBm到+3dBm之间。（10）保持机身洁净。4、射频器件、连接线及蓄电池等外观检查：（1）检查直放站射频电缆、尾纤、电源线等是否紧固；（2）检查模块、板件之间连线有无破损；检查各个配线接头有无破损、松动；（3）核对标签。（4）检查短段光缆接头是否正常，有无破损、松动；（5）蓄电池外观是否正常，连接线有无破损、松动；用万用表测试蓄电池电压41V。5、直放站机柜清扫打理：（1）检查机柜上是否有异物，并及时清理；是否清洁，并清扫，清扫应自上而下进行；柜门是否容易开闭，门锁是否失灵。使用潮湿抹布擦拭分系统机柜前、后、左、右；（2）先使用毛刷自上而下清扫机框浮灰，再用湿抹布擦拭机柜表面灰尘。6、拨打测试：在直放站天线或漏缆覆盖区域内，用GSM-R测试手机拨打901+铁路区号+车间网调电话，通话话音清晰，无杂音；直放站附近50米场强应大于-60dBm，通话质量(RQ)4级以内。第三章GZF450-Ⅲ型光纤直放站实例3.1主要技术特性3.1.1现场使用安全原则1、环境温度：-25℃～+55℃，相对湿度：≤85%，工作电源：AC220V，容许工作范围：AC220V/DC-48V2、工作频段：前向：467～469MHz、457～459MHz反向：457～459MHz3、工作场所要求：①不应靠近热源；②不应妨碍产品的正常散热；③不应有强磁场干扰；④不应有腐蚀性气体3.1.2技术指标测试项目测试指标前向反向频率范围467～469MHz、457～459MHz457～459MHz发光功率+2dBm～+5dBm最大输出功率GZF450-IIIB37R00JC02A237±2dBm@467～469MHz36±3dBm@457～459MHz0±2dBm最大输入功率3dBm-40dBm标称增益45dB增益调节范围≥30dB增益调节步长1dB增益调节误差增益调节步长误差为小于等于±1dB/每步长；在0-10dB范围内总误差小于等于±1dB；在10-20dB范围内总误差小于等于±1dB；在大于20dB范围内总误差小于等于±1.5dB。带内波动≤3dB（峰峰值）带外杂散发射9kHz-1GHz≤-36dBm/100KHz1GHz-12.75GHz≤-30dBm/1MHz3.1.3设备特点●把一个双工器和两个滤波器整合为一个模块，称之为双工滤波器。●光盘集成了光收、光发、ATT、DET、FSK通信、RS485通信、以及光路状态检测等功能。光路动态范围大，底噪小。●FSK通信采用的是433MHz载波，稳定可靠，动态范围大。●组网方式便捷。采用的是单纤传输，所以一拖多组网只用增加一个光分路器（星型组网，级连组网需要多个光分路器）就可以实现，设备不用增加其他器件或模块。最大支持一拖八的组网方式。3.2设备工作原理3.2.1设备原理框图1、光纤直放站近端GZF450-IIIA图3-1光纤直放站近端原理图（一拖一）图3-2光纤直放站近端原理图（一拖二）2、光纤直放站远端GZF450-IIIB图3-3光纤直放站远端原理图3.2.2工作原理前向链路:基站前向信号通过耦合器送入GZF450-IIIA,首先经过环形器和衰减器,接着进入近端光盘,与近端监控盘的监控信号合路,然后被调制为光信号,最后进入光纤进行长距离传播;信号进入GZF450-IIIB后，经远端光盘将光纤送来的光信号解调为射频信号并送入下级功放放大,同时将其中的监控信号分离出来送给远端监控盘,射频信号经过功放放大后进入双工滤波器滤波,频率为467-469MHz的信号经过双工器的TX口送入下级双工器出整机接入外部天线，频率为457-459MHz的信号经过双工器的RX口到射频开关，射频开关检测信号功率值，当信号功率值达到开启门限后，射频开关DW.L到ANT链路开启，ANT到UP.L链路关断。