武廣客運專線GSM-R系統(tǒng)集成技術(shù)研究

邸士萍

（北京全路通信信號研究設(shè)計院，北京 100073）

1 概述

武廣客運專線是迄今為止世界上一次建設(shè)里程最長、運營速度最高的高速鐵路，線路全長1 068.6 km，設(shè)計時速350 km。武廣客運專線首次采用具有世界一流水平的CTCS-3（以下簡稱C3）級列控系統(tǒng)，滿足了時速350 km、動車運行3 min間隔的列車運行指揮和控制要求，掀開了中國列控發(fā)展史的新篇章。而GSM-R系統(tǒng)，也因承載了列控系統(tǒng)車-地雙向信息的無線傳送，成為武廣客運專線系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)之一。

本文將圍繞C3級業(yè)務(wù)的應(yīng)用，從集成設(shè)計、施工調(diào)試及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等方面闡述武廣GSM-R系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)。

2 武廣GSM-R系統(tǒng)集成設(shè)計

優(yōu)秀的系統(tǒng)設(shè)計是集成工作順利開展的前提，這對于承載C3業(yè)務(wù)GSM-R系統(tǒng)尤為重要。

2.1 提高GSM-R系統(tǒng)可靠性的措施

C3業(yè)務(wù)的應(yīng)用對GSM-R系統(tǒng)的可靠性提出了較高的要求，在通信組網(wǎng)上，采取了多種技術(shù)措施，保障無線通信的穩(wěn)定運用。

（1）武廣客運專線采用單網(wǎng)交織的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)場強的冗余覆蓋。線路上任意地點均有兩個無線基站的信號覆蓋達標；光纖直放站設(shè)備也按照冗余覆蓋的原則，分別接入左、右兩個相鄰基站的信號，構(gòu)成冗余覆蓋，提高了無線網(wǎng)絡(luò)保障能力。這樣的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，保證了線路上單個基站或直放站設(shè)備故障時無線覆蓋正常，系統(tǒng)整體性能不劣化，不影響業(yè)務(wù)應(yīng)用。

（2）無線基站傳輸通道采用環(huán)形組網(wǎng)技術(shù)。無線基站與基站控制系統(tǒng)的連接，采用多個基站2 M電路環(huán)形組織的技術(shù)方案，在光纜線路或傳輸系統(tǒng)中斷、故障條件下，自動實現(xiàn)傳輸通道的迂回保護，提高無線網(wǎng)絡(luò)傳輸通道的保障能力。

（3）GSM-R核心節(jié)點與無線閉塞中心（RBC）的連接。為了進一步提高C3系統(tǒng)車-地信息傳輸?shù)目煽啃裕琑BC到GSM-R核心節(jié)點交換機的傳輸為光纜物理徑路雙路由的可靠配置；RBC的設(shè)計在容量方面也考慮了1+1冗余，即每個RBC實際最大容量為120個列控終端，工程中按照最大容量60列車配置。

2.2 MSC、BSC分界點與RBC移交區(qū)的設(shè)計

由于移動終端通過MSC和BSC分界點時，有大量的信令交互，C3系統(tǒng)車載設(shè)備通過RBC移交區(qū)時，也有大量C3業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送，因此，設(shè)計時應(yīng)使MSC和BSC分界點與RBC移交區(qū)錯開，避免發(fā)生應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸錯誤。

2.3 基站間距

C3級對GSM-R系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）指標提出了要求，在網(wǎng)絡(luò)注冊時延、連接建立時間、連接建立失敗概率、端到端數(shù)據(jù)傳輸時延、連接失效概率、傳輸干擾時間及恢復(fù)時間等方面做出了規(guī)定。其中，傳輸干擾時間及恢復(fù)時間對基站的站間距提出了要求。

