鐵路樞紐GSM-R系統網絡規劃及實施方案研究

劉盛堯

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

GSM-R 系統作為國內鐵路專用無線通信制式，不僅在高鐵線路得到了廣泛的應用，而且大量的普速鐵路也陸續建設了GSM-R 系統用于取代老舊的450 MHz 無線列調通信系統，受可用頻點、鐵路等級、業務需求等因素的限制，在鐵路樞紐地區尤其是大型樞紐地區合理的網絡規劃及實施方案就顯得至關重要。目前，國內鐵路樞紐地區的GSM-R 系統普遍存在以下問題。

1）BSC 接入方案缺乏規劃，影響通信質量及不同等級線路的維護管理工作。

2）站點布置缺乏規劃：站點布置未考慮后續線路接入的問題，給后續線路接入造成了極大的困難。

3）缺少統一的頻率規劃：由于GSM-R 系統頻率資源緊張，且各工程 GSM-R 系統頻率規劃只考慮滿足本工程需要，未結合樞紐情況進行統一規劃，導致樞紐地區網內干擾嚴重、后續線路引入困難，影響樞紐內網絡通信質量。

南昌地區是國內重要的鐵路樞紐，鐵路交通發達，南昌市是京九鐵路經過的唯一省會城市，京九鐵路、滬昆鐵路、西環鐵路、昌九城際鐵路、向莆鐵路、杭長客專等都在南昌市交匯，本文將以南昌樞紐的GSM-R 系統網絡規劃及實施方案為例展開論述。

2 網絡規劃

鐵路樞紐地區的GSM-R 系統規劃應建立在充分調查樞紐地區線路規劃基礎上開展，為了避免不必要的重復建設、降低實施中的難度，在規劃中應盡量減少對既有設備改動。如圖1 所示，杭長客專（設計速度350 km/h，CTCS-3 等級鐵路，GSM-R系統承載列控業務）自東向西橫穿整個南昌樞紐，并在樞紐地區與西環鐵路、京九鐵路以及向莆鐵路存在相鄰、交越、并行等位置關系，由于之前的線路缺少統一規劃導致杭長客專接入困難，因此，需對南昌樞紐進行統一規劃以便于杭長客專的引入，并為后續線路預留接入條件，以下將從BSC 設置、交越/交叉區段、并線區段、庫檢基站及相關站場、頻率規劃等方面進行討論。

圖1 南昌樞紐平面示意圖Fig.1 Layout of Nanchang Hub

2.1 BSC設置規劃

國內的GSM-R 移動交換網絡采用匯接網和本地網二級結構，路局設置本地網的交換中心，因此，BSC 的設置規劃是樞紐GSM-R 系統規劃的第一步。

1）不同等級鐵路的BSC 宜分別設置：考慮到業務需求、維護等方面問題，高鐵鐵路與普速鐵路的BSC 宜分別設置，列控等級鐵路與非列控等級鐵路的BSC 宜分別設置。

2）盡可能的減少移動終端跨BSC 切換：為保證良好的通信質量，應減少移動終端跨BSC 切換，但考慮設備廠家、業務需求、維護等方面因素，樞紐地區無法做到只設置一套BSC 設備，因此，跨BSC 切換是無法避免的，只能通過合理的規劃盡可能的減少切換的次數，尤其是CTCS-3 等級鐵路的GSM-R 系統承載了列控業務，對通信質量的要求更加嚴格。

南昌樞紐內既有京九、西環鐵路基站均接入京九在南昌設置的BSC 設備，向莆鐵路采用單獨設置的BSC 設備。如不進行BSC 規劃，則杭長客專在南昌樞紐內存在4 次跨BSC 切換，為保證通信網絡質量及方便設備監測及維護管理，需對樞紐內BSC 接入方案進行調整。調整方案為與杭長客專并線、交越的相關線路基站接入杭長客專的BSC 設備，調整后杭長客專在進入和離開南昌樞紐時均不發生跨BSC切換，該區段基站按照CTCS-3 區段設備進行維護管理，并能實現對杭長客專相關基站的Abis/A/PRI 接口監測。

