既有鐵路GSM-R系統(tǒng)工程設計研究

劉盛堯，李 堅

（1．中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055）

（2．中國鐵路北京局集團有限公司，北京 100038）

1 概述

既有鐵路GSM-R系統(tǒng)工程屬于更新改造工程，項目投資往往都非常緊張。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗，在GSM-R系統(tǒng)工程中，機房、桿塔、征地賠補的成本往往要高于通信設備購置及安裝調(diào)試的造價，尤其是征地賠補的費用具有極大的不確定性，并且既有鐵路的車站及線路情況復雜，這就需要設計人員在充分調(diào)查既有資源的基礎上，盡可能利用既有資源，制定有針對性的解決方案。

首先，設計人員在充分調(diào)查、收集既有鐵路相關資料的基礎上進行分析、歸納，確定主要問題；其次，針對不同的問題制定相對應的解決方案；最后，在實施過程中全程跟蹤。

2 問題分析

本文以京哈鐵路中國鐵路北京局集團有限公司（簡稱北京局集團）管段為例，鐵路起始于北京站，途徑河北、天津，設有北京站、北京東、雙橋等32個車站，全長298.8 km，沿線經(jīng)過地區(qū)經(jīng)濟狀況較為發(fā)達，線路情況復雜，與大秦鐵路、津秦高鐵、張?zhí)畦F路、遷曹鐵路等既有GSM-R系統(tǒng)的鐵路有交叉并線關系。經(jīng)過現(xiàn)場勘查后發(fā)現(xiàn)以下問題急需解決。

問題1，車站：車站鐵塔多為老式角鋼塔，塔高、承重均無法滿足GSM-R系統(tǒng)的需求，需新建鐵塔，由于既有車站站場用地緊張，多處新建鐵塔位置距離機房超過100 m，基站（Base Transceiver Station，BTS）+天饋系統(tǒng)的方式無法實施。

問題2，區(qū)間：考慮到征地賠補的費用具有極大的不確定性，新設區(qū)間站點應盡量設置在鐵路紅線范圍內(nèi)，減少征地賠補，并盡可能實現(xiàn)“零征地”。

問題3，特殊區(qū)段：與多條既有GSM-R系統(tǒng)的鐵路有交叉、并線關系，網(wǎng)絡規(guī)劃難度大，尤其是大秦鐵路，為承載機車同步操控業(yè)務的重載鐵路，GSM-R系統(tǒng)無線網(wǎng)采用冗余覆蓋方式，網(wǎng)絡規(guī)劃難度大。

解決這些問題需要設計人員充分利用既有技術、創(chuàng)新設計理念，制定切實可行設計方案，在功能性和經(jīng)濟性方面都達到相關要求。

3 方案制定

3.1 組網(wǎng)方案

1）設備選型

在充分查閱調(diào)研現(xiàn)有GSM-R系統(tǒng)設備的最新技術資料基礎上，梳理出可供研究的關鍵性技術信息。

眾所周知，目前，BTS、分布式基站（含基帶單元（BBU）、射頻拉遠單元（RRU））、數(shù)字直放站均為GSM-R系統(tǒng)無線覆蓋的主流設備，其中，數(shù)字直放站主要使用于隧道弱場區(qū)段，由于京哈鐵路地處平原，且數(shù)字直放站只能以“共小區(qū)”的模式進行無線覆蓋，因此，京哈鐵路GSM-R系統(tǒng)無線覆蓋僅考慮基站與分布式基站搭配組網(wǎng)。

為節(jié)約區(qū)間基站用地，設計方案考慮引入室外型一體化機柜替代傳統(tǒng)機房。室外型一體化機柜已廣泛的應用于公共移動通信系統(tǒng)（移動、聯(lián)通、電信等運營商），直接處于戶外氣候環(huán)境條件下，內(nèi)部可集成通信電源、溫控、監(jiān)控等系統(tǒng)功能，各集成模塊若發(fā)生故障可單獨更換，為內(nèi)部通信設備提供機械和環(huán)境保護的柜體。其特征是集成度高、擴展靈活、安裝簡單、支持整散件運輸、整體運輸和吊裝、設備空間按溫度邏輯分區(qū)、免進人維護等。

以下將針對基站組網(wǎng)方案、基站+分布式基站混合組網(wǎng)方案、分布式基站組網(wǎng)方案，從系統(tǒng)技術指標、實施指標、經(jīng)濟指標3方面進行比選。

2）技術、實施指標比選

方案一：基站組網(wǎng)方案。在車站及區(qū)間設置BTS設備，主要板卡冗余配置，頻率利用率低，可靠性高；區(qū)間基站需新建機房及配套設施，經(jīng)現(xiàn)場勘察測量，部分場坪超出了鐵路限界，需新增用地，實施難度大；此方案無法解決車站新建鐵塔位置距離機房過遠的問題。