指標要求上、下行傳輸干擾99%概率下小于1 s，95%概率下小于0.8 s；傳輸恢復(fù)時間99%概率下大于7 s，95%概率大于20 s。這個指標是對GSM-R網(wǎng)外干擾和網(wǎng)內(nèi)系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化的綜合要求。一方面，要通過電磁環(huán)境測試和清頻工作，克服中國移動等運營商對于GSM-R網(wǎng)絡(luò)的干擾；另一方面，優(yōu)化設(shè)計方案，也可避免不必要的指標下降。目前，設(shè)計時速350 km的客運專線線路，GSM-R系統(tǒng)均采用單網(wǎng)交織的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和抗外網(wǎng)干擾的能力，但是單點故障不造成系統(tǒng)指標下降這一要求，也會因地形原因造成基站間距過小，并進一步造成相鄰兩次切換距離過短，影響傳輸恢復(fù)時間。

由于移動終端從一個基站向另一個基站移動時要進行小區(qū)切換，切換會引起小于0.5 s的數(shù)據(jù)傳輸中斷，這個中斷對于列控業(yè)務(wù)即為傳輸干擾。相鄰兩次切換之間如果沒有其他干擾則視為傳輸恢復(fù)，指標要求95%的傳輸恢復(fù)時間應(yīng)大于20 s。如果連續(xù)幾個基站間距過小（<1 944 m），則列車在時速350 km下，相鄰兩次切換間隔很難控制在20 s以下，這就會造成傳輸恢復(fù)時間小于20 s，使指標劣化。

因此，在GSM-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時就要考慮這個因素，理論上在設(shè)計時速350 km時，基站間距建議大于1 944 m，再考慮切換觸發(fā)地點的不確定性，還應(yīng)適當(dāng)加大，可控制在3～3.5 km范圍內(nèi)。

2.4 隧道口直放站設(shè)計

武廣客運專線隧道長度168.743 km，占線路總長的17.4%。

由于采用單網(wǎng)交織，每個直放站遠端機都需要與相鄰的兩個基站相連，以其中一個基站的信號作為主用，另一個作為備用。當(dāng)隧道口直放站與備用宿主基站的距離大于800 m時，一般將切換區(qū)設(shè)置在該直放站與備用宿主基站之間，如圖1所示。這種設(shè)計，如果不考慮一些細節(jié)，會存在一定的問題。當(dāng)圖1中DK1200+810直放站宕機時，由于基站6的信號無法在DK1200+810與DK1202+900間提供理想的覆蓋，導(dǎo)致基站6到基站7的切換無法正常，可能導(dǎo)致切換失敗引起的掉話。

這種情況，在武廣線較多，可以考慮在漏纜末端（DK1200+810）增加耦合器，并通過饋線將此耦合信號輸入至隧道口天線，將基站6（DK1200+460）的信號提取并輻射至圖1中DK1200+810至DK1202+900之間的空間區(qū)域；原隧道口單極化天線需更換為雙極化天線；對于漏纜長度較長，損耗較大的，選用3 dB功分器取代耦合器，同時個別天線選用21 dBi高增益雙極化天線。通過上述措施，解決了隧道口直放站切換問題。

具體的連接方式如圖2所示。

2.5 隧道內(nèi)直放站設(shè)計

個別隧道內(nèi)直放站宕機時，由于連接關(guān)系配置問題，導(dǎo)致主用宿主基站的信號突然衰減，可能會由于來不及切換而掉話。

如圖3所示，基站19、20之間設(shè)有3個直放站遠端機。設(shè)備工作正常時，基站19、20在DK1828+855和DK1829+855兩個直放站遠端機之間切換。當(dāng)DK1829+855直放站宕機時，切換不能在設(shè)計的切換帶進行，而是轉(zhuǎn)移到DK1829+855至DK1830+855區(qū)段內(nèi)。但這一段由于DK1829+855直放站宕機，沒有基站19（DK1827+850）的信號，所以，當(dāng)機車臺運行至DK1829+855至DK1830+855區(qū)段內(nèi)時，基站19的信號將突然消失，不能實現(xiàn)從基站19到20的切換而掉話。

