集通鐵路長大隧道GSM-R冗余方案研究

周 偉

(中鐵電氣化局集團有限公司設計研究院，北京 100166)

1 概述

集通鐵路是內蒙古自治區的重要鐵路干線，線路全長943.31 km，時速達160 km。蒙根塔拉站至大板站區間長約162 km，地形復雜，山塹相連，共有7 個隧道，其中克什克騰隧道（DK480+070 至DK490+805），長約10.735 km。鐵路設計規范規定，長度超過3 km 的隧道需冗余覆蓋[1]。在集通電氣化改造項目施工圖設計時，將統籌考慮克什克騰隧道、相鄰的南店隧道（DK491+055 至DK491+406）以及與基站機房（DK474+580 和DK492+620）相鄰的區間。本文將針對克什克騰隧道GSM-R 覆蓋問題，提出解決方案。

2 長大隧道方案研究

克什克騰隧道內冗余覆蓋可采用兩種技術：分布式基站或者數字光纖直放站，每種技術均可采用單網交織或者同站址雙網冗余覆蓋方式[2-3]。單網交織組網通過相鄰的場強互相覆蓋到對方站址，從而實現冗余覆蓋，同站址雙網是在同一站址設置兩套獨立無線設備，形成雙層網絡，從而實現冗余覆蓋，雙層網絡一般采用主備用的工作方式，即雙層網絡中的一層作為主用層，另一層作為備用層[4-5]。

2.1 分布式基站方案

2.1.1 單網交織組網

單網交織組網時，在克什克騰2 個隧道口機房各設置1 套BBU，每個BBU 順序接6 個RRU，各BBU 與RRU 之間通過2 芯光纖星型連接。由于隧道長度10.7 km，考慮交織冗余及RRU 的覆蓋范圍，RRU 間距為1.5 km 左右，隧道內共需設置8 套RRU，隧道內中間4 個RRU 可由BBU1和BBU2 提供主備信號源，兩側隧道端口的各2個RRU 則需接入DK492+620 基站BBU3，保證接引備用信號源。網絡結構如圖1 所示。其中，DK474+580 基站機房至克什克騰隧道口區間利用BTS+天線和RRU+天線進行普通單網覆蓋。克什克騰隧道口至南店隧道口區間利用RRU+天線進行普通單網覆蓋。南店隧道內采用RRU+漏纜進行普通單網覆蓋。南店隧道口至DK492+620 基站機房區間利用RRU+天線進行普通單網覆蓋。隧道內RRU+漏纜方式進行單網交織冗余覆蓋。

圖1 分布式基站單網交織組網示意圖Fig.1 Schematic diagram of single-network interleaving for distributed base stations

當隧道內任一RRU 故障時，相鄰的RRU 仍能提供覆蓋；當BBU1 或者BBU2 故障時，RRU 仍可由BBU3 和BBU2 或者BBU1 和BBU3 提供信號源，保證隧道內無線信號覆蓋。

2.1.2 同站址雙網組網

同站址雙網組網時，在克什克騰隧道的2 個隧道口機房各設置1 套BBU，隧道內每個站點設置兩套RRU，RRU 間距為2 km 左右，隧道內需在設置12套RRU。同站址的2 個RRU 分別接入兩個BBU，各BBU 與RRU 之間通過2 芯光纖星型連接。其中，偶數RRU 設備接引BBU1；奇數RRU 設備接引BBU2；BBU1 與BBU2 互為備用信號源，隧道內的RRU 無需接引BBU3。網絡組網如圖2 所示。隧道外無線覆蓋方式與上述單網交織組網時相同。

當隧道內任一RRU 故障時，同站址另一RRU仍能正常提供覆蓋；當BBU1 或BBU2 故障，BBU2 或BBU1 仍能提供信號源，保證隧道內無線信號覆蓋。但當同站址2 個RRU 同時故障，相鄰RRU 不能提供覆蓋，通信中斷。

2.1.3 分布式基站冗余方案分析

1）單網交織

優點：若RRU 單點故障，只影響RRU 對應覆蓋區域。BBU 單點故障，不影響無線覆蓋。由于分布式基站加密，覆蓋電平較高，抗干擾能力也較強。

缺點：RRU 加密后，供電點增加，需要的光纜芯數多。隧道內共小區后，正常情況隧道內2 個小區，同時需考慮故障情況下，BTS1、BBU3 與隧道端口BBU 的切換，頻率規劃復雜，切換次數多，增加了通信中斷的概率。

