武漢鐵路樞紐GSM-R無線網絡規劃研究

■ 胡曉紅 方志程

1 武漢鐵路樞紐概述

武漢鐵路樞紐處于京廣通道和滬漢蓉沿江經濟帶“十”字形的交叉點，樞紐內有京廣線、京廣高速貫通南北，滬漢蓉快速客運通道、武九線和漢丹線承啟西東，以武漢長江大橋、天興洲公鐵兩用長江大橋銜接北京、廣州、上海、成都、九江、襄樊6個方向線路，形成特大型環形樞紐格局。同時，為促進武漢城市圈經濟一體化進程，武漢鐵路樞紐在建的還有武（漢）孝（感）、武（漢）咸（寧）、武（漢）黃（石）城際鐵路項目。

武漢鐵路樞紐內高速鐵路、城際鐵路、既有長大干線的無線通信系統均采用GSM-R技術體制。上述區域地形相對復雜、各線路GSM-R無線覆蓋和性能指標要求不同、各線路建設工期也不盡相同，造成統一規劃設計、建設困難。此外，我國鐵路GSM-R系統有限的頻率資源使得樞紐地區的頻率分配成為難題。如果各線路獨立規劃、建設，容易出現切換關系混亂、干擾嚴重、頻率資源緊張等問題。要盡快改變這種狀況，必須對樞紐內各線路獨立設計的GSM-R方案進行科學、合理優化。武漢鐵路樞紐GSM-R系統建設方案優化，一方面結合樞紐內既有基站設置情況及各工程引入樞紐的GSM-R建設方案，優化樞紐內基站控制器（BSC）和基站設置方案，統一進行頻率分配及鄰區關系設置；另一方面對尚無建設方案的樞紐內其他線路進行統一規劃、站點及頻率規劃預留，按照分步實施原則最終實現武漢鐵路樞紐GSM-R網絡全覆蓋。

2 GSM-R系統建設情況

2.1 建設概況

按照《中長期鐵路網規劃》（2008年調整），2015年前有多條鐵路線引入武漢鐵路樞紐，主要有武廣高鐵、武九線、武黃城際、武咸城際、合武高鐵、鄭武高鐵、京九電化、漢宜線、漢孝城際等線路，以及武漢北編組站、武漢動車段、武漢綜合維修基地、武漢高鐵訓練段等單項工程（見圖1）。

上述工程均設置GSM-R系統，由于各工程信號專業采用的列控系統不同，對GSM-R系統的需求也不同，因此GSM-R網絡覆蓋方案不盡相同。其中，武廣、鄭武高鐵由于GSM-R網絡需要承載CTCS-3級列車控制安全信息的傳輸，采用了可靠性和冗余度更高的交織單網覆蓋方案；其他線路則采用普通單網覆蓋方案。各工程建設工期也不一致，其中合武高鐵、武廣高鐵、京九線、武九線工程已開通運營，漢宜線、鄭武高鐵進入實施階段，武黃、武咸、漢孝城際鐵路處于設備招標階段。

2.2 存在問題

（1）頻率資源緊張、通信質量得不到保證。各相關工程GSM-R系統基站設計只考慮滿足本工程需要，未結合樞紐情況進行統一規劃，導致一些區域內出現基站重復設置或基站覆蓋弱場，樞紐內干擾嚴重。在線路交叉處未進行統一規劃，有可能出現切換失敗情況。

（2）缺乏規劃，后續線路接入困難。武昌（不含）至南湖區域僅有武黃城際工程沿南環線設置基站，未考慮京廣線等線路的接入。將來京廣線如需建設GSM-R系統時存在接入困難的問題，并可能要調整既有網絡。

（3）BSC接入方案缺乏規劃，影響通信質量。武廣高鐵、武九線、武黃城際、漢宜線等工程分別在武漢新設置BSC設備，但未進行BSC接入基站的統一規劃，使列車在樞紐內運行時頻繁發生跨BSC切換，影響通信質量，且不便于維護管理。

3 GSM-R系統建設方案優化

3.1 優化思路及原則

為保證GSM-R系統網絡優化質量及對既有資源最有效的利用，采用場強測試、模型校正、規劃軟件相結合的網絡規劃優化設計。為充分掌握既有GSM-R系統在樞紐內的覆蓋情況，對既有基站的覆蓋進行測試，并將測試數據結合武漢鐵路樞紐電子地圖，對網絡規劃軟件中的傳播模型參數進行校正，完成樞紐覆蓋模擬和干擾模擬，在此基礎上對基站接入BSC方案進行調整。

