GSM-R現網組網方案與建設對比研究

張華峰

(中國鐵建電氣化局集團第一工程有限公司，河南洛陽　471000)

?

GSM-R現網組網方案與建設對比研究

張華峰

(中國鐵建電氣化局集團第一工程有限公司，河南洛陽471000)

作為承載列控安全信息的通道，GSM-R網絡需具備極高的可靠性和安全性，其無線系統組網方案是GSM-R系統規劃的重中之重。通過對GSM-R目前常見的兩種同址雙站和單網交織組網進行對比，從組網復雜度、可靠性、頻率規劃及網優、網絡建設成本等幾個方面對GSM-R無線組網進行分析和比較，采用可靠性數學建模方法對兩種方案進行數學分析。可靠性對比結果表明系統冗余越多，可靠性越高，但是在實際工程實施時要從多方面綜合考慮，并對未來大規模GSM-R改造項目的建設提出相關建議。

GSM-R； 無線組網； 同址雙站； 單網交織； 對比分析

1　概述

GSM-R系統基于行車安全性考慮，對于網絡的性能要求很高，因此，合理的網絡覆蓋，是提升系統性能的關鍵。目前，GSM-R主要使用的覆蓋方案有單層網交織、同站址雙網及雙網交織方案[1，2]。對于雙網交織覆蓋，需要再多建1套站點機房及鐵塔等基礎設備，大大增加了網絡建設成本，在目前工程項目中應用較少。我國《中長期鐵路規劃(2008年調整)》中規劃的“四縱四橫”客運專線網絡是世界上最大的高速鐵路網絡，到2020年，包括客運專線鐵路、城際鐵路以及客車和貨車混行的時速200km以上鐵路在內的快速鐵路里程將會達到5萬km，這也將是世界上GSM-R應用最廣泛的鐵路網絡。雖然目前國內外使用較多的是單網交織覆蓋方式[3-6]，但考慮到后續中國有近7萬km既有線路進行GSM-R改造，故有必要對上述幾種GSM-R組網方式進行進一步研究。以青藏線和大秦線的同址雙站組網[7，8]為例，與目前常見的單網交織組網進行對比研究，深入分析幾種方案的優缺點，旨在為未來大規模的GSM-R改造項目提供一些理論參考。

2　同址雙站覆蓋

同址雙站組網指在同一站址設置2套基站，2套基站形成雙覆蓋冗余，與主備BSC進行連接，但實際應用中存在2種不同形式的同址雙站方案，主備用基站同頻和異頻，青藏線GSM-R采用的是A/B網覆蓋[9]，A網基站和B網基站獨立工作，各自使用獨立的頻點，大秦線GSM-R主備基站采用相同頻率發射，下面將詳細進行介紹。

2.1青藏線GSM-R A/B雙網覆蓋

青藏線GSM-R采用雙層A/B網覆蓋[10]，每個站點設置2套獨立的基站，站點之間采用環網結構，同址站點共用1套鐵塔，A、B網天線分別架設在不同高度，如圖1所示。

圖1　青藏線GSM-R網絡結構

在格爾木和拉薩各設2套BSC，其中BSC50承載西寧、格爾木—唐古拉北A網共98個基站業務處理；BSC51承載唐古拉北—拉薩B網96個基站業務處理。BSC60負責拉薩—唐古拉北A網96個基站覆蓋范圍內的業務處理；BSC61下唐古拉北—格爾木B網96個基站覆蓋范圍內的業務處理。

基站工作方式為主備同時工作，正常情況下，業務均由A網承擔，并且配置相鄰站點的A、B網互為切換鄰區，保證異常情況下業務及時切換。A網站點站型一般為O2，B網站點一般為O1，主用A網站點和備用B網站點采用不同的BCCH頻點，由于頻率資源的限制，在頻率規劃時B網只是用1000-1004這5個頻點，其余用于A網使用。

2.2大秦線GSM-R雙網備份覆蓋(圖2)

