集包四線特殊地段無線覆蓋研究

吳 靜

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

集包四線特殊地段無線覆蓋研究

吳 靜

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

研究集包四線工程中線路并站、并線及接入等特殊地段對無線設計的影響情況。分析與京包線既有車站并站通信模式選擇，與包西線三角地帶建設標準及BSC切換選擇、與京包線線路接入小區選擇等無線覆蓋問題，提出切實可行的解決方案。工程的實施可為GSM-R系統的安全性及可靠性提供切實的保障，為類似工程的無線通信系統的設計、建設和使用參考借鑒。

鐵路通信;無線覆蓋;通信模式;切換;可靠性

在鐵路建設中，因不同等級、不同運行速度、不同建設工期的線路相互會出現并站、并線及接入的情況，必然導致列車機車電臺在不同GSM-R網絡間及不同無線通信模式間頻繁切換問題，影響無線網絡服務質量及行車安全。為此，針對特殊地段的無線覆蓋進行調整優化，提升無線網絡覆蓋質量，滿足工程需求。

1 工程概況

集寧至包頭增建四線(簡稱集包四線)工程位于我國華北地區的內蒙古自治區西部，屬京包通道西段，本項目基本沿京包線平行布設。東起內蒙古自治區烏蘭察布市，西至內蒙古自治區包頭市，途經自治區首府呼和浩特市及卓資縣、土默特左旗、土默特右旗等旗(縣)。全線均位于呼和鐵路局管內，集寧南站至包頭站增建四線全長303.108 km。

全線開行設置古營盤、集寧南、葫蘆、卓資東、旗下營東、陶卜齊、白塔、呼和浩特東、呼和浩特、呼和浩特西、臺閣牧、察素齊、三卜素、薩拉齊、南園村、包頭東、包頭、包頭西等18個車站。集包四線工程與既有京包線集寧至包頭段(簡稱京包線)、包西線出現并站、并線及接入等情況。集包四線車站及線路示意見圖1。

2 系統設計

2.1 系統組成

圖1 集包四線車站及線路示意

集包四線采用900 MHz頻段GSM-R數字移動通信系統。移動交換控制利用呼和浩特新設核心網交換機(MSC);基站子系統采用單網覆蓋方式，在呼和浩特通信站設置基站控制器(BSC)，負責管轄設計區段內的基站(BTS);按照車站分布和場強覆蓋需要在鐵路沿線設置BTS，構成鏈狀通信網，基站通過傳輸系統提供的2M環通道接入基站控制器;各個車站基站按3載頻配置，區間基站按2載頻配置。根據全線運營維護需要配置GSM-R通用手持臺(GPH)、作業手持臺(OPH)、汽車臺等各類移動終端。隧道、路塹等區間弱場采用光纖直放站結合漏泄同軸電纜方式解決。

為了方便維護和管理，在相應的檢修機構設置無線子系統網管(OMC-R)及光纖直放站網管(OMC-T)及其遠程網絡管理終端。

2.2 設計標準

根據不同的速度目標值，鐵路對GSM-R網絡無線覆蓋和性能指標要求各不相同。集包四線場強覆蓋設計標準:在95%的時間和地點概率下，機車頂部接收天線處的最小接收電平不小于-98 dBm［1］。

2.3 系統業務

GSM-R系統除提供其所具備的各類電信業務(話音業務、數據業務、與呼叫相關的業務)外，并通過組呼叫、廣播呼叫、多優先級強占及強拆、功能尋址、基于位置的尋址、緊急呼叫等功能為鐵路提供特定業務:調度通信、區間公務移動通信、應急通信、無線車次號校核信息、調度命令信息傳送等［2］。

3 特殊地段的無線覆蓋

3.1 與京包線并站無線覆蓋

集包四線新設車站與京包線既有車站并站設置，線路示意見圖2。行車調度要求在集包四線運行的機車可以駛入京包線既有車站(車站內有交叉渡線)，并能在京包線上運行;在京包線運行的機車可以通過并站車站駛入集包四線上運行。這樣在并站車站內形成GSM-R數字移動通信系統與450 MHz模擬無線列調系統2種無線通信模式并存的情況，而且2種通信模式的站內覆蓋都是相同的。