2.2 交越/交叉區段覆蓋規劃

交越/交叉區段涉及到不同方向的多條線路，如果規劃不當就會造成區域內信號混亂，切換難以控制，嚴重影響通信質量，根據相關工程的經驗，大多用如下4 種解決方案。

1）交越/交叉點單基站解決方案：適用于非列控等級鐵路交越的情況，根據線路情況設置天線數量及角度。

2）交越/交叉點同站址雙網解決方案：適用于有列控等級鐵路交越的情況，實現冗余覆蓋，可根據線路情況設置天線數量及角度。

3）光纖直放站解決方案：適用于交越/交叉點不具備設置基站條件，多用于非列控等級鐵路交越/交叉的情況，但要控制好光纖直放站遠端機與信源基站的距離，以免產生時延干擾。

4）分布式基站解決方案：組網方式靈活，交越/ 交叉區段的覆蓋的有效解決方式，有列控等級鐵路交越時需考慮冗余覆蓋，分布式基站解決方案在相關論文著作中已有詳細介紹，本文在此不再贅述。

南昌樞紐杭長客專與其他線路交越/交叉區段的既有基站無法滿足CTCS-3 等級鐵路對GSM-R系統的要求，結合設備廠家的技術特點，南昌樞紐滬昆高鐵交越/交叉區段采用的是分布式基站A、B 網結構，用以替換既有基站，容量O2+O1，“A 網”配置1 套BBU、每個位置組配置兩套“A網”RRU，配置兩個載頻，每套RRU 配置1 個載頻；“B 網”配置1 套BBU、每個位置組配置1 套“B 網”RRU，配置1 個載頻，連接示意如圖2 所示。

圖2 分布式基站連接示意圖Fig.2 Schematic diagram of connections of distributed base stations

根據規劃，在交越/交叉點為既有浙贛鐵路（普速）450 MHz 無線列調改造以及新建昌吉贛客專預留接入條件，如圖3 所示。

2.3 并線區段覆蓋規劃

鐵路GSM-R 系統的頻率資源十分有限，對于并線區段的統一規劃可以充分利用頻率、基站資源，實現“資源共享”，如果并線線路的等級不同，則站點、站距設置應以滿足高等級鐵路的標準為原則，為減少跨BSC 切換并線區段基站宜接入高等級鐵路BSC。如圖1 所示杭長客專在南昌樞紐與向莆鐵路、西環鐵路均有并線、交越區段，且向莆鐵路、西環鐵路均先于杭長客專開通，因此在向莆鐵路、西環鐵路的建設過程中基站站點需按CTCS-3 等級鐵路標準為杭長客專預留條件，根據BSC 設置規劃，杭長客專開通時并線、交越區段的基站均接入杭長高鐵的BSC 設備。

2.4 庫檢基站及相關站場的覆蓋規劃

樞紐地區存在著一定數量的動車所、機車庫、存車場等站場，需設置基站實現GSM-R 網絡的覆蓋，由于動車所、機車庫的庫房的屏蔽效果好，因此在實際工程中可采用室外站場空間波覆蓋+室內庫房室內分布覆蓋的方式解決，這些站場往往都是與正線連接，基站的設置需結合正線基站的規劃進行：一方面，結合線路走向規劃站點設置、鄰區關系；另一方面，為保證站場及正線覆蓋質量良好，應控制好與臨近基站覆蓋范圍避免相互干擾。

圖3 其他線路交越/交叉點預留基站示意圖Fig.3 Schematic diagram of base stations reserved for the crossings of other lines

