典型鐵路并線(xiàn)區(qū)段GSM-R覆蓋方案研究

安三力 丁 珣

（中鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司，北京 100176）

1 概述

隨著我國(guó)高速鐵路和客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)的快速建設(shè)以及既有線(xiàn)和編組站的電氣化改造的快速進(jìn)行，應(yīng)用GSM-R網(wǎng)絡(luò)的鐵路線(xiàn)路和編組站越來(lái)越多。在GSM-R網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)過(guò)程中，存在著不同鐵路線(xiàn)路在地理位置上相隔很近、完全并行或相互跨越的情況。由于中國(guó)鐵路GSM-R只有4 MH z頻率資源，因此，如何在保證并線(xiàn)區(qū)段無(wú)線(xiàn)覆蓋的前提下有效地運(yùn)用有限的頻率資源并避免網(wǎng)內(nèi)干擾是GSM-R網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的重點(diǎn)；另外，由于各線(xiàn)路的建設(shè)工期和模式不同，后規(guī)劃線(xiàn)路的覆蓋方案要兼顧考慮到既有線(xiàn)路的規(guī)劃情況，因而難度加大。

2 鐵路并線(xiàn)

鐵路并線(xiàn)主要分為并行、多條鐵路線(xiàn)交匯兩種情況。

并行區(qū)段指在某個(gè)區(qū)域至少有兩條鐵路線(xiàn)路相距很近，近乎平行。對(duì)于這種情況，從節(jié)省頻率以及降低工程建設(shè)投資的角度出發(fā)，在具備共線(xiàn)覆蓋條件的并線(xiàn)區(qū)段優(yōu)先考慮采用共基站的覆蓋方式，并根據(jù)各條線(xiàn)路業(yè)務(wù)需求對(duì)基站容量進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃。

多條鐵路線(xiàn)路交匯區(qū)域的典型結(jié)構(gòu)可以分為交匯點(diǎn)、交匯點(diǎn)無(wú)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)、交叉點(diǎn)帶聯(lián)絡(luò)線(xiàn)等結(jié)構(gòu)形式，在交匯點(diǎn)和交叉帶聯(lián)絡(luò)線(xiàn)結(jié)構(gòu)形式下，宜采用共基站覆蓋模式，交叉無(wú)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)結(jié)構(gòu)可根據(jù)頻率資源情況，確定采用共基站或分設(shè)基站覆蓋方式，也可采用數(shù)字光纖射頻拉遠(yuǎn)單元RRU來(lái)作為基站的延伸系統(tǒng)擴(kuò)大單小區(qū)的覆蓋范圍。下面分別討論這兩種方案的典型案例。

3 鄭武客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)與合武鐵路并線(xiàn)區(qū)段GSM-R覆蓋方案

圖1為武漢北周邊區(qū)域線(xiàn)路示意圖。此區(qū)域聚集了京廣客線(xiàn)、京廣貨線(xiàn)、合武鐵路、鄭武客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)等多條鐵路以及武漢北編組站，其中武漢北編組站為組網(wǎng)性編組站，規(guī)模為雙向三級(jí)七場(chǎng)。京石武客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)在橫店?yáng)|站附近與合武鐵路并行17 km后在灄口站區(qū)域分叉后經(jīng)天興洲大橋進(jìn)入武漢站，合武鐵路高架引入漢口站。

3.1 基站布設(shè)方案

在完全并線(xiàn)區(qū)段采用共用基站的覆蓋模式，合武鐵路為先期規(guī)劃鐵路，為單網(wǎng)覆蓋，基站間距4.8 km左右，為滿(mǎn)足京石武列控線(xiàn)路的無(wú)線(xiàn)冗余覆蓋的要求，此區(qū)段在利用既有合武基站的情況下增設(shè)基站滿(mǎn)足單網(wǎng)交織覆蓋，在線(xiàn)路交匯點(diǎn)，采用同站址冗余覆蓋方案。

3.2 基站容量的確定

在鐵路并線(xiàn)區(qū)域，GSM-R系統(tǒng)為列車(chē)運(yùn)行提供以下業(yè)務(wù)。

1）語(yǔ)音業(yè)務(wù)：語(yǔ)音組呼、語(yǔ)音廣播、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)呼叫、鐵路緊急呼叫等方式。

2）電路方式數(shù)據(jù)傳輸：為CTCS-3級(jí)列控車(chē)載子系統(tǒng)與列車(chē)控制中心進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸提供通道。

3）GPRS方式數(shù)據(jù)傳輸：傳輸列車(chē)車(chē)次號(hào)及列車(chē)調(diào)度命令等數(shù)據(jù)。

該并線(xiàn)區(qū)段聚集了合武鐵路、京廣鐵路，為列控與非列控線(xiàn)路并行區(qū)段，基站間距按照單點(diǎn)故障狀態(tài)為5 km左右，并線(xiàn)區(qū)段按最小發(fā)車(chē)間隔時(shí)間、車(chē)速等來(lái)計(jì)算一個(gè)小區(qū)內(nèi)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)等話(huà)務(wù)量。

