隴海鐵路寶雞至天水段無線列調系統改建GSM-R通信系統設計方案

寧 偉

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043）

1 概述

作為鐵路通信網絡的重要組成部分，鐵路無線通信網必須滿足鐵路運輸各項服務需求。目前，我國鐵路無線通信系統主要采用GSM-R數字移動通信系統和450M模擬無線列調通信系統。西安鐵路局依據中國鐵路總公司發布的鐵總運[2013]189號《關于既有普速鐵路450MHz無線列調改建GSM-R系統方案優化的指導意見》要求，結合管段內既有鐵路無線通信系統現狀以及各條鐵路無線設備使用年限和設備運用狀況，決定對設備較為陳舊、設備故障率較高的隴海鐵路寶雞-天水段無線列調系統進行GSM-R系統改造。

1.1 鐵路概況

西安鐵路局管段隴海鐵路寶天段起自陜西寶雞車站，西至甘肅社棠車站，上下行線全長約266公里，全線為雙線電氣化鐵路，設計時速160公里每小時，為國家I級干線鐵路。全線設有車站18座，分別為寶雞、福臨堡、坊塘埔、固川、坪頭、顏家河、石家灘、拓石、鳳閣嶺、建河、元龍、伯陽、社棠、晁峪、東口、馬家灣、新拓石、新建河；設有隧道共計163座，長度約116.7公里。

該段鐵路為山區鐵路，橋梁隧道多，彎道多，橋隧相連，地理環境條件差。

1.2 既有鐵路無線通信概況

隴海鐵路寶天段既有無線通信系統為450MHz B2制式無線列調通信系統。車站設置有車站電臺，區間及隧道內設有中繼器及光纖直放站，弱場區段主要采用漏纜和天線進行覆蓋。

寶天段上行線設備為1999年開通運用，下行線2003年開通運用。部分設備運行時間已長達16年，設備已超期運用，故障率高，備品備件緊缺，且該系統大三角及無線轉接功能不穩定，車站及區間設備不具備監控功能。

表1

圖1 GSM-R移動通信系統網絡結構圖

2 設計方案

根據相關設計規范標準，根據鐵路等級、鐵路運行方式等，本次改造方案GSM-R基站子系統按照單層網絡結構組網考慮。

2.1 設計原則

2.1.1 結合既有設施，優化方案，在滿足設計要求的同時盡可能的節省投資；

2.1.2 既有機房、電源等盡可能利舊，在節省投資的同時提高施工的便利性。

2.1.3 本次改造設計應統籌考慮路局其它鐵路無線列調改造的需求。

2.2 需求分析

2.3 系統構成

GSM-R系統由下列七個子系統組成：網絡交換子系統（NSS）、基站子系統（BSS）、通用分組無線業務系統（GPRS）、智能網系統（IN）、固定用戶接入交換機（FAS）系統、運行與維護子系統（OMC）及終端。

2.3.1 交換子系統（SSS）

包括匯接移動交換中心（TMSC）、網關移動交換中心（GMSC）、移動交換中心（MSC）、訪問位置寄存器（VLR）、歸屬位置寄存器（HLR）、鑒權中心（AuC）、組呼寄存器（GCR）、網絡互聯功能模塊（IWF）、短消息中心（SMSC）、確認中心（AC）等設備。本次改造利用西安既有核心網交換系統，并對核心網節點進行擴容、數據加載及調測以滿足本線需求。

2.3.2 移動智能網子系統（IN）

包括業務交換點（SSP）、智能外設（IP）、業務控制點（SCP）、業務管理系統（SMS）等設備。本次改造利用西安核心網節點中的SSP設備，只考慮為其加載本線相關數據。

2.3.3 基站子系統（BSS）

包括基站收發信機（BTS）、基站控制器（BSC）以及編譯碼和速率適配單元（TRAU）和小區廣播短消息中心（CBC）等設備。本次新設BSC、TRAU設備。BSC、TRAU與MSC同址設置于西安鐵路局GSM-R核心網機房內。根據西安鐵路局既有線無線通信改造規劃，咸銅（咸陽-銅川）、甘鐘等線路無線通信改造時考慮接入本次工程設置的TRAU和BSC設備，故應統籌規劃TRAU、BSC等設備容量。

鐵路沿線車站設置O3基站，區間根據場強覆蓋的需要設置O2基站，每個基站通過有線傳輸系統提供的2M環通道接入BSC，每3～5個基站組成一個2M環路；對于隧道等弱場區段可針對具體的地形條件采用光纖直放站或分布式基站加漏泄同軸電纜或天線方式解決。

2.3.4 通用分組無線業務子系統（GPRS）

包括網關業務支持節點（GGSN）、業務支持節點（SGSN）、分組控制單元（PCU）、邊界網關（BG）、計費網關（CG）、域名服務器（DNS）、認證服務器（RADIUS）等設備。本次改造只新設PCU設備，PCU與BSC同址設置。其它設備利用既有，只考慮數據制作加載及調試。