如圖4 所示，南昌樞紐設有南昌西動車所，向莆鐵路在南昌西動車所設置1 套基站NanChangXiDCS，采用鐵塔+天線的方式覆蓋動車所及向莆鐵路，為保證覆蓋效果，向莆鐵路在路塹彎道處還設置了1 套直放站，該直放站設置1 套北向天線實現彎道處的覆蓋以及NanChangXiDCS 基站與西環線LHD-SM04基站的切換，其信源基站為NanChangXiDCS。由于NanChangXiDCS 基站與杭長高鐵正線NCXGA02_BUA 基站距離只有900 m 左右，為避免NanChangXiDCS 基站對杭長高鐵正線的影響，擬將南昌西動車所基站的鐵塔天線改為動車所室內覆蓋天線，動車所室外部分及動車走行線采用杭長正線NCX-GA02_BUA 基站進行覆蓋，彎道處所設直放站設備的信源基站仍為NanChangXiDCS 并增設1 副南向天線用于實現NanChangXiDCS 與杭長高鐵NCX-GA02_BUA 的切換。

2.5 頻率規劃

通過對GSM-R 主要業務的估算（點對點呼叫、組呼、廣播呼叫、CSD 數據業務、GPRS 數據業務等），確定基站的載頻數。對樞紐地區頻率方案進行整體規劃，調整同鄰頻復用距離，消除對不合理的頻點使用，并對將來有可能進行G 網覆蓋的線路進行頻點預留。在實際規劃過程中需結合具體工期節點分布規劃。

圖4 南昌西動車所平面示意圖Fig.4 Layout of Nanchang West EMU Depot

3 實施方案

由于鐵路樞紐地區的線路多、各條線路之間的關系復雜，尤其存在著大量的既有線路，在實施過程中如何在滿足工期的前提下，兼顧既有線路的正常運營，使實施工作對既有線路的影響程度降到最低就顯得的至關重要，這就需要根據樞紐地區GSM-R 系統網絡的規劃，制定合理、有效的實施方案。

3.1 總體實施規劃

由于鐵路樞紐地區的GSM-R 系統網絡調整工作量及難度都很大，在實施過程中“一步到位”的可行性不大，因此需要結合具體情況制定總體的實施規劃，有計劃的分步實施，針對各分布實施工作指定具體的方案及應對措施。

南昌樞紐的GSM-R 系統網絡調整是由杭長客專引入而引起的，杭長客專的是分東、西兩端分別開通，其中，西段（南昌西—長沙南）先期開通，東段（杭州東—南昌西）比西段延后約半年開通，結合具體工期，南昌樞紐地區GSM-R 系統網絡調整的實施工作總體規劃如下：

1）按具體工期要求完成杭長客專西段相關基站替換的調整工作（含南昌西動車所），由于并線、交越區段的基站主要集中在東段，因此并線、交越/交叉區段基站的BSC 設備割接工作在東段完成；

2）按具體工期要求先完成杭長客專東段并線、交越/交叉區段的基站接入杭長BSC 設備的割接工作，之后完成杭長高鐵東段相關基站的替換工作；

3）南昌樞紐GSM-R 系統頻率調整，上述調整主要是“點”、“線”范圍內的調整，影響范圍不大，但樞紐地區的頻率調整涉及整個樞紐范圍內（含既有鐵路）的40 余處基站的大面積調整，尤其是涉及京九、西環、向莆等既有線路，因此頻率調整需充分準備，提前申請施工計劃，利用施工天窗點完成調整工作。

3.2 具體實施方案

實施方案是要把之前的所有規劃落到實處，因此要力求方案的完整細致，方案需涵蓋前提條件、數據準備、操作步驟、時間節點、驗證方案、撥測記錄、應急措施、倒回方案、值守人員安排、添乘優化等內容。

前提條件、數據準備屬于前期工作：編號方案的批復，施工計劃的申請及批復，與現網運營維護單位簽訂相關保密、安全、施工協議；設備安裝、配線工作已完成，電路通道測試無誤，設備單機加電調試正常；中心設備工作正常；實施人員、測試儀器儀表和工具到位；數據參數完成編制、審核，并在實驗室通過測試。

操作步驟、時間節點：包括實施過程中每一步的操作說明，并對應具體時間要求，以便實施過程中的進度把控；操作步驟除了詳盡的說明具體操作內容，還要明確操作、復核等具體人員及職責。

驗證方案、撥測記錄：實施操作完成后需進行相關的撥測驗證，以確保實施的正確無誤，測試人員應包括現場測試人員、后臺跟蹤人員，針對具體測試項目做好撥測記錄，并存檔備查。