方案二：基站+分布式基站混合組網(wǎng)方案。在車站設置BTS設備，區(qū)間設置分布式基站RRU設備，RRU設備通過光纖與基站設備連接，主要板卡冗余配置，頻率利用率高，可靠性高；區(qū)間RRU設備可采用室外型一體化機柜安裝，占地面積小，經(jīng)現(xiàn)場勘察測量，可將場坪控制在鐵路限界內(nèi)，無新增用地，實施難度小；利用BTS/BBU設備與RRU設備靈活組網(wǎng)，將RRU設備與鐵塔同址設置，可以解決車站新建鐵塔位置距離機房過遠的問題。

方案三：分布式基站組網(wǎng)方案。在車站設置分布式基站BBU設備，車站及區(qū)間設置分布式基站RRU設備。根據(jù)BBU設備配置的載頻數(shù)，RRU設備通過光纖與BBU設備連接，設備均冗余配置，頻率利用率高，可靠性高；區(qū)間分布式基站可采用室外型一體化機柜安裝，占地面積小，無新增用地，實施難度小；該方案同樣可以解決車站新建鐵塔位置距離機房過遠的問題，如圖1所示。

圖1 基站與分布式基站安裝對比示意Fig.1 Schematic diagram of comparison of base station and distributed base station installation

3）經(jīng)濟指標比選

通過針對京哈鐵路車站間距8 km以下區(qū)間、8～10 km區(qū)間、10～16 km區(qū) 間、16～18 km區(qū) 間、20 km以上區(qū)間5種情況對基站組網(wǎng)、混合組網(wǎng)、分布式基站組網(wǎng)方案進行造價分析，得出單區(qū)間綜合造價如圖2所示。

圖2 單區(qū)間綜合造價比選Fig.2 Comprehensive cost comparison and selection of single section

混合組網(wǎng)方案既充分利用BTS設備覆蓋能力強的特點，又很好的利用了RRU設備組網(wǎng)靈活、便于安裝的優(yōu)點，綜合造價最低。

4）進一步優(yōu)化

在現(xiàn)場調(diào)查過程中小組成員發(fā)現(xiàn)京哈沿線既有視頻鐵塔塔齡不足10年，狀態(tài)良好，鐵塔高度滿足本工程GSM-R覆蓋的需要，因此考慮鐵塔利舊方案，并綜合考慮GSM-R網(wǎng)絡覆蓋的需求，可以大幅的減少新建鐵塔數(shù)量。

考慮到工程中征地費用的不確定性，本工程考慮采用室外型一體化機柜取代磚混結構的機房，大幅度減少了場坪的使用面積，使得所有場坪均納入鐵路限界范圍內(nèi)，可實現(xiàn)全部新建站點“零征地”。

室外型一體化機柜雖已廣泛的應用于公共移動通信，公路旁、小區(qū)內(nèi)等公共區(qū)域均隨處可見，但是由于可靠性差、功能分區(qū)簡單等問題，未在鐵路GSM-R系統(tǒng)中得到廣泛應用。因此，設計人員在積極調(diào)研運維單位需求、分析各供貨商的設備特點的基礎上，對室外型一體化機柜進行了優(yōu)化設計，為鐵路“量身定制”GSM-R系統(tǒng)室外型一體化機柜。較公網(wǎng)應用的室外型一體化機柜做如下優(yōu)化：優(yōu)化柜體結構尺寸，集成電源雙切箱，規(guī)范功能分區(qū)；對柜體的材質(zhì)、厚度、耐腐蝕、防火、保溫提出具體要求；要求柜體集成空調(diào)、熱交換溫控和加熱盒等溫控設備，保證柜體內(nèi)設備正常工作溫度；防盜措施、防盜裝置的相關要求。如圖3所示。

圖3 箱體結構示意Fig.3 Schematic diagram of cabinet body structure

5）提出解決方案

結合上述比選的情況，對比打分情況（每項滿分為5分）如表1所示。

表1 打分對比表Tab.1 Comparison of scoring

綜合考慮，本工程采用方案二：基站+分布式基站混合組網(wǎng)方案，區(qū)間基站采用室外型一體化機柜取代磚混結構的機房。

3.2 特殊區(qū)段覆蓋方案

1）大型車站覆蓋方案

大型車站由于站區(qū)范圍大，不利于定向站型的覆蓋，并且站房結構及站臺雨棚對GSM-R信號屏蔽效果好，工程中往往需要對大型車站GSM-R網(wǎng)絡覆蓋進行特殊設計，例如在站臺兩端設置直放站+定向天線或在站臺雨棚下設置室內(nèi)分布天線對站臺雨棚范圍GSM-R網(wǎng)絡覆蓋進行針對性補強，這樣雖然可以解決大型車站GSM-R網(wǎng)絡覆蓋問題，但是仍然存在多徑時延干擾、站場范圍內(nèi)施工難度大等問題。