3.1.1 并站的通信模式及存在問題

無線列調通信模式系統主要由無線列調調度臺、無線列調車站電臺、機車電臺(通用式)、便攜臺、車次號解碼器、車站轉接器、調度命令車站轉接器等組成。車站電臺、機車電臺、便攜臺之間的通信采用無線方式;調度臺、機車電臺之間的通信采用有線、無線相結合的方式，調度臺至車站電臺的有線通道由數字電路或四線制音頻話路構成?？商峁┰捯?、車次號校核信息、調度命令無線傳送等業務［3］。

圖2 集包四線與京包線并站線路平面示意

GSM-R通信模式如3.1所述。固定用戶接入交換機(FAS)、機車電臺(CIR)、便攜臺之間的通信采用無線方式。MSC完成交換控制;BSC完成呼叫建立及無線資源管理;BTS完成無線信道與有線信道的轉換［4］。

2種通信模式實現方式差異很大，如果需要滿足行車調度要求，無線覆蓋設計中將存在以下問題。

(1)設備問題

①機車電臺的配置

裝配450 MHz無線列調機車電臺的機車僅能在無線列調線路上行駛;裝配CIR的機車則支持2種無線通信模式，但是在同一時刻僅能工作在一種通信模式下，模式選擇可以自動或手動切換［5］。

②車地設備的同步配置

車站設備與機車設備必須選擇同一種無線通信模式，否則，會造成通信不通或信息丟失，存在安全隱患。

(2)運營管理問題

兩種無線通信模式的并存，司機進站前存在通信模式選擇和切換的困惑，難以控制切換點，車地無線通信使用存在一定的混亂，影響行車安全。

3.1.2 并站的通信模式選擇

集包四線與京包線實現跨線機車的行駛要求，必須在機車上配置支持2種無線通信模式的CIR電臺。在此前提下，提出以下并站時無線通信的解決方案。

(1)同時使用規定模式的設備

并站時通常要接2種模式的列車進來，兩線車站值班員和助理值班員需要同時使用規定模式的車站設備及手持臺。

①采用互設無線列調車站電臺的方式

在集包四線車站上設置無線列調車站電臺、車次號解碼器、調度命令車站轉接器，通過有線方式接入既有京包線調度。在車站進站信號機前設置無線列調切換標志，無論從哪條線行駛的機車都可以按照無線列調的方式無障礙地進入任意并站車站，并通過。

②采用互設車站FAS的方式

在京包線車站上設置 FAS，通過有線方式接入集包四線調度。在車站進站信號機前設置GSM-R網絡切換標志，無論從哪條線行駛的機車都可以按照GSM-R網絡無障礙地進入任意并站車站，并通過。

(2)采用規定的運營管理方式

在運營管理方式中規定，機車駛入車站前，呼叫本線(集包四線/京包線)值班員，無線通信模式不變，順利駛入本線車站;在駛離車站時，機車司機通過 CIR電臺從本線車站值班員獲知的調度命令信息后，根據情況判斷是否需要切換通信模式，進入另一條線路。

3.1.3 并站的通信模式比較

2種方式都可以滿足行車調度的需要，不會讓機車司機產生通信上的不便，但是前種方式需要配置新設備，增加部分投資，并且在切換點需要人工設置的警示標志，警示標志的設置還存在安全隱患(夜間行車);后一種方式僅僅在運營管理方式上的規定，實現簡單方便。集包四線與京包線都采用第2種方式解決并站時的無線通信問題，實現跨線機車的行駛要求，提高了行車的安全性。

3.2 與包西線的三角地帶無線覆蓋

既有包西線正線接入包頭車站，聯絡線接入包頭西車站，集包四線與包西線在包頭、包頭西、包頭南車站形成三角地帶，線路平面及基站布置示意見圖3。

圖3 與包西線的三角地帶線路平面及基站布置示意

既有包西線在包頭南、K4+375、包頭西機務段設置2載頻基站，在包頭站設置3載頻基站，接入東勝西BSC。為不影響集包四線的GSM-R系統連續覆蓋，在包頭站、包頭西六場設置3載頻基站，在DK19+160設置2載頻基站，關閉既有包頭站基站(與本線基站不兼容)，機務段既有基站當做庫檢基站使用，接入呼和浩特BSC。

