基于GSM-R的鐵路通信網(wǎng)絡設(shè)計研究

張健

上海局集團有限公司電務部 上海 200000

GSM-R是為鐵路通信設(shè)計的綜合專用數(shù)字移動通信系統(tǒng)，它是在GSM蜂窩系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加調(diào)度通信功能和適用于高速環(huán)境下的要素，可滿足國際鐵路聯(lián)盟提出的鐵路專用調(diào)度通信要求。基于GSM-R的鐵路通信網(wǎng)絡主要由無線網(wǎng)絡、有線傳輸網(wǎng)絡以及交換網(wǎng)絡這三個方面構(gòu)成，核心網(wǎng)絡采用二級結(jié)構(gòu)模式，通過設(shè)置移動業(yè)務大區(qū)匯接中心以及本地業(yè)務端局的方式，實現(xiàn)匯接中心間的網(wǎng)狀連接。在列車運行速率較高的情況下，基于GSM信號會導致通信質(zhì)量下降，影響話音質(zhì)量，造成誤碼率升高的問題。因此必須通過雙網(wǎng)覆蓋的方式，促進系統(tǒng)可靠性水平的提升。即在GSM-R網(wǎng)絡設(shè)計中，應用GSM-R理論，提高了鐵路通信系統(tǒng)的可靠性，并解決了信道擁塞率高，呼叫成功率低等問題，實現(xiàn)對網(wǎng)絡建設(shè)成本的靈活控制。

1 無線網(wǎng)絡

首先，從場強覆蓋的角度上來說，結(jié)合既往相關(guān)實踐經(jīng)驗來看，場強覆蓋在很大程度上受到無線網(wǎng)絡所處地理位置分布條件的影響，因此需要參考基站實際情況以及所處地理環(huán)境特征對場強覆蓋進行相應的調(diào)整。目前技術(shù)條件支持下，可用于對下行鏈路信號覆蓋強度進行調(diào)節(jié)優(yōu)化的方法包括以下幾個方面：第一是增加天線掛高水平，第二是對天線垂直角、水平角進行調(diào)節(jié)；第三是的促進基站發(fā)射功率提升；第四是增設(shè)直放站。對于鐵路通信網(wǎng)絡而言，考慮鐵路線路敷設(shè)需求與特征，應當優(yōu)先采用基于沿線線路的帶狀覆蓋分布，基站可以優(yōu)先選擇雙扇區(qū)形，各個扇區(qū)所對應覆蓋角度為180．0°，天線選用高增益定向天線（雙極化17．0dBi，水平面HPBW65°）。為確保鐵路通信網(wǎng)絡信號覆蓋水平有效，高增益定向天線呈背向放置，信號最大輻射方向與鐵路輻射方向保持一致。在此過程當中，針對沿線話務量低的實際情況，可以在無線網(wǎng)絡基站體現(xiàn)的配置上兼顧設(shè)備成本，優(yōu)先選用低頻雙極化定向天線。

其次，從無線參數(shù)設(shè)置的角度上來說，基于GSM-R的鐵路通信網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡服務性能會直接受到與無線設(shè)備以及無線接口相關(guān)參數(shù)量的影響，如小區(qū)選擇、無線測量參數(shù)、控制信道參數(shù)、功率控制參數(shù)等，不同程度上影響小區(qū)無線信號覆蓋、網(wǎng)絡業(yè)務性能以及信令流量分布情況。因此，在鐵路通信網(wǎng)絡設(shè)計過程當中，必須綜合對當前無線信道基本特征、信令流量承載水平以及話務量特性，對無線參數(shù)進行合理調(diào)整，將無線資源充分利用起來，通過業(yè)務量對全網(wǎng)業(yè)務量以及信令流量進行分配與承擔[1]。

再次，從話務量設(shè)置的角度上來說，在基于GSM-R的鐵路通信網(wǎng)絡系統(tǒng)建設(shè)中，設(shè)置話務量的核心目的是預先對通信網(wǎng)絡話務量進行均衡處理，平均網(wǎng)絡業(yè)務負荷水平，同時注意對交換機阻塞問題的合理處理，以提高話務量優(yōu)化質(zhì)量。

最后，從重疊區(qū)劃分的角度上來說，鐵路沿線應結(jié)合線路敷設(shè)所處地區(qū)的實際地理環(huán)境條件，對重疊區(qū)域大小進行合理設(shè)置，以免弱場區(qū)對信號覆蓋產(chǎn)生影響。結(jié)合既往經(jīng)驗來看，可參考頻率復用方案得到重疊區(qū)所對應移動臺接收C/I（干擾保護比）值，對于n小區(qū)而言，頻率復用方案下定義重疊區(qū)寬度為a，則存在如下式（1）所示關(guān)系：