2.3.5 固定用戶接入交換系統（FAS）

FAS包括鐵道部FAS、鐵路局FAS及站段FAS。目前西安鐵路局設有4套局級FAS，分別為高速鐵路主用FAS1、備用FAS2，普速鐵路FAS3、備用FAS4，遵照原鐵道部FAS設置及接入原則，即高速鐵路和普速鐵路分別設置或接入相應級別FAS，且普速鐵路FAS3容量滿足本線接入需求，本線調度主系統利用既有FAS3，只需做相關數據加載及調試。各車站新設鐵路數字調度通信分系統（站段級FAS），通過Fb接口與局級主FAS3相連接。

2.3.6 運行與維護子系統（OMC）

包括無線網絡管理子系統（OMC-R）、交換網絡管理子系統（OMC-S）、GPRS網絡管理子系統（OMC-D）、直放站管理子系統（OMC-T）、FAS網絡管理系統（OMC-F）。本次改造只新設OMC-R設備，其它網管子系統利用既有。OMC-R設于西安無線檢修所，OMC-T設于寶雞通信車間，相關的維修車間、通信車間設置OMC-R、OMC-T復示終端。

2.4 場強覆蓋標準

無線網絡規劃以機車臺接收天線處的覆蓋電平為標準，系統場強覆蓋應滿足：接收機天線處輸入端射頻信號最小可用接收電平Prmin為-98dBm（統計概率95%）。

圖2 宏基站+光纖直放站方案系統構成圖

表2

2.5 系統功能

實現列車調度員-機車司機間、車站值班員-機車司機間各種列車無線調度通信功能；列車車次號及調度命令信息傳送；GSM-R系統能滿足鐵路沿線維護人員的通信需求，用于工務、水電、電務等部門的區間維護作業通信；滿足公安、搶修、救援等應急移動通信需求。

2.6 越區切換

為了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，工程中應對越區切換進行合理設計。

2.6.1 切換位置選擇

切換位置應盡量選在開闊地帶，避免選在高話務區、隧道口、彎道以及有阻擋的地帶，對于隧道群，在滿足覆蓋重疊長度的情況下，切換位置可選在兩個隧道之間的開闊區域，對于長大隧道，則需要在隧道內切換。切換區域的場強應按照當前小區漸弱，目標小區漸強的趨勢進行設計，以保證切換成功率。

2.6.2 覆蓋重疊長度

覆蓋重疊長度與列車運行速度，切換時間密切相關，為了提高切換成功率，切換時間按照能完成兩次越區切換考慮。隴海鐵路設計速度160km/h，切換時間按10s考慮，則覆蓋重疊長度（160*1000/3600）*10=445m。

2.7 區間弱場覆蓋

區間隧道路塹等弱場覆蓋采用光纖直放站+漏泄同軸電纜或天線解決，光纖直放站方案主要由BTS、近端機、遠端機、光纖、耦合器、天線或漏泄同軸電纜等組成。

光近端機和光遠端機均包括射頻單元（RF單元）和光單元。無線信號從基站中耦合出下行信號（930MHz-934MHz）后，進入光近端機，通過電光轉換，電信號轉變為光信號，從光近端機輸入至光纖，經過光纖傳輸到光遠端機，光遠端機把光信號轉為電信號，進入RF單元進行放大，信號經過放大后送入發射天線或者漏泄電纜（LCX）覆蓋目標區域。與上行鏈路的工作原理一樣，移動臺發射的上行信號（885MHz—889MHz）通過接收天線或者漏泄電纜（LCX）至光遠端機，再通過光纖到近端機回到基站。

2.8 鏈路預算

3 工程規模

本次改建設計方案共利用區間設備機房（含隧道內機房）176處，區間電桿利舊170處，電力設施全部利舊，以最大程度的節省投資。

結語

本次設計方案結合了西安GSM-R核心網、西安鐵路局管內其它鐵路GSM-R建設改造進度計劃以及隴海鐵路寶天段沿線設備、房屋、電力等設施現場實際情況，很好的執行了設計原則要求，最大程度節省投資的同時達到了設計標準。

[1]中國鐵路總公司.鐵總運[2013]189號 中國鐵路總公司關于既有普速鐵路450MHz無線列調系統改建GSM-R系統方案優化的指導意見[Z].北京：中國鐵路總公司，2013.

[2]西安鐵路局.西鐵計函[2012]40號 西安鐵路局“十二五”發展規劃[Z].西安：西安鐵路局，2012.

[3]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.

[4]中華人民共和國鐵道部.TB/T 3324-2013 鐵路數字移動通信系統（GSM-R）總體技術要求[S].北京：中國鐵道出版社，2013.