3.2.1 三角地帶存在問題

(1)建設標準不統一

集包四線與包西線對GSM-R系統無線覆蓋和性能指標要求不同:集包四線無線覆蓋和性能指標如3.2所述;包西線無線覆蓋和性能指標最小接收電平不小于-95 dBm。

(2)網絡優化困難

DK19+160基站與K4+375基站相距不到2 km，兩相鄰小區的重疊區域過大，機車通過此處三角地帶時，會造成了移動臺在此區域頻繁地進行小區重選或乒乓切換問題［6］。

(3)存在BSC間的切換

集包四線與包西線的基站由不同的BSC控制，BSC間的切換故障一般比BSC內部切換故障多，原因如下。

①BSC間的切換比BSC內部切換要求時間長，移動臺會在同一個小區占用更長的時間。對于行駛中的列車而言，正在服務的小區信號可能下降得非常快，這樣移動臺在服務小區上耗費的時間將會縮短，BSC間呼叫掉線的風險將會加大。

②切換指令與切換完成之間發生呼叫掉線(切換導致的呼叫掉線)。BSC間切換導致的呼叫掉線比BSC內部切換導致的呼叫掉線故障率要高。

3.2.2 三角地帶解決方案

(1)統一建設標準

在網絡優化時，集包四線與包西線三角地帶無線設計需統一建設標準，采用就高不就低的原則［7］，即包西線的建設標準。

(2)杜絕乒乓切換，減小BSC間的切換次數

①單網覆蓋

在集包四線上DK19+160處按單網覆蓋方式設置1套基站(O3)，并面向包頭南方向增加1副天線，取消包西線上K4+375處基站，基站接入呼和浩特BSC。但是，DK19+160基站距離包頭南約7 km，其覆蓋和切換難于保證。為滿足切換要求需要增加DK19+160鐵塔高度。

②光纖直放站覆蓋

與單網覆蓋方式一樣，在DK19+160處設置1套基站(O3)，用光纖直放站遠端機代替包西線上 K4+375處基站，并接入DK19+160處直放站近端機。但是，K4+375基站距離包頭南約5 km，光纖直放站發射功率為5 W，覆蓋距離有限，切換難于保證。為滿足切換要求需要在K4+375與包頭南間增加1處光纖直放站遠端機接入DK19+160處直放站近端機，滿足切換要求［8-10］。

③分布式基站覆蓋

采用分布式基站基帶部分+射頻拉遠部分(BBU+RRU)共小區覆蓋方式。在DK19+160、K4+375處分別設置1套3載頻 RRU。在 DK19+160設置 1套BBU，BBU接入呼和浩特 BSC。RRU發射功率為30W，其覆蓋效果優于直放站，其覆蓋和切換可以保證［11］。

3種解決方案都能有效避免頻繁小區重選或乒乓切換問題。在網絡優化時，可根據工程難易及投資大小進行選擇。

3.3 與京包線線路接入點無線覆蓋

集包四線客車利用既有京包線，途徑集寧南至古營盤，貨車直接通過集包外繞線(集寧隧道)至古營盤，集包四線與京包線分別有2處接入點。在葫蘆、集寧南、古營盤分別設置 3載頻基站，DK494+660、DK500+800、K501+200分別設置2載頻基站，線路平面及基站布置示意見圖4。

圖4 與京包線接入線路平面及基站布置示意

3.3.1 接入點存在問題

為了保持移動臺在移動中通話的連續性以及網絡的服務質量，移動臺必須進行切換，工程中對越區切換進行合理設計。集包四線在工程設計中的切換位置盡量選在開闊地帶，避免選在高話務區、隧道口、彎道以及有阻擋的地帶［12］。

但是，集包四線與京包線接入點不遠處就是集寧隧道，接入點地形開闊，若切換區(小區A/B/C或小區D/E/F)設置于兩線的接入點，無法通過網絡優化手段保證CIR正確地切換至目的小區，極端條件下有可能掉話，造成行車安全隱患。