大秦線GSM-R也是采用共站雙網覆蓋，其組網方式類似于青藏線，但考慮到頻率資源緊缺的特點，在頻率規劃及分配方面有一定改進，所有A網站點可以充分使用4M頻率資源，一定程度上緩解了網規網優的壓力。

圖2　大秦線GSM-R網絡結構示意

BSCA和BSCB下的主、備基站覆蓋完全一樣，如果某個主基站故障，根據倒換機制，備基站接替主站工作，保證了單點故障中斷業務時常較短。目前雙網備份基站倒換業務中斷時間在60s內。

雙網備份覆蓋基站與BSC組網靈活，沒有要求主、備基站組網方式必須一致，也沒有要求BBU與RRU組網方式一致，但要求主、備基站的頻點一致，主備基站小區覆蓋范圍一致。

該組網中，主備站點不同時工作，在主用正常時備用站點無發射功率，需要增加機制來進行主備工作檢測，異常情況下主備的倒換工作，在系統設計方面較青藏線難度提高，且理論上業務中斷時間有所增加。

3　同址雙網與單網交織覆蓋對比分析

3.1單網交織覆蓋

每站址設置1套基站，奇、偶數基站進行交疊覆蓋且同時運行工作，如圖3所示。

圖3　單網交織覆蓋示意

該組網下，奇數站與偶數站間深度交織，任何站點出現異常，均可以由相鄰站點完成其覆蓋區域的業務接替，但由于重疊區域較多，使得站點更加密集，因此，會在很大程度上增加切換次數，而且由于頻率資源緊張，一定程度上增加了干擾的幾率，給網絡優化增加了難度。

3.2可靠性數學建模分析

如圖2(a)所示的同址雙站模型，根據可靠性數學建模方法，可抽象為可靠性模型框圖如圖4所示[11]。

圖4　同址雙站可靠性框圖

系統可靠度為

(1)

式中，RS1=R1R3R5；RS2=R2R4R6。

如圖3所示的單網交織[12]覆蓋方案，可靠性框圖如圖5所示。

圖5　單網交織可靠性框圖

系統可靠度為

(2)

式中，RS3=1-(1-R1)(1-R2R3)，當組成無線系統的各單元可靠度如表1所示，根據式(1)和式(2)，可得同址雙站冗余覆蓋和交織站址冗余覆蓋方案的系統可靠度對比結果如表2所示。

表1　無線系統單元可靠度預測

表2　同址雙站與單網交織方案系統可靠度對比

從可靠性對比結果可以看出：系統冗余越多，可靠性越高，但是在實際工程實施時要從組網復雜度、可靠性、頻率規劃及優化難度等方面綜合考慮。

3.3青藏線與大秦線組網方案綜合比對

從組網復雜度，可靠性，頻率規劃及優化難度，網絡建設成本方面對兩種同址雙站組網方式和交織站址方式進行對比分析[13，14]，分析比較結果如表3所示。

4　結語

經過對2種同址雙站及單網交織組網進行對比，從業務應用角度來講，這3種方式都有效增加了網絡的可靠性，都能夠承載列控數據傳輸[15]，但實際工程項目應該首選雙網備份，即主用基站發功，備用不發功，異常情況下進行倒換的方式，該方式充分利用了頻帶資源，對于頻率規劃及后續網絡優化都留有較大空間。

但由于共站雙網覆蓋組網對于傳輸要求較高，新建鐵路在建設或者在已有傳輸資源充足的鐵路區段，可以充分考慮，進行統一規劃，但是某些現有區段，可能是對現有鐵路450M區段進行改造，現有的傳輸資源不滿足雙網要求，此時要新建傳輸可能投入成本會很大，但又要保證可靠性的列控區段，可以引導客戶采用單網交織的組網方式。

表3　無線組網方式對比分析

青藏線A/B網方式與大秦線雙網備份相比，對于網絡規劃及后續優化會存在一些壓力，但是業務恢復時間快的特點，在可靠性要求更高的區段可以較大程度被用戶認可，具體使用哪種方案，需要參考實際鐵路線路的特點以及相關線路的地形、地貌來統一綜合考慮。

[1]鐘章隊，李旭，蔣文怡，等.鐵路GSM-R數字移動通信系統[M].北京：中國鐵道出版社，2007.