前向信号经过射频开关后出整机接入外部天线。反向链路:手持台发射的信号通过GZF450-IIIB的外部天线进入双工滤波器滤波,当射频开关ANT到UP.L链路开启时，信号经过射频开关进入低噪放进行放大,接着进入远端光盘与远端的监控信号合路后调制为光信号,最后进入光纤出整机;近端GZF450-IIIA首先用近端光模块将光信号解调为射频信号,并将其中的监控信号分离出来并对射频信号进行一定放大或者衰减的可调性控制,射频信号出光盘以后经功分器分为两路，一路直接出整纪接入信号机；一路通过衰减器后经环形器出整机并通过耦合器进入基站。监控通信:如上所述近远端监控盘通信是通过FSK的方式实现.近端监控盘对远端监控盘进行轮询监控,其中包括数据采集,控制,告警上报工作,所以远端监控盘对于近端监控盘为被动式通信方式.中心网管和近端的主监控盘通信通过E1连接。告警功能:本设备具有所有模块的工作情况告警，收发信号告警，门禁位置告警，掉电告警，主从电源掉电告警，主从电源模块故障告警，驻波比告警等功能，并且可以通过监控界面显示出来。智能功能:本设备还可以通过监控软件对功放的开关量和功率门限值等进行相应的设置，以达到设备智能化工作。3.3设备的维护与保养1.设备维护①设备投入工作后，无特殊情况不需要关机。设备在使用中要保持通风和周围环境干净，避免灰尘进入设备，损坏设备。在工作过程中一旦设备出现异常现象（例如：有异常声音或气味），应立即关断电源,停止使用。设备在以下环境条件中可以正常工作：环境温度：+5℃～40℃，相对湿度：≤85%②如果出现收不到信号或信号很弱，设备工作无异常，应检查设备输入输出射频口连接是否松动或者查看天线方位角是否发生了改变。若发现天线改变方位角，应及时调整天线并重新固定。③设备正常工作时，如无必要不应触及设备及设备间连线，以免造成接头松动及接触不良。若设备出现故障，绝不能擅自拆开设备间连线或打开设备，以免造成意外。2.设备保养①建议用户经常通过监控中心检查直放站工作是否正常；一般情况下每周应对设备的工作状态作一次详细的检查并记录。②定期到站址现场进行检查，建议用户每三个月检查一次,主要检查设备天馈系统及附件的固定是否有松动，接地系统及接地是否仍然良好，供电系统是否稳定安全可靠。③若整个网络监控部分覆盖区域异常，监测相关基站的同时，应及时通过监控中心对与该区域有关和可能有关的环节进行仔细检查，确认是否正常工作。第四章光纤直放站的发展趋势4.1目前在铁路通信系统中的应用早期的铁路无线通信覆盖网络主要采用的是中继器设备，但是在近几年来，由于直放站设备技术的飞速发展，使得直放站尤其是光纤直放站逐渐被铁路通信系统采纳。在直放站设备应用初期，铁路上采用了少量的无线直放站加干放的方式对无线覆盖网络进行优化，后来由于光纤光缆在铁路上的大量使用，无线、干放类直放站设备的应用范围缩小，而光纤直放站则开始在新建线路及既有线路扩能、复线改造中被大量应用，成为当前铁路通信系统中最重要的使用设备之一。光纤直放站是融合光纤通信技术和无线通信技术于一体的信号传播设备，在传输信号的同时既不会降低网络质量，又能节省设备投资和后期维护费用。因此光纤直放站作为目前实现铁路通信系统“小容量、大覆盖”的目标是重要手段之一。4.2未来发展趋势近年来，铁路通信系统方面的技术在不断提高和进步，极大地推动了我国铁路现代化、信息化的发展，有效地提高了劳动生产率、降低了铁路运输成本、保障了铁路行车安全和改善了运输服务等。但是由