GSM-R技術在柳南鐵路電氣化改造中的應用

莫志藝

（南昆鐵路南百段增建二線工程建設指揮部，工程師 廣西 南寧 530000）

柳州至南寧段電氣化改造工程無線通信系統采用鐵路專用移動通信GSM-R 系統單層網結構覆蓋方案。網絡子系統利用柳南城際客專在南寧設置的GSM-R核心網交換中心設備，利用既有基站控制器BSC、TRAU 設備及無線子系統網管終端（OMC-R）設備，新設OMC-T 設備，對既有BSC/PCU 等設備進行擴容，以滿足該線路基站接入的需求。在基站子系統中，采用普通單層網絡覆蓋方式，不傳送列車運行控制信息，列尾風壓數據、告警等信息。該線路在與柳南城際鐵路并行地段，地形較好兩條線路相距較近地段，利用柳南城際鐵路工程建設的GSM-R無線網絡對本線進行無線覆蓋，同時滿足各線行車指揮無線通信需要。

1 應用GSM-R技術的意義與方式

經過十多年的技術發展，GSM-R是在GSM蜂窩系統上增加了調度通信功能和適合高速環境下使用的要素組成，能滿足國際鐵路聯盟提出的鐵路專用調度通信要求的技術。由于GSM-R 可實現跨越國界的高速和一般列車之間的通信；能將現有的鐵路通信應用融合到單一網絡平臺中，以減少集成和運行費用；而且由于GSM-R是由已標準化的設備改進而成，GSM 平臺上已經提供了大量的業務，因而引入鐵路專用的功能時只需最低限度地改動，故能保證價格低廉、性能可靠地實現和運行；添加了增強的語音呼叫業務特性，能靈活地提供專網中所需的語音調度服務如VBS、VGCS和eMLPP，因此GSM-R是面向未來的技術，它將從廣闊的GSM 公網市場和GSM 技術的不斷演進中獲益，具有巨大的發展空間。GSM-R 在歐洲取得巨大的成功，目前超過30個鐵路公司已承諾在其國際路網中使用該技術。GSM-R網絡結構如圖1所示。

圖1 GSM-R網絡結構圖

1.1 建設GSM-R 的必要性 一是滿足鐵路運輸生產指揮手段現代化的需要。替代目前各種分散的無線通信系統，成為鐵路綜合移動通信平臺實現了調度、編組場、區間、公務、工程施工、應急搶險等需要的移動通信功能解決了450 MHz模擬無線通信系統存在的問題。二是滿足信號控制技術現代化的需要。以分散自律調度集中（CTC）和中國列車運行控制系統（CTCS）為代表的現代化信號系統，都將基于移動通信平臺實現車-地雙向數據傳輸。提供列車診斷信息傳輸、移動互聯網接入、信息廣播、車輛跟蹤、移動售票、旅客信息服務等各種新興業務的承載平臺。有利于提高鐵路運輸效率、增加服務項目、提高服務質量。

1.2 GSM-R 的組網方式 對于運送旅客的高鐵列車，運行安全是首要目標。尤其對于時速300km/h及以上客運專線較普速鐵路在列車控制、調度通信等業務應用方面對無線通信系統的場強覆蓋、網絡服務質量和系統可靠性要求更高，GSM-R無線系統的設計要充分考慮這些因素，合理布站。一般有三種無線規劃方案：

1）單網交織冗余覆蓋。圖2為單網交織冗余示意圖。

圖2 單網交織冗余示意圖

特點是交織站址冗余覆蓋中的冗余基站位于原來兩個連續的基站之間，提供無線冗余覆蓋。每個基站有獨立的機房、鐵塔和天線系統，所有基站受一個BSC控制。其優點是BTS冗余，中等成本；缺點是除某個BTS 故障，其他基站子系統設備（如BSC）出現故障時網絡不提供冗余；對服務質量有一定影響（切換數量增加）；較低的頻率利用率（高重疊區域）；基站站址和安裝成本增加（需要較多的站址）；中等無線參數設置復雜度加大。

2）雙層網覆蓋（主要有同站址雙層網絡覆蓋和交織雙層網絡覆蓋），分述如下。本文只介紹同站址雙層網絡覆蓋。

（1）同站址雙層網絡覆蓋。圖3 為同站址雙層覆蓋示意圖。

圖3 同站址雙層覆蓋示意圖

其特點是在鐵路沿線上，同一地點設置兩套BTS，兩套BTS 相對獨立，有各自的傳輸，電源等設備，但機房、鐵塔共用。每一層網絡各由一套BSC控制，形成雙層無線覆蓋。優點是全系統冗余；較低的站址要求（機房、鐵塔共用）：缺點是投資較高；無線參數設置較為復雜；某地發生災害(火災、洪水、閃電等)，該處同一站址的兩個基站都會損壞，造成該區域內無法進行業務。