3.3.2 接入點解決方案

為了確保集包四線與京包線接入點區域的的覆蓋，同時保證每條線路上的CIR切換區切實落在行駛線路上，合理設置基站的覆蓋區域。

(1)減小小區A和小區B基站的覆蓋范圍，讓接入點只有小區C的信號，這樣客車的切換關系為小區A與小區C切換，再切換到小區B，貨車的切換關系為小區A與小區C切換;反之亦然。

(2)減小小區E和小區F基站的覆蓋范圍，讓接入點只有小區D的信號，這樣客車的切換關系為小區F與小區D切換，再切換到小區E;貨車的切換關系為小區D與小區E切換;反之亦然。

接入點切換區采取不同的措施減小基站的覆蓋范圍:

①降低基站功率;

②在饋線與天線連接處加入衰減器或更換低增益天線，減少天線端的輻射能量;

③調整基站天線的下傾角。但必須嚴格控制天線下傾角的調整，其下傾角不宜大于10°;否則，下傾角設置過大，會導致波瓣變形，造成干擾。

集包四線通過以上措施，確保了切換的準確性和唯一性，提高了GSM-R網絡的安全性和可靠性。

4 結語

集包四線特殊地段的的無線覆蓋是關系到整個無線網絡服務質量的重要部分，也是工程設計的難點所在。隨著技術的不斷發展及工程的大量應用，需要不斷總結設計經驗，探索更加完善的解決方案，保證鐵路運輸無線通信段安全性和可靠性。

［1］ 中華人民共和國鐵道部.鐵建設［2007］92號 鐵路 GSM-R數字移動通信系統工程設計暫行規定［S］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［2］ 中華人民共和國鐵道部工程鑒定中心.GSM-R綜合數字移動通信系統設計指南［M］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［3］ 中華人民共和國鐵道部.TB/T 3052—2002 列車無線調度通信系統制式及主要技術條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2002.

［4］ 鐘章隊，艾渤，劉秋妍，林思雨，等.鐵路數字移動通信系統(GSM-R)應用基礎理論［M］.北京:清華大學出版社，2009.

［5］ 劉立海.GSM-R與無線列調共存區域列車無線通信方案研究［J］.鐵路通信信號工程技術，2011(2):28-36.

［6］ 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):41-44.

［7］ 胡昌桂.鐵路并線區段 GSM-R系統無線覆蓋方案探討［J］.鐵道勘測與設計，2010(5):132-136.

［8］ 羅文.長春樞紐特殊地段 GSM-R無線覆蓋方案［J］.中國鐵路，2011(12):46-48.

［9］ 沈吟.合蚌客運專線特殊區段 GSM-R方案研究與探討［J］.鐵道標準設計，2011(8):108-110.

［10］楊玉修.西成客運專線部分特殊地段GSM-R網絡覆蓋方案研究［J］.鐵道標準設計，2012(9):106-109.

［11］梁延峰.RRU基本原理及應用分析［J］.電信工程技術與標準化，2007(3):51-59.

［12］ 吳靜.普速鐵路 GSM-R可靠性設計探討［J］.中國鐵路，2012(8):57-60.

Research on Wireless Coverage in Special Area of Jining-Baotou Railway Line 4

WU Jing
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.，Xi'an 710043，China)

For the project of Jining-Baotou Railway line 4，the influences on the wireless design produced by the special areas such as the station mergence areas，line mergence areas，line switching in areas and so on were researched.Meanwhile，several wireless coverage issues were analyzed，including the communication mode selection of station mergence to the existing Beijing-Baotou Railway stations，the selection of construction standard switching over to the triangle zone of Baotou-Xi'an Railway as well as to BSC，and the cell selection of switching in Beijing-Baotou Railway.Afterwards，the feasible solutions were proposed.The implementation of the project could provide practical guarantee for the security and reliability of GSM-R system，and also could serve as a reference for the design，construction and operation of the wireless communication system of similar project.

railway communication;wireless coverage;communication mode;switching over;reliability

U285.5

A

1004-2954(2013)04-0111-04

2012-08-27;

2012-09-21

吳 靜(1979—)，女，工程師，2003年畢業于蘭州交通大學通信工程專業，工學學士，E-mail:mistally@163.com。