應急措施、倒回方案：針對實施過程中可能出現的異常情況，制定具體的應對措施；開始實施操作前應備份現網數據，在實施不成功時將網絡恢復原來的狀態。

值守人員安排、添乘優化：實施完成后，應安排值守人員在網管進行值守工作，以確保網絡的正常運行；安排具體測試人員添乘測試列車，驗證實施工作對既有線路的運營是否有影響，如有影響則立即進行相關的優化工作。

3.2.1 基站替換方案

樞紐內的基站替換往往是由于既有的基站無法滿足樞紐引入的要求而需新設基站替換既有，既有基站一般都帶著既有線的業務，所以基站替換方案的難點就是如何減少對既有線的影響。在實際施工中一般都是申請施工天窗點，在天窗點內完成調整。但南昌樞紐的基站替換方案同時涉及京九、西環、向莆等多條既有線，每條線路的天窗點時間都不一樣，天窗時間沒有“交集”，尤其是京九鐵路是國內南北重要的鐵路運輸大通道，是“八縱八橫”骨干鐵路之一，是國內最為繁忙的鐵路線之一。為了不影響既有鐵路的正常運營，南昌樞紐基站替換的方案采用“分層開啟，分層關閉”的方式。

前文描述在南昌樞紐的多條線路交越/交叉區段采用的是分布式基站A、B 網結構，利用A、B兩層網的特點。首先開啟A 層網，同時配置好A 層網與相關基站的鄰區關系等數據，并設置參數使終端優先接入既有基站。A 層網開啟后測試人員進行測試驗證，確認A 層網數據配置無誤、設備工作正常后，后臺人員檢查既有基站是否有用戶占用，如無用戶占用，關閉既有基站，并設置參數使終端優先接入A 層網（A、B 網正常情況下優先接入A網），這時既有業務由A 層網負責承載，之后開啟B 層網，測試人員對B 層網進行測試驗證，驗證成功后完成替換工作。

3.2.2 基站接入BSC設備割接方案

基站接入BSC 設備的割接方案的重點是數據準備、電路通道驗證，割接前務必仔細核對GSM-R參數數據及傳輸通道數據，確保數據的準確性，通過設置測試端口，驗證每一條電路通道；為確保對既有線無影響，割接后的基站設備參數應保持不變。

3.2.3 頻率調整方案

根據頻率規劃制作數據腳本，并通過各級復核確保數據的準確性，數據的準確性是頻率調整的關鍵。為便于實施，頻率調整工作可分布進行。南昌樞紐的頻率調整工作，根據杭長高鐵的具體工期，分以下3 步實施。

1）杭長客專西段交越區段基站替換的調整工作，由于整個樞紐不具備整體頻率調整的條件，新設基站頻點采用臨時可用頻點，其余基站保持不變。

2）杭長高鐵東段并線、交越區段的基站接入杭長BSC 設備的割接工作同時割接的基站采用臨時可用頻點，交越區段基站替換調整工作同時新設基站采用臨時可用頻點，其余基站保持不變。

3）以上兩次的頻率調整只是為了滿足杭長客專引入而作的臨時頻率調整，并未完全解決南昌樞紐GSM-R 網絡頻率混亂的問題，根據樞紐地區的頻率規劃，在施工天窗點內對樞紐范圍內40 余處基站進行徹底的頻率調整。

4 結束語

隨著近些年國內鐵路的高速發展、GSM-R 系統的不斷普及，鐵路樞紐的引入的難度也越來越大，在充分調查的基礎上，合理的規劃站址、站距以及設備配置可以避免不必要的重復建設，降低樞紐內GSM-R 系統內部干擾。實施的可行性是建立在合理規劃的基礎上，詳盡的實施方案是實施成功的有力保障，隨著科技的不斷進步、通信設備的不斷更新以及工程經驗的不斷豐富，將會給鐵路樞紐GSM-R系統規劃及實施提供更好的解決方案，這需要在將來的工作中進一步研究和探討。