高速鐵路GSM-R無線網精細化設計研究

楊 帆

(中國鐵建電氣化局集團有限公司 北京 100043)

1 引言

近年來，全國鐵路建設系統深入貫徹落實黨中央和國鐵集團高質量發展理念，鐵路建設正在由速度規模型向質量效益型轉變。質量效益除了施工建設實體控制外，設計工作是鐵路建設的起點，設計質量和設計的精細程度直接影響鐵路的質量和效益。根據現場工程實施經驗，在鐵路建設中存在精細程度不夠或設計余量過大而導致的投資浪費和施工、維護不便等問題。

無線網基站或直放站，GSM-R無線網區間基站及直放站的選址、間距和場坪面積大小直接影響著鐵路投資和建設、維護的便利性，開展高速鐵路GSM-R無線網精細化設計勢在必行。

2 選址原則及場坪布置

2.1 選址原則

(1)合理確定基站間距。平原開闊區域，鐵塔高度高出軌面20～25 m時，單網交織覆蓋方式基站站間距可設置為3.7～4.2 km，單網覆蓋方式基站站間距可設置為6～8 km。基站間距還應結合所在區域電磁環境、山體或建筑物阻擋等因素綜合確定。根據已開通高速鐵路測試數據，平原開闊區域連續4～4.2 km基站間距可以滿足場強覆蓋和服務質量要求。

(2)合理確定直放站間距。直放站用在隧道內及隧道口附近，目前設計基本采用數字直放站[1]。單網交織覆蓋方式[2]隧道內遠端機間距為1.5 km；單網方式為2.5 km[3]。

(3)無線信號為視距傳播，前后兩處站址之間應避免山體或建筑物阻擋。

(4)應選擇在地勢較高且平坦的地方[4]，為便于施工和維護，減少通站道路等配套設施投資，原則上選擇在既有道路旁邊，并注意躲避高壓線、墳地和房屋。

(5)基站、直放站院落的開門位置要根據地形和既有道路位置合理確定，使通站道路最短，投資和占地更少。

(6)在特寬河道以及山區丘陵地區、隧道區段等特殊地形區域，應先布設這些區域的基站，再布設其他區域基站或直放站。

(7)山區基站選址要考慮控制填方、挖方的土建工程量，要兼顧通站道路的設置條件，兼顧施工及維護的便利性。

(8)要關注站址所在地區空軍、機場等對鐵塔高度的要求。

(9)為節約用地，節省相關配套設備的投資，在滿足本系統技術要求的前提下應進行綜合、集約化選址，基站原則上應與信號中繼站合設[5－6]。

(10)用地圖應根據現場踏勘情況在線路圖和站場圖標注基站和直放站，標明機房和院落的長寬尺寸，提高上圖精度，注意現場踏勘確定的位置與圖紙上位置的一致性。

(11)基站院落內一般設有電力箱式變壓器，部分基站還設有電抗器，直放站院落內可能沒有電力箱式變壓器，在設計用地圖時，應與電力專業核實每個點的電力設施類型和尺寸，合理設計院落尺寸，并準確體現在用地圖中。

(12)選址應滿足50年或百年洪水位要求，盡可能避開地勢低洼區域，在地勢低洼長大區域布設基站時，應合理確定該區域內站址高程，可采用在吊腳樓上設置機房的方式。

(13)隧道口直放站選址應結合隧道口地勢情況合理確定，若地勢較為平緩可在隧道口設置直放站，若地形陡峭或為滑坡地段，可將直放站設置在距離隧道口最近的洞室內。

(14)隧道區域基站僅作為信源接直放站近端機，由于時延問題不宜再接天饋線[7]，基站的物理位置可以在較大范圍內移動。在保證冗余覆蓋和直放站系統時延的前提下可靈活選址，將基站設置在地形較好，有通站道路，便于維護的位置。當基站選址困難時，可考慮合設，但每處合設的基站不宜超過2套。

2.2 場坪布置

(1)基站場坪布置

基站機房約為30 m2，由于設備機柜和防靜電地板尺寸均為0.6 m×0.6 m，為減少防靜電地板切割，提高機房的整體性和美觀性，建議機房內實際尺寸應為0.6 m的整數倍，將機房尺寸設計為3 m×9.6 m。

基站院內一般為4個引入井，其中2個是通信引入井，1個是防災引入井，1個是電力引入井，引入井尺寸應根據維護單位需求確定。

高速鐵路通信鐵塔一般為四柱鋼管塔，這種鐵塔地面以上部分較小，根開一般不大于5 m，但制作鐵塔基礎時的開挖面積較大，可按10 m×10 m設計。由于四柱鋼管塔的無縫鋼管質量難以把控，目前正在逐步改為組合式單元鐵塔，組合式單元鐵塔的基礎與四柱鋼管基礎大小基本一致。

基站場坪內機房、鐵塔和箱變一般按“品”字形布置，如圖1所示。

圖1 “品”字形基站場坪(單位:m)

在丘陵、山區等地勢不好的區域，結合具體地形，基站場坪內設施可按“一”字形設置，如圖2所示。

圖2 “一”字形基站場坪(單位:m)

(2)直放站場坪布置

直放站機房一般不大于10 m2，可按3 m×3 m設計。由于直放站鐵塔高度一般在35 m及以下，鐵塔基礎的開挖面積可按8 m×8 m設計。帶鐵塔和箱變的直放站典型場坪如圖3所示。