3.2 場強測試

對武漢鐵路樞紐既有線進行場強覆蓋測試。測試電平值按照大小分2檔：（1）-90 d Bm以下，從保證服務質量（QoS）指標、提高業務質量的角度，建議覆蓋增強；（2）-90 dBm以上，電平滿足覆蓋要求。

以京廣線漢口—武漢北站區段為例。該段與合武、鄭武高鐵均為并行線路，并行區段京廣線離合武高鐵距離為100～2 500 m，既有基站為合武高鐵基站。

漢口站引出段與合武高鐵并行，合武高鐵基站的信號比較強，可以利用合武高鐵基站信號進行覆蓋；武漢北站附近離合武高鐵水平間距2.5 km信號較弱，需進行GSM-R覆蓋的補充規劃。同理，對武漢鐵路樞紐其他區域場強覆蓋情況進行測試，并對覆蓋方案進行初步調整。

3.3 覆蓋方案優化

3.3.1 優化原則

（1）從節省頻率及降低工程建設投資的角度，在具備共線覆蓋條件的并線區段采用共基站的覆蓋方式[1]。

（2）并行區段采用共用基站建設模式時，根據各條線路業務需求對基站容量進行統一規劃。

（3）多條鐵路線路交匯區域的典型結構可分為交匯點、交叉無聯絡線、交叉帶聯絡線等結構形式。交匯點和交叉帶聯絡線宜采用共基站覆蓋模式，交叉無聯絡線可根據頻率資源情況采用共基站或分設基站覆蓋方式。

（4）考慮列控線路需無線冗余覆蓋的要求，在并線區段可采用交織覆蓋方案，在線路交匯點，宜采用同站址冗余覆蓋方案。

（5）為降低樞紐內基站的相互干擾，應盡量控制基站天線高度。

3.3.2 武漢北區域仿真結果與調整建議

利用仿真軟件將各線路及GSM-R基站添加至數字地圖，進行分析并優化覆蓋方案。重點分析武漢北區域仿真結果。

在武漢北站灄口附近區域設立多條線路基站，并且是合武、鄭武高鐵分岔口，中間還有鐵路通往武漢北站，覆蓋情況復雜。在并行區段采用合武/鄭武共用基站的組網模式，根據測試情況及兼顧京廣線覆蓋需求對漢宜基站引入武漢北站的覆蓋方案進行調整。通過仿真發現，此區域信號雜亂（見圖2），特別是圖3中粉色圈內區域，各基站信號交織，而且都互為相鄰小區。因此，進出武漢北站的列車經過此處時將會頻繁切換，嚴重影響通信質量。

根據情況，相應作以下調整：

（1）在鄭武高鐵基站ZhengW u DK1174+600設置雙基站，保證此處不會宕站，并增加兩面天線覆蓋西北及西南方向，周圍的基站都與此基站做相鄰小區，所有線路都要切換到此基站進行過渡。

（2）合武高鐵基站HeWu DK345+750南向天線由對準合武高鐵方向向東調整成對準鄭武高鐵方向。

（3）鄭武高鐵基站ZhengW u DK1178+670北向天線掛高由57 m降低至45 m，天線方向角往東偏移，避免過度覆蓋中間區域。

（4）鄭武高鐵基站ZhengW u DK1180+240北向天線掛高由57 m降低至45 m，避免覆蓋過遠、過強。

（5）合武高鐵基站HeWu DK350+891南向天線方位向西偏移，避免過度覆蓋中間區域。

通過上述調整，基本解決了粉色圈內存在的問題，開通后還需通過網絡優化進一步調整。

3.3.3 覆蓋仿真

在覆蓋優化基礎上完成樞紐的覆蓋仿真，在網絡規劃軟件中基站天線掛高設定為25 m，天線下傾角設為4°，基站天線等效發射功率為55 d Bm，仿真天線選擇天線增益17 dBi，65°水平半功率角；根據數字地圖中鐵路走向進行天線方向調整，并根據仿真覆蓋情況對基站天線參數進行調整。網絡仿真采用標準宏蜂窩無線傳播模型，因規劃軟件預測電平采用50％概率的場強值，而工程要求95％概率，仿真結果預留12 dB的衰落儲備值，即場強預測電平滿足列控業務的電平值為-80 d Bm。覆蓋仿真結果表明樞紐調整后的基站覆蓋可以滿足設計要求。