（2）交織雙層網絡覆蓋。其特點是在鐵路沿線上，兩套BSC下的BTS交錯分布，形成雙層交織冗余的方式覆蓋同一區域。優點是全系統冗余；即使某一站址出現問題，仍可提供服務。缺點是投資最高；頻率使用率低；無線參數設置困難；需要較多站址。

經過調研比選論證，柳南鐵路電氣化改造采用的是單層交織用于覆蓋的組網方式。

2 GSM-R技術在柳南電改上的應用

2.1 工程概況 柳南電氣化改造工程采用GSM-R移動通信系統，新建GSM-R 無線通信系統，完成調度通信、調度命令信息及無線車次號校核信息傳送等功能。同時滿足各線行車指揮無線通信需要。

在沿線車站新設BTS（與柳南城際鐵路并行地段，利用柳南城際鐵路工程建設的GSM-R 無線網絡）車站基站均按照O3 型BTS 設置，區間根據場強覆蓋需要設置O2型BTS。全線共設置BTS 32處，其中O2型22處，O3型10處。

弱場區采用光纖直放站結合漏泄同軸電纜、天線的方案進行覆蓋。光纖直放站近端機與遠端機間通過新鋪設8 芯光纜，采用星型相結合的方式連接。漏泄同軸電纜采用在鐵路弱電側鋪設的方式。為減少弱場區設備數量，本工程漏纜采用1-5/8”型號。圖4為工程組網示意圖。

圖4 工程組網示意圖

該工程并行線路中柳州進德至黎塘區段利用柳南客專GSM-R 基站覆蓋與該線交叉、并線區域，共利用既有柳南客專基站10座進行信號覆蓋，其他區域由本線新設基站覆蓋。

2.2 電改工程GSM-R 網絡建設的優點 柳南鐵路電氣化改造無線通信工程是全路第一條利用既有客專GSM-R基站覆蓋與改造線共、并線的部分區域的系統。該線路的測試結果可以為其他線路提供技術參考。

由于地形、地質等客觀因素的影響，既有柳南客專與電氣化改造線路距離過近，如果不利用既有客專基站進行信號覆蓋，而采取新建基站進行信號覆蓋，必將導致新建基站與既有基站之間無線信號相互干擾，無線頻點規劃難以規劃，網絡優化難以實施。

由于柳南電氣化改造線路部分區域使用柳南客專既有的基站進行信號覆蓋，使得網絡資源盡可能的得到充分利用，整線的頻點規劃相對較為容易合理規劃。

2.3 并線區段無線通信優化 由于柳南客運專線與湘桂線柳州至南寧電氣化鐵路線路相距較近，因此本方案利用柳南客專GSM-R 基站信號覆蓋本線共、并線區域。共利用既有柳南客專基站10 座，其他區域由本線新設基站覆蓋，設計采用GSM-R系統單層網結構覆蓋方案。

并線區段利用柳南客專基站對柳南電改線路覆蓋的優點分析：

1）通過柳南電化指揮部對電力、房建、征地、通信各專業投資概算分析，每座基站需投資150 萬元左右（前提條件是征地和賠償均順利），擴容和接入基站控制器BSC 需投資200 萬元左右，全線10 座基站和BSC 共約節省投資1700 萬元，提高了工作效率，減少了要天窗點等作業時間，減少了上報審批相關部門配合等環節，經濟效益明顯。

2）共線、并線、交叉線路區段如果不利用相鄰線路的既有客專基站進行信號覆蓋，而采取新建基站進行信號覆蓋，那么帶狀分布的線路兩側將布滿基站設備，頻點資源占用非常嚴重，若是CTCS-3等級線路或者是雙網交織、單網交織覆蓋的方案，那么后期網絡優化階段將難以實施，增大了后期網優難度。

3）并線區段合理的設備布置有利于編號方案的實施，最大限度的減少同頻干擾和鄰頻干擾，使線路切換關系更為清晰，頻點規劃更為合理。

3 電改工程GSM-R網絡建設的思考

由于地理環境較為復雜，再加上柳南客專基站位置已經固定，本著對柳南客專無線G 網運行安全的考慮，網絡設置的前期勘查設計工作必須認真細致，綜合考量，以盡可能減少信號覆蓋弱場區。柳南電氣化改造工程柳州進德至黎塘區段利用柳南客專GSM-R基站覆蓋，弱場區采用光纖直放站結合漏泄同軸電纜、天線的方案進行補強覆蓋。其他區域由本線新設基站覆蓋。在工程建設過程及網優過程來看，有以下幾點值得思考：