[2]吳克非，謝宏，曾祥兵，等.中國鐵路GSM-R移動通信系統設計指南[M].北京:中國鐵道出版社，2008.

[3]石波，龐萌萌，高婷婷.瑞典鐵路GSM-R網絡實施情況的研究[J].鐵路通信信號工程技術，2012，9(1):77-80.

[4]鐘章隊，任靜.對國內外GSM-R發展的研究[J].移動通信，2007，31(7):51-56.

[5]M.Uhlirz.ConceptofaGSM-basedcommunicationsystemforhigh-speedtrains[C].inProc.IEEE44thVehicularTech.Conf.，Stockholm， 1994:1130-1134.

[6]ArminZimmermann，GunterHommel.ATrainControlSystemCaseStudyinModel-BasedRealTimeSystemDesign[C].IninternationalParallelandDistributedProcessingSymposium，IEEE， 2003:118-126.

[7]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.

[8]謝炳勛.GSM-R技術在我國鐵路通信中的應用與發展研究[J/OL].電子技術與軟件工程，2015(23).[2015-11-30].http://www.cnki.net/kcms/detail/10.1108.TP.20151130.1102.064.html.

[9]李凱.青藏鐵路ITCS信號控制系統方案[J].中國鐵路，2005(7):31-36.

[10]逯宗田.青藏線ITCS系統[J].鐵道通信信號，2007，43(8):12-13.

[11]林俊亭，李翠然，王曉明.GSM-R無線冗余覆蓋及可靠性建模分析[J].蘭州交通大學學報，2010，29(3):120-122.

[12]李冰，朱雅楠.CTCS-3系統中GSM-R網絡結構的研究分析[J].鐵道標準設計，2013(4):119-123.

[13]國家鐵路局.TB10621-2014 高速鐵路設計規范[S].北京:中國鐵道出版社，2015.

[14]王劍，靳成銘，蔡伯根，等.面向我國低密度線路的列車運行控制系統[J].鐵道學報，2015，37(12):46-52.

[15]劉立海，劉建宇.特殊CTCS-3級區段GSM-R方案設計與優化[J].鐵路技術創新，2011(2):13-16.

Comparative Study on Networking Scheme and Construction of Existing GSM-R Network

ZHANG Hua-feng

(The1stEngineeringCo.，Ltd.ofChinaRailwayConstructionElectrificationBureauGroup，Luoyang471000，China)

Asatrainoperationcontrolinformationchannel，GSM-R(GSMforRailway)networkshouldbehighlyreliableandsafeanditswirelesssystemnetworkschemeisthekeyinGSM-Rsystemplanning.Basedonthecomparisonbetweentheco-locateddouble-siteandsinglenetworkintertwinedforGSM-Rwirelessnetworking，thispaperanalyzesandcomparesthewirelesssystemnetworkingschemeintermsofthenetworkingcomplexity，reliability，frequency-planningandnetworkoptimization，networkconstructioncost，andconductsmathematicalanalysisofthetwoschemesbasedonreliablemathematicalmodeling.Thecomparisonresultsshowthatthemoreredundantofthesystem，themorereliableofthesystem，butcomprehensiveconsiderationsarerequiredinpracticalengineering.Relevantsuggestionsfortheconstructionoffuturelarge-scaleGSM-Rrenovationprojectareputforward．

GSM-R;Wirelessnetworking;Co-locateddouble-site;Singlenetworkintertwine;Comparisonandanalysis

2015-12-15；

2016-01-06

張華峰(1973—)，男，高級工程師，E-mail:417884164@qq.com。

1004-2954(2016)08-0156-04

U285.21

A< class="emphasis_italic">DOI

:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.033