還需根據(jù)場強曲線圖以及切換關(guān)系，確定相鄰小區(qū)之間的重疊區(qū)大小，如圖1重疊區(qū)場強曲線圖所示。

圖1 重疊區(qū)場強曲線圖

此外，根據(jù)相鄰小區(qū)間的切換準則和切換Margin，確定相鄰兩個小區(qū)之間的切換重疊區(qū)。

2 頻率規(guī)劃

頻率規(guī)劃的本質(zhì)是在鐵路通信網(wǎng)絡設(shè)計構(gòu)建的過程當中，結(jié)合地區(qū)交叉并線分布情況對頻率資源進行合理分配，以最大限度確保覆蓋的有效性，目前GSM-R頻段為上行885MHZ-889MHZ下行930MHZ-934MHZ，頻點可用為1000-10018，隨時鐵路通信的發(fā)展尤其在車站樞紐及交叉并線區(qū)段頻點難以分開。在頻率規(guī)劃過程當中，必須對國家無線電管理規(guī)定與標準進行綜合考量，同時納入對頻率服用效率、同頻干擾、鄰頻干擾等相關(guān)因素的分析，尤其需要注意同一區(qū)域內(nèi)不同移動網(wǎng)絡對頻率規(guī)劃的具體要求。頻道分布時需要突出互調(diào)干擾、鄰頻干擾、同頻干擾等因素的重要性，確保干擾保護比符合要求。一般情況下，同頻干擾保護比需要滿足≥12．0dB的要求；鄰頻干擾保護比需要滿足≥-9．0dB的要求；除此以外，還需要納入對頻率規(guī)劃方法以及基站站型因素的考量，基站站型應當參考目標阻塞率以及話務量進行設(shè)置，以上述參數(shù)為依據(jù)，結(jié)合如一定關(guān)系，對需進行配置的頻點個數(shù)進行靈活設(shè)置，同時判斷控制信號是否屬于單獨分配，以及掌握業(yè)務信道的頻率復用方式問題。還需要特別注意的一點是，在頻率規(guī)劃過程當中，針對同頻干擾可以嘗試通過對天線傾角、天線高度進行調(diào)節(jié)，并引入定向天線覆蓋技術(shù)的方式加以彌補；針對鄰頻干擾問題的處置則可以嘗試對信道進行合理分配，并對濾波器精度進行適當提升；而在相鄰小區(qū)頻率間隔問題的選擇上可以以最大值的為標準，以免出現(xiàn)頻率在相鄰小區(qū)連續(xù)性分配的情況，同時在必要的情況下可犧牲系統(tǒng)容量來避開頻率干擾問題[2]。

3 有線傳輸網(wǎng)絡

相較于PDH傳輸技術(shù)，基于SDH的傳輸技術(shù)體現(xiàn)出了網(wǎng)絡配置靈活、傳輸容量大、兼容性高、維護管理能力強等一系列應用特點與優(yōu)勢。因此，在基于GSM-R的鐵路通信網(wǎng)設(shè)計過程當中，可以優(yōu)先考慮選用基于SDH技術(shù)的傳輸技術(shù)，基于光纜線路滿足有線信號傳輸需求。目前技術(shù)條件支持下，在G652-655光纖中，ITU-T分別對4類不同單模光纖作出了基本定義，基于SDH的傳輸網(wǎng)絡可適用于引入G652以及G655光纖，對應關(guān)鍵參數(shù)如下：對于G652光纖而言，1550．0nm衰減對應值為≤0．25db/km，零色散波長對應值為 1300．0nm-1324．0nm，1550．0nm 色散對應值為15．0ps/nm·km-20．0ps/nm·km，偏振模色散對應值為0．5ps/nm·km，光有效面積對應值為80．0um2，模場直徑對應值為（9．5±0．5）um； 對 于 G655光 纖 而 言，1550．0nm 衰 減 對 應 值 為≤ 0．25db/km，零色散波長對應值為＜ 1530．0nm，1530．0nm-1560．0nm 色散對應值為 1．0ps/nm·km-6．0ps/nm·km，偏振模色散對應值為0．5ps/nm·km，光有效面積對應值為55．0um2-75．0um2，模場直徑對應值為（8．0-11．0）±10．0%umum。