如果將基站20的位置移至DK1830+855之后，可以解決上述問題。

總結(jié)規(guī)律，隧道內(nèi)直放站設(shè)置應(yīng)遵循以下原則：切換帶兩端單側(cè)遠端機數(shù)量應(yīng)為兩個或兩個以上。這樣，在切換帶兩端的某個遠端機故障時，切換帶向左或向右移動，但不會導(dǎo)致切換失敗。

2.6 相鄰短隧道間空間覆蓋方案

相鄰兩個短隧道之間的空間部分，如果距離小于600 m，宜采用漏泄電纜貫通，這樣不僅可以省去設(shè)置在一個隧道口的直放站，還可以避免空間波躍入隧道內(nèi)，增加網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的工作量。

3 武廣線GSM-R系統(tǒng)施工及調(diào)試

3.1 隧道口基站、直放站設(shè)置地點

根據(jù)設(shè)計方案，設(shè)置在隧道口的基站或直放站，其位置一般按照隧道出口考慮，但在實際施工中，因征地等原因，經(jīng)常移至距離隧道口幾十米或一百多米的位置。系統(tǒng)建成后，隧道口至設(shè)備放置地點之間的空間，由于是定向天線的背瓣覆蓋，出現(xiàn)信號電平的急劇下降，雖然信號電平值也在覆蓋指標要求之上，但這種突變會對數(shù)據(jù)或語音通信的質(zhì)量造成不良影響，工程中應(yīng)盡量使設(shè)備設(shè)置在隧道口，如確有困難，應(yīng)在基站或直放站處向隧道口方向設(shè)置小天線覆蓋這段區(qū)域。

3.2 直放站子系統(tǒng)短段光纜使用

武廣線地形復(fù)雜，隧道眾多，因此使用了大量的直放站對隧道區(qū)段進行覆蓋，隨之而來的是直放站近端機和遠端機之間的大量光纖需求。武廣線每處直放站有3根光纖與之相連，其中2根主光纖連接至主用基站，1根從光纖連接至備用基站；武廣線的短段光纜在充分利用光纜資源、為每根從光纖備用1根光纖的前提下，最大限度地降低光纖數(shù)量，降低了工程成本。

4 GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

4.1 優(yōu)化目的及優(yōu)化前提

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，其目標是使GSM-R系統(tǒng)的場強覆蓋和QoS指標達到承載業(yè)務(wù)的要求。網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，不能克服系統(tǒng)設(shè)計的缺陷，因此，合理的設(shè)計方案是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)果達標的前提。如前所述，如果基站間距在設(shè)計之初就不能達到要求，則傳輸恢復(fù)時間必定不能達標；同樣，如果各基站頻率配置不合理，存在GSM-R網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部干擾，也影響系統(tǒng)指標。此外，傳輸干擾指標還受外網(wǎng)干擾的影響，網(wǎng)優(yōu)工作做得再徹底，如果有大量外部強干擾存在，系統(tǒng)指標也不能達標，甚至?xí)绊懢W(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的正常進行，所以網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化開始前，應(yīng)進行電磁環(huán)境測試和清頻，清除外網(wǎng)干擾。

4.2 GSM-R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化需在電磁環(huán)境測試和清頻工作完成的基礎(chǔ)上進行，分為4步，即頻率核查、覆蓋優(yōu)化、切換優(yōu)化、QoS達標優(yōu)化。

4.2.1 頻率規(guī)劃方案優(yōu)化

合理的頻率規(guī)劃也是消除網(wǎng)內(nèi)干擾、提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量指標、保證C3業(yè)務(wù)正常運營所必須的。GSM-R使用頻段：上行為885～889 MHz，下行為930～934 MHz。武廣客運專線頻率分配方案按照六頻組復(fù)用的方式進行，但由于車站基站為O3或O4站型，六頻組復(fù)用規(guī)律被打亂，會導(dǎo)致同頻復(fù)用距離變近，加之工程實施過程中由于各種因素，也可能出現(xiàn)與設(shè)計方案不相符的現(xiàn)象。當(dāng)BCCH同頻復(fù)用距離過近時，可能導(dǎo)致比較嚴重的網(wǎng)內(nèi)干擾，造成切換失敗、CSD傳輸誤碼率高甚至掉話等問題，因此需對相關(guān)基站頻率方案進行核查，優(yōu)化配置。