2）同站址雙網

優點：RRU 或BBU 單點設備故障，不影響無線系統覆蓋，系統可靠性較高。隧道內供電點相對減少，需要光纜芯數少。正常情況隧道內同一小區，避免小區切換和減少通信中斷概率。

圖2 分布式基站同站址雙網結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of double networks for the same site for distributed base stations

缺點：同站址雙網的兩層網絡覆蓋區域基本重疊，每一層網絡的覆蓋方式、覆蓋電平等與普通單網類似，抗干擾能力較差，且不具備容災能力。

分布式基站的單網交織和同站址雙網的比較分析，具體如表1 所示。

表1 網絡結構比較表Tab.1 Comparison between network structures

結合現場實際情況以及兩個網絡優缺點，克什克騰隧道適宜采用單網交織冗余方案。

2.2 數字光纖直放站方案

2.2.1 單網交織組網

隧道內采用數字光纖直放站單網交織組網時，在DK474+580 和DK492+620 處基站機房各設置1套BTS、2 套近端機、1 套功分器和1 套耦合器。遠端機的間距為1.5 km 左右，隧道內共需設置8套遠端機，前4 臺遠端機分別接引主用近端機1 和備用近端機4，后4 臺遠端機分別接引主用近端機3和備用近端機2，各遠端機與近端機之間通過2 芯光纖星型連接。網絡結構如圖3 所示。其中，克什克騰隧道外采用遠端機+天線方式進行普通單網覆蓋，南店隧道的遠端機接至近端機3，隧道內遠端機+漏纜方式進行單網交織冗余覆蓋。

當隧道內任一遠端機故障時，相鄰的遠端機仍能提供覆蓋；當任一近端機故障時，備用近端機仍能提供信號源，保證隧道內無線信號覆蓋。

2.2.2 同站址雙網組網

同站址雙網組網時，在DK474+580 和DK492+620 處基站機房各設置1 套BTS、1 套近端機和1臺耦合器，隧道內每個站點設置兩套遠端機，同站址的2 個遠端機分別接引兩個近端機，各遠端機與近端機之間通過2 芯光纖星型連接，接引方式與分布式基站同站址雙網相同。遠端機間距為2 km 左右，隧道內需在設置12 套遠端機。網絡組網如圖4所示。隧道外無線覆蓋方式與數字光纖直放站的單網交織組網時相同。

隧道內任一遠端機或近端機故障，仍能保證無線覆蓋，原理與分布式基站同站址雙網類似。

2.2.3 數字光纖直放站冗余方案分析

數字光纖直放站單網交織和同站址雙網除在兩處基站機房設置的近端機、功分器、耦合器設備數量不同，其余優缺點與分布式基站相同。

圖3 數字光纖直放站單網交織結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of single-network interleaving for digital optical-fiber repeater stations

圖4 數字光纖直放站同站址雙網結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of double networks for the same site for digital optical-fiber repeater stations

2.3 分布式基站和數字光纖直放站方案分析

分布式基站與基站設備同一廠家，便于維護管理，無需單獨設置網管設備，同時節省兩處基站機房的無線設備及供電點，且在公網實踐經驗中有更好的覆蓋效果，但需在隧道口建設機房。數字光纖直放站的設備價格較低，無需在隧道口建設機房，但需在兩處基站機房額外設置遠端機設備，并設置直放站網管設備。綜合考慮兩種方案的優缺點并結合現場實際情況，克什克騰隧道適宜采用分布式基站方案。

針對克什克騰隧道及其鄰近區域，分布式基站和數字光纖直放站的兩種冗余組網結構，4 種方案均能滿足鐵路設計規范的規定[6-7]。通過以上對比分析，結合現場實際情況以及考慮方便業主運維和無線場強覆蓋穩定性等方面，克什克騰隧道宜采用分布式基站單網交織冗余組網對隧道弱場進行覆蓋。

3 結束語

隨著鐵路系統智能化、數字化飛速發展，5G 技術將應用于鐵路無線通信系統[8]。5G 仍然沿用基帶射頻分離架構，采用AAU+BBU 方式實現小區覆蓋。分布式基站架構與5G 架構相同，采用分布式基站技術，能快速的平滑演進升級，也是最優低成本的演進方式。本文對于未來5G-R 技術解決長大隧道覆蓋，具有借鑒意義。