對于G652光纖線路而言，其所對應色散系數(shù)在1550．0nm波長條件下取值為15．0ps/nm·km-20．0ps/nm·km區(qū)間內(nèi)。在對10．0Gb/s的WDM以及TDM系統(tǒng)進行傳輸?shù)倪^程當中，可以通過介入具備負色散系數(shù)光纖的方式在進行色散補償?shù)耐瑫r促進中繼距離的增加。而對于G655光纖線路而言，其所對應色散系數(shù)在1530．0nm-1560．0nm 波長條件下取值為 1．0ps/nm·km-6．0ps/nm·km。在同樣對10．0Gb/s系統(tǒng)進行傳輸?shù)倪^程當中，由于色散水平維持較低區(qū)間，因而無需采取色散補償措施。因此，在基于GSM-R鐵路通信網(wǎng)絡構(gòu)建過程當中，基于對設(shè)備成本因素，建議優(yōu)先選用G655光纖系統(tǒng)。

4 設(shè)計方案

將整套基于GSM-R的鐵路通信網(wǎng)設(shè)計方案應用于鹽通鐵路通信網(wǎng)絡設(shè)計中，正線線路全長為156．686km。全線共設(shè)車站7座，線路所2座，動車所1座，全線共設(shè)車站7座，線路所2座，動車所1座，分別為鹽城站、大豐站、東臺站、海安站、如皋南站、南通西站、南通站、國道村線路所、陳橋線路所、南通動車所，其中鹽城站、南通西站、南通站為接軌站，其余車站為中間站，敷設(shè)沿線地形條件復雜，給通信網(wǎng)絡規(guī)劃、運營以及后期維護等工作的開展均帶來了非常嚴格的要求。搭載GSM-R的鐵路無限列調(diào)系統(tǒng)能夠滿足鐵路列車無線調(diào)度、數(shù)據(jù)傳輸、應急通信以及信息服務等相關(guān)功能的實現(xiàn)。整套鐵路通信網(wǎng)絡設(shè)計方案選用雙網(wǎng)覆蓋工作系統(tǒng)，通信展設(shè)置一套BSC。采用單網(wǎng)交織+同站址雙網(wǎng)覆蓋方式，但單個基站故障時不影響C3業(yè)務，同時增加配套的傳輸和開關(guān)電源設(shè)備，確保設(shè)備可靠運行[3]。

由于鐵路GSM-R無線通信關(guān)系到列車運行的安全和效率，特別對于承載列控業(yè)務的網(wǎng)絡來說，對GSM-R網(wǎng)絡的系統(tǒng)可用性和服務質(zhì)量要求都很高。GSM-R網(wǎng)絡調(diào)試和優(yōu)化尤為重要，現(xiàn)場測試圖如圖2所示，利用場強測試系統(tǒng)，在關(guān)閉全線基站和直放站的情況下，對各頻點（884．8+n＊0．2MHz、929．8+n＊0．2MHz，n=0，1，……21，22）的接收電平進行掃頻測試，測試車沿鐵路線低速行駛（≤60km/h），同時記錄GPS信息。當出現(xiàn)干擾信號時，如果可以目測確認是來自周圍運營商基站的干擾，可以提交無委會協(xié)調(diào)；如果無法確認，則需要進行干擾的定點測試。可根據(jù)測試結(jié)果，通過無委會協(xié)調(diào)要求干擾發(fā)射單位關(guān)閉干擾源，在無法關(guān)閉干擾源時，通過在此處調(diào)整頻率規(guī)劃避開干擾。

圖2 頻率干擾測試圖

5 結(jié)語

本文嘗試基于GSM-R理論對鐵路通信網(wǎng)絡數(shù)字移動通信系統(tǒng)進行規(guī)劃與設(shè)計，并對無線網(wǎng)絡覆蓋、頻率規(guī)劃以及有線傳輸網(wǎng)絡這幾個方面的設(shè)計問題進行分析與探討，在此基礎(chǔ)之上對基于GSM-R的鐵路通信網(wǎng)絡設(shè)計方案給出具體思路，整條線路可實現(xiàn)雙網(wǎng)絡覆蓋，對解決傳統(tǒng)意義上GSM-R網(wǎng)絡存在的呼叫成功率低、以及信道擁塞率高的等問題有非常積極的作用。考慮到GSM-R系統(tǒng)在鐵路的運用中話務量很低的情況下，在交叉并線區(qū)域采用分布式基站或者數(shù)字直放站的覆蓋方式進行小區(qū)合并，徹底解決頻率規(guī)劃中頻點不夠用的問題同時也避免了異小區(qū)非正常越區(qū)切換的問題，值得引起業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注與重視。