蘭新線天山隧道GSM-R區段采用分布式基站和天線取代漏纜研究

劉憲忠

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

1 研究目的和意義

針對隧道內漏纜覆蓋存在的問題，根據既有線路車速較低隧道效應顯著的特性，結合鐵路隧道具有長短不一、空間狹窄、話務量小等特性，部分隧道采用方向性好、體積小、增益高等特點的專用天線進行覆蓋，可有效降低施工難度、工程造價、設施維護要求，符合節能環保總體趨勢，對推進既有線GSM-M改造工程、保障鐵路行車安全和正常運營具有重要現實意義。

2 主要研究內容

2.1 總體設計思路

分析GSM-R信號在隧道內的傳播特性，在滿足GSM-R系統技術要求的基礎上，提出隧道內采用天線代替漏泄同軸電纜覆蓋的技術方案。采用Okumura-Hata模型，結合基站、分布式基站設備和小型雙極化定向天線增益等參數，對蘭新線天山隧道內覆蓋進行模擬場強覆蓋計算和預測。

在技術方案中，模擬測算采用天線信號在隧道內覆蓋衰減模型圖，天線選擇適合空間受限的小型雙極化定向天線，天線增益為10dBi，信號源采用華為分布式基站設備。考慮火車在隧道中的填充作用對信號傳播有影響，冗余量按10dB考慮。覆蓋方案按95%的時間、地點概率下最小可用接收電平為-98dBm的覆蓋設計。

技術方案：Pout：40dBm；

Lpath（d）：傳播損耗；

Lcable（d）+Ljumper：5dB；

Gant：天線增益10dBi；

f－工作頻率（按930MHz計算）；

d－傳播距離（m）；

覆蓋距離計算公式如下：Lpath（d）=20lgf+30lgd-28dB；

根據上述模型以及允許的路徑損耗，得出基站的覆蓋預測結果為：隧道使用分布式基站+小天線的方案，覆蓋距離為2100m。

2.2 系統研制技術要點

2.2.1 天線覆蓋計算

通過各種電波傳播模型進行分析，使用天線覆蓋時，根據鐵路環境特點結合Okumura-Hata模型公式，車站區域采用開闊地模型、明區間采用鄉村公路模型，隧道采用隧道模型。經理論分析計算，設備發射功率5W，鐵塔高度30m，邊緣場強-98dBm（95%），無源功分插損4dB，明區間冗余儲備16.8dB，隧道環境冗余儲備10dB的情況下，覆蓋距離理論計算如下表1：

表1 覆蓋距離理論計算

根據隧道長度、避車洞位置，選擇合適的位置安裝RRU設備和天線，實現隧道內的信號覆蓋。

2.2.2 系統可靠性

在隧道內節點，系統采用A、B網冗余機制。在達坂城車站設置了2套BBU設備（BBUA和BBUB），BBUA和BBUB通過不同的2M環路接入BSC。在隧道內節點設置了2套RRU（RRUA和RRUB）設備，RRUA和RRUB利用2條光纜中各2芯光纖分別接入達坂城車站的BBUA和BBUB。

2.2.3 設備可靠性機制

每套BBU設備由2臺BBU設備組成（BBU主、BBU備），每套RRU設備由2臺RRU設備組成（RRU主、RRU備）。RRU主、RRU備分別接入BBU主、BBU備，同時BBU主備和RRU主備設備之間通過光纖互聯。RRU主備采用電橋、跳線、饋線同時與天線連接。

在實施中，考慮小型化天線的尺寸、性能及安裝支架的強度，在實現信號覆蓋的參數指標同時，保證設備結構強度滿足鐵路列車200km/h速度下的安全運用要求。

2.3 隧道內安裝天線與敷設漏纜施工比較

2.3.1 隧道內漏纜施工

（1）施工內容：隧道施工涉及蘭新線天山站至達坂城站一個區間，3個隧道，其中天山一號長1555m，天山二號隧道4002m，天山三號隧道3322m。隧道漏纜施工內容主要包括隧道壁劃線定位、隧道壁漏纜卡具打眼及安裝卡具，沿卡具敷設漏纜、隧道內漏纜接續等內容。

（2）施工計劃：隧道內所有施工必須在烏魯木齊局集團有限公司審批的封鎖施工計劃范圍內進行。蘭新線天山隧道群施工天窗均在夜間，每日施工天窗時間為120分鐘。

作為本項工程中重難點單項工程之一，在工程《實施性施工組織設計》中天山隧道群漏纜施工安排的工期為：30個施工天窗。

2.3.2 隧道內安裝天線施工

（1）施工內容：隧道施工涉及蘭新線天山站至達坂城站一個區間，3個隧道，其中天山一號長1555m，天山二號隧道4002m，天山三號隧道3322m。隧道漏纜施工內容主要包括基站設備安裝、天線安裝和基站設備至天線的饋線敷設等內容。固定安裝天線合計10副，其中隧道口6副，隧道內2處4副。

（2）施工計劃：隧道內所有施工必須在烏魯木齊局集團有限公司審批的封鎖施工計劃范圍內進行，蘭新線天山隧道群施工天窗均在夜間，每日施工天窗時間為120分鐘。

隧道內采用天線代替漏泄同軸電纜覆蓋的技術方案后，計劃10個施工天窗，完成了天山隧道群內基站設備安裝、天線安裝和線纜連接等相關的施工作業。

隧道內采用安裝天線方案相較敷設漏纜具有明顯優勢，安裝天線受隧道電磁環境影響小，施工難度低和周期短，降低了后期維護工作量和成本，間接降低了對鐵路行車組織和行車安全影響。

3 技術方案

3.1 系統結構

3.1.1 系統組成對天山隧道群GSM-R覆蓋采用分布式基站+天線覆蓋方式，根據場強覆蓋預測計算和隧道長度、避車洞位置等，系統組成如圖1所示。

圖1 天山隧道群GSM-R系統圖

3.1.2 天線安裝

隧道內天線采用小型雙極化定向天線，天線安裝如圖2所示。

3.2 系統部署方案

隧道群覆蓋采用多RRU共小區，根據規范要求，隧道內分布式基站采用A/B網冗余覆蓋組網，確保一個BBU設備和任一RRU之間光纖中斷時，RRU仍能提供服務；確保任一RRU故障發生故障，相鄰RRU仍能提供服務。

4 隧道內天線覆蓋方案的實施應用

根據天山隧道群內天線代替漏泄同軸電纜覆蓋的技術方案，采用分布式基站設備（DBS3900）帶不同規格型號天線（雙極化定向天線17dBi+小型雙極化定向天線10dBi）、兩副小型雙極化定向天線和三副小型雙極化定向天線，實際使用12個施工天窗，組織完成天山隧道群內分布式基站設備和天饋線安裝實施工作。通過網管駐波測試，結果表明各種情況下分布式基站設備天饋駐波均滿足技規要求（≤1.4）。

5 服務質量測試、分析

系統調試完成后，利用電務試驗車搭載進行了多次測試，在天山隧道區段GSM-R場強覆蓋、服務質量均滿足設計規范相關要求，滿足鐵路對行車安全和運營組織要求。同時可有效降低施工難度、工程造價、設施維護要求，對推進既有線GSM-M改造工程、保障鐵路行車安全和正常運營具有重要現實意義。