圖3 典型直放站場坪(單位:m)

直放站場坪也可根據不同的地形按“品”字形或“一”字形設計，場坪內是否有電力箱變應與電力專業核實確定。

山區鐵路部分基站或直放站場坪內可能無鐵塔，在場坪設計時應根據GSM-R無線網方案，核實每處基站或直放站的設備設施，根據實際設施情況設計場坪尺寸，避免簡單地采用一種固定的圖塊，導致用地過大和投資浪費。

3 隧道口區域覆蓋方案

3.1 覆蓋方案比選

對于短隧道和隧道群較多GSM-R無線網需采用冗余覆蓋方案的高速鐵路[8]，隧道口多為地形陡峭或滑坡地段，區間及隧道口設備選址困難，若在隧道口設直放站等設備，安全風險和施工難度都很大，通站道路也無法保證。可將隧道口連接天線的直放站遠端機放置于距隧道口50～100 m處的洞室內，解決隧道口選址和通站道路困難的問題，將遠端機設置于隧道洞室內也更加安全，減少山體滑坡等地質因素對GSM-R系統的影響。

直放站遠端機放置于距隧道口50～100 m處的洞室時，連接隧道口天線有以下三個方案[9]。

方案一:在距隧道口50～100 m處的洞室設1套直放站，通過7/8饋線拉至隧道口，接隧道口的天線和漏纜，如圖4所示。

圖4 直放站經饋線接天線方案

方案二:在距隧道口50～100 m處的洞室設1套直放站，利用電橋實現隧道內、外冗余覆蓋，如圖5所示。

圖5 單套直放站經電橋和漏纜接天線方案

方案三:在距隧道口50～100 m處的洞室設2套直放站，利用雙套設備實現隧道內、外冗余覆蓋，如圖6所示。

圖6 雙套直放站經電橋和漏纜接天線方案

方案三對隧道外的覆蓋距離更遠，但為了冗余覆蓋，使用了較多的設備，不經濟。方案一、二均能實現隧道口和隧道內冗余覆蓋。

但方案二在每個隧道口增加了電橋和負載等無源器件，且跳線較多，導致故障點較多，故推薦采用方案一。

3.2 鏈路預算

對于方案一，考慮到隧道口情況復雜，可能無法立塔，可按天線掛設在12 m鋼桿進行設計。采用 Hata模型對鐵路沿線的GSM-R網絡覆蓋進行建模，并分析計算覆蓋情況[10]，如圖7所示。

圖7 Hata模型鏈路預算示意

Hata模型以市區路徑傳播損耗為基準，在此基礎上對其他地區進行修正，市區傳播路徑損耗基準公式為:

移動天線修正因子為:

郊區的路徑損耗修正模型為:

根據已開通項目聯調聯試和網絡優化經驗，單網覆蓋時，GSM-R最低電平一般不小于－75 dBm，鏈路預算時場強覆蓋最低電平可按－75 dBm。由于機車電臺功率較高，GSM-R為下行(基站發射，移動臺接收)受限系統，下行鏈路預算值就是基站覆蓋的最小距離，具體鏈路預算如表1所示。

表1 隧道口直放站覆蓋距離預算(直放站設在隧道內100 m的位置)

根據以上鏈路預算，直放站設置在隧道內100 m位置，隧道口天線掛高12 m時，單側隧道口的直放站能覆蓋約1.7 km。

4 隧道內切換區方案

為保證切換時不受其他網絡影響，隧道區域的切換區建議設置在隧道內。在兩個直放站主從信源均不相同的切換區(漏纜內有4個基站的信號)，若其中一處直放站故障，前一個直放站的信號無法進入到下一段漏纜中，會導致切換失敗。由于小區重選流程的時間較長，移動臺發起小區重選后，可能會移動到下一段漏纜的覆蓋區域，無法與前一個直放站建立連接，從而導致小區重選失敗，這種問題在以往的聯調聯試測試時曾多次遇到[11]。

為保證單處直放站故障時小區切換和重選不受影響，切換區的兩個直放站要加電橋連接漏纜，如圖8所示。

圖8 兩個直放站主從信源均不相同的切換區設備連接方案

隧道內切換區鏈路預算[12]如表2所示。

表2 隧道內切換區直放站覆蓋距離預算(帶電橋)

鏈路預算結果表明，單處遠端機故障時，不影響隧道內切換區的無線覆蓋。

5 結論

(1)施工圖設計階段，在進行區間用地圖設計時要多做幾種基站和直放站的場坪布置圖，并根據實際地形和場坪內的實際設施情況，選擇合適的布置圖。由于設計和實際施工基本都存在一年以上的時間間隔，現場選址和施工期間應根據地形變化情況進行設計優化和調整。

(2)高速鐵路的設計、施工和運營都是多專業合作的成果。GSM-R無線網涉及電力、建筑、線路和站場等多個工程配合，通信專業按精細化要求進行GSM-R無線網設計時，也需要相關專業合理控制設計余量，做到集約化、精細化設計。

(3)雖然GSM-R無線網及配套設施的投資占鐵路整體投資的比例很小，但精細化設計GSM-R無線網可以在一定程度上減少耕地占用、減少工程投資，增加施工和運營維護的便利性，為鐵路建設向質量效益型轉變貢獻力量。