首先計(jì)算每個(gè)基站覆蓋區(qū)域內(nèi)的列車(chē)數(shù)，采用如下公式。

Train_track=(n×L_track)/(Speed_track×T_train )

其中：

n：并行路軌數(shù)量；

L_track：覆蓋軌道長(zhǎng)度；

Speed_track：該段路軌列車(chē)速度范圍，由于該段為城區(qū)且快進(jìn)入車(chē)站，因此取值為100 km/h；

T_train：相鄰兩輛列車(chē)時(shí)間間隔，取列車(chē)追蹤間隔為3 m in；

Train_track=(4×5 km)/(100 km/h×3 m in)

根據(jù)公式計(jì)算出并線(xiàn)區(qū)段每基站的列車(chē)數(shù)約為4列列車(chē)。假設(shè)每列車(chē)上3個(gè)用戶(hù)，地面用戶(hù)每小區(qū)8個(gè)用戶(hù)。其話(huà)務(wù)量計(jì)算如下。

語(yǔ)音組呼話(huà)務(wù)量：0.05 Erl/用戶(hù)×3用戶(hù)/列車(chē)×4列車(chē)=0.6 Erl

語(yǔ)音廣播話(huà)務(wù)量：0.017 Erl/用戶(hù)×3用戶(hù)/列車(chē)×4列車(chē)=0.204 Erl

列車(chē)用戶(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)呼叫話(huà)務(wù)量：0.015 Er l/列車(chē)×4列車(chē)=0.06 Erl

地面用戶(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)呼叫話(huà)務(wù)量：0.02 Er l/用戶(hù)×8用戶(hù)/小區(qū)=0.16 Erl

總語(yǔ)音業(yè)務(wù)話(huà)務(wù)量為1.024 E r l, 根據(jù)愛(ài)爾蘭B表，在呼損率為0.5%的情況下需要5個(gè)信道。

CTCS-3業(yè)務(wù)：4×1TCH=4TCH

信道總需求為：

5TCH+4TCH+2TCH(GPRS)+1(BCCH)+1(SDCCH)=13TCH

因此，可以得出該并線(xiàn)區(qū)段兩線(xiàn)共用基站的容量為2TRX，在上述基礎(chǔ)上另外考慮1個(gè)載頻單元的備份，并線(xiàn)區(qū)段在載頻資源充足時(shí)可配備3載頻基站；在頻率資源有限的情況下，基站載頻配置可以采用O（2+1）的方式，既2載頻工作，另1載頻備用，在工作載頻故障的情況下，再啟用備用載頻。

3.3 基站頻率規(guī)劃

在并線(xiàn)區(qū)段頻率規(guī)劃，有如下原則。

1）非列控區(qū)段同頻干擾C/Ic≥12 d B；列控區(qū)段C/Ic≥25 d B（正常模式，經(jīng)驗(yàn)值）C/Ic≥15 d B（故障模式）；鄰頻干擾間隔200 k H z：C/Ia≥-6 dB 間隔400 kHz：C/Ia≥-38 dB。

2）優(yōu)先滿(mǎn)足列控區(qū)段頻率使用要求。

3）對(duì)既有網(wǎng)絡(luò)影響最小。

4）并線(xiàn)區(qū)段采用O（2+1）的配置。

鄭武客專(zhuān)采用6頻組的復(fù)用方案，根據(jù)以上原則進(jìn)行該規(guī)劃，并線(xiàn)區(qū)段需要對(duì)相關(guān)既有合武基站覆蓋頻點(diǎn)進(jìn)行修改以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)劃。

3.4 基站相鄰關(guān)系

由于該并線(xiàn)區(qū)段交匯線(xiàn)路多，各線(xiàn)路規(guī)劃和建設(shè)時(shí)間不同，各線(xiàn)路基站所屬BSC也不盡相同，再加上GSM-R可使用頻率資源稀缺，因此，為了防止出現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)在交叉口各線(xiàn)路之間發(fā)生乒乓切換和跨BSC切換，需要該區(qū)域基站的切換關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，為后續(xù)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化以及GSM-R電路域服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)達(dá)標(biāo)減少阻礙。

圖2給出了規(guī)劃之后的基站布設(shè)以及切換關(guān)系。該方案在灄口分岔口附近的鄭武線(xiàn)基站Zheng-W u DK 1174+600設(shè)置雙基站，保證此處不會(huì)宕站，并增加兩面天線(xiàn)覆蓋西北及西南方向，周?chē)幕径寂c此基站做相鄰小區(qū)，所有線(xiàn)路都要切換到此基站進(jìn)行過(guò)渡，并且不同線(xiàn)路之間基站除了此處的雙基站外沒(méi)有相鄰關(guān)系。同時(shí)，由于在該區(qū)域規(guī)劃基站較多，為避免相互之間的過(guò)覆蓋及干擾，建議降低該區(qū)域基站的天線(xiàn)掛高，并在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化期間根據(jù)實(shí)際測(cè)試情況，對(duì)天線(xiàn)的方向角以及俯仰角進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