1）在建設施工實施過程中，各參建單位應嚴格按照設計意圖按照施工圖紙施工，施工單位不應對設計聯合勘定的基站、直放站地址隨意挪動。在網優階段發現，因施工現場阻工，施工單位對LJ-PT01（K619+000）基站位置往山體轉彎角處挪動200米左右，導致平塘向柳州方向信號覆蓋弱場不達標，經網優仿真確定利用K 621+320 處已廢棄的既450 MHz區間中繼房，在該處新設光纖直放站遠端機設備進行弱場補強覆蓋。

柳南電氣化改造K 754+240處LL-YN04基站由于征地困難，施工單位為方便施工擅自挪動了基站的位置，導致山體阻擋和江水水域的存在減少了信號衰耗導致相鄰基站之間信號頻繁切換。將LLYN05(K 759+100)柳州方向天線調至25 度，LLYN04（K 754+240）南寧方向天線調至285 度后解決。

2)該工程利用既有柳南客專基站對電化改造線路進行信號覆蓋，在網絡優化階段會發現柳南電化改造的無線GSM-R網信號確實對柳南客專GSM-R網還是存在著或多或少的干擾影響的，在協調兩張網絡的優化過程中，我們又需確保優化調試柳南電化改造線無線網絡的時候盡可能不會影響柳南客專無線網絡的正常運行，這給電化改造線的網優增加了不少難度，為確保柳南客專的安全運用不受影響，同時減少施工要點難度及施工方案報批，我們采用在并線段既有柳南客專的基站上增設天線、調整天線俯仰角和水平角度和增建低強度信號直放站進行信號覆蓋。

來賓北基站至JD-LLB09 有弱場及乒乓切換，該區段分別是由柳南客專的JD-LBB09與LaiBinBei基站天線旁瓣覆蓋柳南既有線，考慮到柳南客專既有天線朝向主要覆蓋的是柳南客專線，柳南電改既有線為客專旁瓣天線覆蓋，因此信號較差，若調整客專天線方向角,可能將影響客專的覆蓋，同時增加對柳南客專的優化工作。后經各參建單位及路局相關部門研究后，決定在來賓北基站和JD-LLB09 既有客專基站基礎上各增加一副方向角朝向柳南電改線天線解決。

在柳州至南寧下行方向LB-LJ01（K 608+750）基站所接漏纜在隧道外有500 m左右的弱場區域,最低電平達到-103 dBm.通過在柳南客專LBBHJZXLS02 既有基站上增加一副天線朝向柳南電改既有線路，在柳南電化改造線LB-LJ01 基站鏈接的漏纜末端增加定向天線覆蓋弱場解決。

3）對于樞紐鐵路線路交匯處，各路局應提前統籌規劃整合好樞紐區域頻點資源和頻點分配規劃。由于黎塘樞紐地區位于南廣客專、柳南客專、黎湛電氣化改造工程，柳南電氣化改造工程無線GSM-R網的交匯處，該區域包含7 座隸屬不同線路的基站，LITANG 基站至HJZXLS-BY01 基站區間載干比小于9，存在干擾信號,網優過程中發現通話中斷，LiTang 基站柳州方向乒乓切換等問題。

后按樞紐地區頻率配置方法采用面狀復用方式進行配置頻點，并為黎湛鐵路電氣化改造線的引入預留接入頻點，在通過動態測試并具備運營開通條件后，再行輸入正式工作頻點解決。

4）目前，鐵路總公司對GSM-R網絡的驗收指標是以動車速度（250 km/h）和高鐵速度（350 km/h）為標準的。而電氣化改造線路及新建、增建普鐵線路的列車運行速度遠達不到上述標準。運行速度的不同將影響切換、成功率等多項指標。同時，在網優階段容易導致設備管理單位及參建單位對所依據驗收測試標準的爭論，柳南電氣化改造工程從柳州進德至黎塘區段利用既有柳南客專GSM-R 基站結合新建光纖直放站掛載漏纜進行信號覆蓋，黎塘至南寧區段新設基站覆蓋的單層網絡，存在著并線、交叉、樞紐、新建線等情況，需要有關單位協調配合認真加以解決。

4 結束語

柳南電氣化改造工程無線GSM-R 網絡的建設通過驗收，為將來路內其他電氣化改造線、新建及增建普鐵線路的GSM-R 網絡建設提供了一定的啟示和參考經驗，我們建議宜盡早制定專門針對電氣化改造線路、新建及增建線路與既有高鐵、客專線路共并線的GSM-R網絡建設驗收標準，為更好地促進鐵路安全運輸提供保證。