武廣線某段線路優(yōu)化前的頻率配置如表1所示。其中，BTS02與BTS05的BCCH載頻同頻。

表1 頻率配置方案舉例（優(yōu)化前）

在這種情況下，在BTS02至BTS05之間，就存在同頻干擾。這種同頻干擾，使業(yè)務(wù)通信質(zhì)量下降甚至掉話，使切換成功率降低，也會導(dǎo)致連接建立成功率的降低，這將直接劣化整網(wǎng)的QoS指標。

修改后的頻率配置方案如表2所示。

表2 頻率配置方案舉例（優(yōu)化后）

由此可見，頻率配置的核查是GSM-R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的重要一環(huán)，在現(xiàn)有頻率資源的前提下，頻率規(guī)劃的原則是按照六頻組復(fù)用的原則，盡量加大同頻復(fù)用距離。

4.2.2 覆蓋優(yōu)化

覆蓋優(yōu)化的目的有2個：一是使覆蓋電平達到設(shè)計指標的要求，最大限度地消除盲區(qū)；二是調(diào)整基站覆蓋區(qū)至理想的范圍，為切換調(diào)整奠定基礎(chǔ)。目前的設(shè)計，電平一般高于指標要求，因此優(yōu)化重點在于后者。

覆蓋優(yōu)化手段主要如下。

（1）調(diào)整天線的俯仰角和方向角

調(diào)整天線需要施工人員的配合，且調(diào)整工期一般比較長，在現(xiàn)實操作中，將耗費較多的時間。

（2）調(diào)整基站的發(fā)射功率

弱場區(qū)可提高基站發(fā)射功率，越區(qū)覆蓋的降低發(fā)射功率。需要注意的是，調(diào)整發(fā)射功率在網(wǎng)絡(luò)有關(guān)參數(shù)不變的前提下，會使切換位置發(fā)生變化。

（3）調(diào)整直放站遠端機的衰減和增益

如圖4所示，直放站1和直放站2主信號為黑色，從信號為白色；直放站3主信號為白色，從信號為黑色，切換在直放站2與3之間。黑、白2個信號分別來自左右兩個相鄰基站。根據(jù)設(shè)計方案，主信號應(yīng)高于從信號6 dB。圖中為優(yōu)化前的場強曲線，直放站1與2之間有很長一段主信號（黑色）與從信號（白）幾乎無差值，這可能會導(dǎo)致切換提前，并進一步導(dǎo)致乒乓切換。因此，需要通過減小黑色信號的衰減或加大白色信號的衰減來解決。

4.2.3 切換調(diào)整

切換調(diào)整應(yīng)重點考慮以下幾個方面。

（1）切換優(yōu)化的目標

切換優(yōu)化的目標是使兩次切換的間隔應(yīng)大于20 s（與速度有關(guān)，時速350 km時，按照2 km考慮），同時通過調(diào)整切換位置，使上下行切換點相對均勻，確保正常情況下無緊急切換發(fā)生。

（2）高速、低速切換的不同點

高速和低速切換優(yōu)化存在一定的差異。高速時希望切換盡早發(fā)生，避免“猶豫不決”的切換判定，導(dǎo)致切換發(fā)生到下個基站附近；低速時則希望切換的判定更加“謹慎”，避免乒乓切換。因此，一般來講，高速時切換余量和窗口值都應(yīng)設(shè)得較小，低速時較大，但由于實際工程情況千變?nèi)f化，優(yōu)化時應(yīng)在該原則的基礎(chǔ)上靈活掌握。