4 盤(pán)營(yíng)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)與哈大客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)聯(lián)絡(luò)區(qū)段GSM-R覆蓋方案

盤(pán)營(yíng)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)位于遼寧省中南部，沿途經(jīng)過(guò)遼寧省的錦州、盤(pán)錦和鞍山市。本線(xiàn)是哈大客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)與秦沈線(xiàn)的聯(lián)絡(luò)線(xiàn)，起于秦沈線(xiàn)上的盤(pán)錦北車(chē)站，終于哈大客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)上的下夾河線(xiàn)路所，線(xiàn)路全長(zhǎng)89.422 km。其中盤(pán)營(yíng)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)與哈大客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)聯(lián)絡(luò)區(qū)段為典型的交叉帶聯(lián)絡(luò)線(xiàn)結(jié)構(gòu)，且哈大客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)為先期規(guī)劃線(xiàn)路，下面對(duì)這種并線(xiàn)情形的GSM-R覆蓋方案進(jìn)行研究。

哈大客專(zhuān)采用單網(wǎng)交織覆蓋方案，盤(pán)營(yíng)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)中小線(xiàn)路所與哈大客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)DK 249+500、DK 246+163這三個(gè)基站位置為盤(pán)營(yíng)線(xiàn)與哈大線(xiàn)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)，如圖3所示，哈大客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)工程中DK 249+500、DK 246+163已采用BBU+RRU形成共小區(qū)，并且已經(jīng)預(yù)留了為盤(pán)營(yíng)客專(zhuān)中小線(xiàn)路所基站接入條件，即中小線(xiàn)路所采用RRU，分別與DK 249+500、DK 246+163的BBU通過(guò)短段光纜相連形成共小區(qū)，避免頻繁切換。

使用該方法可以實(shí)現(xiàn)交叉口由同一小區(qū)信號(hào)覆蓋，沒(méi)有小區(qū)切換發(fā)生，容易避免交叉口不同線(xiàn)路車(chē)載臺(tái)的誤切換。但工程實(shí)施過(guò)程中需要調(diào)整哈大客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)BBU的物理連接以及相關(guān)參數(shù)，一個(gè)小區(qū)覆蓋的距離達(dá)3*3+2*3=15 km， 單個(gè)小區(qū)故障影響較大，且在交叉區(qū)域的車(chē)載設(shè)備將收到來(lái)自于三個(gè)發(fā)射源的同頻信號(hào)，系統(tǒng)內(nèi)部干擾需要慎重對(duì)待，在后續(xù)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過(guò)程中應(yīng)作為重點(diǎn)區(qū)段。

5 結(jié)束語(yǔ)

鐵路并線(xiàn)區(qū)段往往地形相對(duì)復(fù)雜，線(xiàn)路平行間距或近或遠(yuǎn)，可能有山或樓體阻擋，造成GSM-R無(wú)線(xiàn)覆蓋困難；另外線(xiàn)路等級(jí)也各不相同，各線(xiàn)路GSM-R無(wú)線(xiàn)覆蓋和性能指標(biāo)要求各有不同，再加上中國(guó)鐵路GSM-R系統(tǒng)有限的頻率資源，使得在此類(lèi)區(qū)域的無(wú)線(xiàn)小區(qū)規(guī)劃、頻率分配、切換設(shè)置成為難題。因此需要對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)一的GSM-R網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)資源共享、提高通信網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量及其安全可靠性。本文以實(shí)際工程為背景，分析了鐵路并線(xiàn)的類(lèi)型，并對(duì)鄭武客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)與合武鐵路并線(xiàn)區(qū)段、盤(pán)營(yíng)客專(zhuān)與哈大客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)聯(lián)絡(luò)區(qū)段兩個(gè)典型鐵路并線(xiàn)區(qū)段的GSM-R覆蓋方案進(jìn)行了研究，在這兩個(gè)地段分別采用了雙基站和分布式基站覆蓋三岔口地段，其中雙基站的覆蓋方式可靠性高，但切換關(guān)系較為復(fù)雜，后續(xù)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行進(jìn)一步的天饋和參數(shù)調(diào)整，分布式基站的覆蓋方式可以滿(mǎn)足在整個(gè)三岔口地段為同一小區(qū)覆蓋，同時(shí)在節(jié)省頻率資源方面起到很關(guān)鍵的作用，但要盡量避免網(wǎng)內(nèi)干擾的產(chǎn)生。

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