3.4 基站容量確定

GSM-R業務主要考慮點對點呼叫、組呼、廣播呼叫、電路交換數據業務（CSD），通用分組無線服務業務（GPRS）等。下面以漢口—武漢北站為例重點討論并線區段容量設置。

漢口—武漢北站區域聚集了合武高鐵、京廣客線、京廣貨線、漢孝城際等線路，為8線并行區段、非列控線路。基站間距5 km左右，并線區段按最小發車間隔時間、車速計算一個小區內語音、數據等話務量。首先計算每個基站覆蓋區域內的列車數，按照列車追蹤間隔4 m in，可計算并線區段列車數約8列，其話務量計算如下[2]：

列車語音話務量：15（m E/人）× 8（人/車）×8車= 960 m E

其他語音話務量：20（m E/人）×3（人/km）×5 km = 300 m E

語音組呼話務量：［50（m E/人）×3（人/km）×5 km］/3=250 m E

總語音業務量：960 m E+300 m E+250 m E =1 510 m E

語音業務需要的TCH數；1.51 E按照無線信道呼損0.5％需要的TCH數為6個

CTCS-3級業務：無

對TCH總需求：6 TCH+2 TCH（GPRS）+1（BCCH）+1（SDCCH）=10 TCH=2 TRX

漢口—武漢北站并線區段共用基站的容量為2 TRX，在上述基礎上另外考慮1個載頻單元的備份。因樞紐內頻率資源有限，基站載頻配置采用2載頻正常工作另1載頻備用的O（2＋1）配置。

3.5 頻率規劃方案優化

3.5.1 優化原則

（1）滿足設計指標要求（見表1）。

（2）優先滿足列控區段頻率使用需求，列控區段頻率方案滿足既有網絡運用需求（武廣高鐵采用6頻組復用方案，同頻復用間隔5組頻點，鄰頻間隔2組頻點）。

（3）對既有網絡影響最小。

（4）并線區段采用O（2+1）的配置，分配2個頻點。

3.5.2 干擾模擬

武漢鐵路樞紐由于多條線路相互交錯，基站密集，而且有長江穿城而過，對頻率分配帶來很大困難。經過仔細地頻率分配，獲得了樞紐內各基站的頻率規劃，頻率規劃方案滿足2015年前各線路的引入需求。為了能夠達到最佳頻率分配效果，需對既有鐵路合武高鐵21處、武廣高鐵21處、武九線20處基站頻點結合樞紐頻率規劃情況進行調整。對頻率分配方案利用規劃軟件進行干擾模擬，干擾模擬仿真圖顯示C/I可以滿足設計指標要求。

3.6 BSC接入方案優化

3.6.1 優化原則

（1）減少樞紐內跨BSC切換，提高網絡通信質量。

（2）方便維護管理，將樞紐內基站按片區接入，樞紐長江南片區基站接入武黃城際BSC，長江北片區基站接入漢宜線BSC。

（3）列控線路質量優先，列控/非列控線路并行區段基站接入列控線路BSC設備。

（4）減少對傳輸鏈路的占用。

（5）充分結合既有工程方案。

3.6.2 方案優化

按照上述原則調整后，各條線路均在進入樞紐之前完成了線路BSC與樞紐BSC（漢宜線BSC、武黃城際BSC）的切換工作，減少樞紐內跨BSC切換；并線基站優先接入列控線路BSC設備，保證列控線路的通信質量與安全；樞紐基站按照片區調整后，不僅減少對傳輸資源的占用，且便于按片區進行維護管理（見圖3）。

3.7 GSM-R系統建設分工

基站覆蓋按照實現武漢鐵路樞紐GSM-R全覆蓋規劃，結合工程建設方案，對各工程建設進行分工（見圖4）。

表1 干擾保護比 dB

4 結束語

武漢鐵路樞紐GSM-R網絡優化在充分了解在建線路GSM-R系統設計方案、既有GSM-R系統場強覆蓋情況等基礎上，對現狀條件下存在的問題進行具體分析。在對樞紐GSM-R系統進行聯合優化設計的基礎上提出了GSM-R 系統的建設方案，旨在為鐵路運輸提供質量優良、安全可靠的GSM-R移動通信網絡平臺，在實現樞紐內GSM-R系統資源共享的同時提高通信網絡服務質量。

[1] 劉立海，胡曉紅，劉建宇，等. 鐵路樞紐GSM-R無線覆蓋方案設計研究[J]. 中國鐵路，2009(12)

[2] 胡昌桂. 鐵路并線區段GSM-R系統無線覆蓋方案探討[J]. 鐵路通信信號工程技術，2010(3)