（3）直放站區(qū)段優(yōu)化

直放站漏纜區(qū)段的優(yōu)化必須在直放站開通并完成相關(guān)調(diào)試的基礎(chǔ)上進行，這一點通過直放站區(qū)段的覆蓋測試可以驗證。

（4）室內(nèi)覆蓋與正線的優(yōu)化

武廣線共18個車站，為滿足站內(nèi)鐵路人員的通信需求，設(shè)置了室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)。當(dāng)站內(nèi)用戶較多時，室內(nèi)覆蓋設(shè)置單獨的基站作為信源，武漢、長沙、廣州站就是這種情況。此時，要考慮正線與室內(nèi)覆蓋之間的切換優(yōu)化。

為保證C3級的正常運行，減少不必要的切換帶來的傳輸干擾，需要優(yōu)化和調(diào)整室內(nèi)覆蓋基站與正線基站間切換參數(shù)，保證正線列車不切入室內(nèi)覆蓋基站。

（5）正線與聯(lián)絡(luò)線的優(yōu)化

聯(lián)絡(luò)線是聯(lián)系武廣正線與其他正線的鐵路，聯(lián)絡(luò)線與正線銜接區(qū)段的優(yōu)化主要考慮兩個方面的因素：一方面要保證武廣正線的C3列車不切入聯(lián)絡(luò)線并引發(fā)進一步的掉話，另一方面也要保證聯(lián)絡(luò)線的列車順利接入武廣正線。

（6）半數(shù)基站的優(yōu)化

單網(wǎng)交織的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性，即：無線設(shè)備單點故障時，系統(tǒng)整體性能不下降。因此，在全線基站正常工作情況下的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化完成后，需要進行半數(shù)基站（包括奇數(shù)站、偶數(shù)站）的優(yōu)化。

半數(shù)站優(yōu)化要確保全基站的優(yōu)化成果，因此建議不再調(diào)整天線覆蓋、切換窗口類參數(shù)，可以調(diào)整有第二相鄰關(guān)系的奇數(shù)或偶數(shù)站的切換余量參數(shù)和防回切參數(shù)，必要時可以將切換余量參數(shù)設(shè)大一些，需要改小的時候要謹慎，防止無單點故障時切換跳站，發(fā)生紊亂。防回切參數(shù)可以靈活運用，它在某些情況下起到了類似窗口類參數(shù)的作用，特別是在相鄰奇數(shù)或偶數(shù)基站之間電平相近的區(qū)段比較長的時候，如果車速較低，可能會發(fā)生回切，此時可以考慮加大此值。

4.2.4 QoS指標測試

網(wǎng)優(yōu)要基于大量測試進行，安排足夠的測試可以確保對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的全面了解，確保盡可能多的發(fā)現(xiàn)潛在的問題，因此耗時較長。應(yīng)根據(jù)測試結(jié)果，進行全面分析，對癥下藥，按照測試—發(fā)現(xiàn)問題—進行調(diào)整—復(fù)測調(diào)整結(jié)果的往復(fù)循環(huán)，不斷提高網(wǎng)絡(luò)性能。

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是一項循序漸進、精益求精的工作，建設(shè)階段有，維護階段仍要繼續(xù)，不能急于求成。在各項業(yè)務(wù)的應(yīng)用過程中，可以對網(wǎng)優(yōu)結(jié)果進行驗證，進一步發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。

5 C3級車-地信息傳送應(yīng)用速率的選取

5.1 不同的應(yīng)用速率對GSM-R網(wǎng)絡(luò)需求的理論分析

對于9.6 kb/s的數(shù)據(jù)信道，其業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)速率為48 b/5 ms，按照一定的格式填充控制信息bit后，形成60 b/5 ms的數(shù)據(jù)流，每4個60 b的數(shù)據(jù)塊在尾部追加0000共4個bit，成為244個bit的數(shù)據(jù)流，再按照1/2卷積編碼后形成488個bit的數(shù)據(jù)流，但刪除其中32個冗余bit，形成456 b的數(shù)據(jù)流，這456 b傳送時間為20 ms，因此碼流速率為22.8 kb/s。

對于4.8 kb/s的數(shù)據(jù)信道，其業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)速率為48 b/10 ms，按照一定的格式填充控制信息bit后，形成60 b/10 ms的數(shù)據(jù)流，每個60 b的數(shù)據(jù)塊在尾部追加16個0 bit，成為76個bit的數(shù)據(jù)流，再將兩個76 b聯(lián)合在一起，形成152 b的數(shù)據(jù)流，按照1/3卷積編碼后形成456個bit的數(shù)據(jù)流，碼流速率也是22.8 kb/s。

從上述分析可見，9.6 kb/s和4.8 kb/s的卷積編碼的性能不同，較低的數(shù)據(jù)速率增加了更多的冗余碼，提高了糾錯能力，帶來了更加安全穩(wěn)定的傳輸效果。在相同的網(wǎng)絡(luò)和環(huán)境下，4.8 kb/s的業(yè)務(wù)速率應(yīng)該較9.6 kb/s有更好的通信效果。

5.2 武廣試驗段測試結(jié)論

通過對武廣試驗段的大量測試數(shù)據(jù)進行分析，認為，4.8 kb/s的應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸速率容易獲得穩(wěn)定可靠的傳輸效果，在目前滿足C3系統(tǒng)應(yīng)用需求，并為C3級車-地信息傳送數(shù)據(jù)量的加大預(yù)留了一定空間的情況下，是比較適合C3系統(tǒng)的傳輸速率，這一點可以從以下幾方面得到驗證。

（1）在相同的網(wǎng)絡(luò)條件、相同的移動終端模塊和相同的運行速度前提下，4.8 kb/s傳輸干擾時間和傳輸恢復(fù)時間的指標明顯優(yōu)于9.6 kb/s。

表3是武廣試驗段CSD業(yè)務(wù)的實測結(jié)果。

表3 9.6 kb/s與4.8 kb/s傳輸干擾率測試結(jié)果對比

（2）隨著運行速度的提高，在9.6 kb/s情況下，速度高于240 km/h時，非切換引起的傳輸干擾次數(shù)明顯增多，且速度高于340 km/h時，傳輸干擾次數(shù)成倍增長；4.8 kb/s情況下，速度高于300 km/h時，非切換因素引起的傳輸干擾明顯增多，300 km/h以下時基本沒有非切換引起的傳輸干擾。

通過對大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，得到不同速度等級下每發(fā)送萬幀數(shù)據(jù)被干擾的數(shù)據(jù)幀數(shù)，得到以下傳輸干擾隨速度分布示意圖，如圖5、6所示，可以說明上述問題。

（3）4.8 kb/s較9.6 kb/s時數(shù)據(jù)重傳次數(shù)減少

通過對Igsm-R接口（列控車載臺內(nèi)部模塊與MT模塊之間的接口）監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息的解析，統(tǒng)計得到相同測試距離下應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸速率為4.8 kb/s和9.6 kb/s時數(shù)據(jù)重傳次數(shù)的比較結(jié)果如表4所示。

表4 9.6 kb/s與4.8 kb/s數(shù)據(jù)重傳次數(shù)對比

顯然，應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸速率為4.8 kb/s時重傳次數(shù)明顯減少。

以上測試證明了4.8 kb/s傳輸速率是適合C3系統(tǒng)應(yīng)用的，為武廣客運專線C3系統(tǒng)最終采用4.8 kb/s傳輸速率提供了依據(jù)。

6 結(jié)束語

在武廣客運專線GSM-R系統(tǒng)集成過程中，我們積累了大量寶貴的經(jīng)驗，同時也發(fā)現(xiàn)了一些新的問題。應(yīng)在后續(xù)的客運專線、新建線GSM-R系統(tǒng)建設(shè)中不斷探索，為我國鐵路通信事業(yè)的發(fā)展貢獻力量！