以北京站為例，北京站屬特等站，站場雨棚規(guī)模大，且北京站為既有車站，地處北京市繁華區(qū)段，站場用地極其緊張，既有站場施工難度巨大，不具備新設鐵塔條件，這需要在設計過程中，靈活利用現(xiàn)有設備，創(chuàng)新設計方案。如圖4所示，設計人員在調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)北京站東側約1.3 km處具備新設鐵塔的條件，在這個位置通過合理的設置天線掛高降低入射角可以很好的解決北京站站臺下的GSM-R網(wǎng)絡覆蓋問題，并能夠充分利用定向天線主瓣角的寬度實現(xiàn)站場范圍的GSM-R網(wǎng)絡覆蓋。最終的解決方案確定為，在北京站通信機房設置BBU設備，在北京站東側約1.3 km的位置設置RRU設備、鐵塔及天線。

2）與既有GSM-R線路并線區(qū)段覆蓋方案

無論是新建鐵路還是既有鐵路的GSM-R系統(tǒng)工程，與既有GSM-R系統(tǒng)線路臨近、并線的特殊區(qū)段是GSM-R系統(tǒng)工程的重點和難點，設計方案需要充分調(diào)查既有情況、合理的利用測試數(shù)據(jù)，充分掌握既有線路的GSM-R網(wǎng)絡在本線的分布情況，本文以京哈鐵路、大秦鐵路相鄰區(qū)段為例，根據(jù)《中國鐵路總公司關于做好特殊區(qū)域GSM-R網(wǎng)規(guī)劃工作的通知》（鐵總運[2014]252號）中的要求“以既有和在建的GSM-R網(wǎng)絡為基礎，按照各線均裝備GSM-R系統(tǒng)的要求進行規(guī)劃。規(guī)劃和建設是，應優(yōu)先保障高等級線路運用，最大限度減少對既有無線網(wǎng)絡物理設施的調(diào)整。”京哈鐵路在段甲嶺站-別山站區(qū)段與大秦鐵路大石莊-薊縣西-翠屏山區(qū)段相鄰（最近處約200 m），其中，大秦鐵路GSM-R網(wǎng)絡承載機車同步操控業(yè)務，因此，京哈鐵路GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡需要盡可能利用大秦鐵路GSM-R網(wǎng)絡并對本線進行必要的補強。

如圖5所示，大秦鐵路的GSM-R網(wǎng)絡在本線段甲嶺站以西的覆蓋效果較差，且在段甲嶺站兩側各1 km范圍切換關系較為混亂，如圖6所示，本工程考慮在段甲嶺站以東1.6 km處新設區(qū)間RRU設備，在段甲嶺站設置BBU設備。為避免對大秦鐵路的影響，RRU設備只設置一個方向天線（西向，采用窄波瓣天線），用以覆蓋段甲嶺站以及區(qū)間，并在大秦鐵路DSZ-JXX03基站新設段甲嶺站方向天線，補強京哈鐵路的GSM-R網(wǎng)絡覆蓋，新設的基站設備與大秦鐵路DSZ-JXX03A/B小區(qū)設置鄰區(qū)關系。

圖5 京哈、大秦相鄰區(qū)段既有GSM-R小區(qū)覆蓋情況示意Fig.5 Schematic diagram of existing GSM-R cell coverage in adjacent sections of Beijing-Harbin and Datong-Qinhuangdao railway

圖6 京哈、大秦相鄰區(qū)段線路示意及設備布置示意Fig.6 Schematic diagram of line and equipment layout in adjacent sections of Beijing-Harbin and Datong-Qinhuangdao railway

大秦鐵路DSZ-JXX04A/B小區(qū)與JiXianXiA/B小區(qū)在京哈鐵路切換關系較為混亂，鑒于DSZJXX04基站距離京哈鐵路僅為200 m，在京哈線的覆蓋場強良好，本工程考慮在JiXianXi增設京哈鐵路方向天線，補強京哈鐵路薊縣南站西側區(qū)間的覆蓋；本工程在薊縣南站設置BBU設備，在薊縣南站以西0.8 km處新設RRU設備（采用窄波瓣天線，距DSZ-JXX04基站5.6 km，與大秦線直線距離1.5 km），實現(xiàn)薊縣南站以及區(qū)間的覆蓋，新設的基站設備與與大秦鐵路JiXianXiA/B小區(qū)設置鄰區(qū)關系。

大秦鐵路的GSM-R網(wǎng)絡在京哈鐵路薊縣南站至別山站區(qū)間內(nèi)覆蓋效果不佳，切換關系較為混亂，本工程考慮新設區(qū)間RRU設備，為避免對大秦鐵路的影響新設區(qū)間基站均采用窄波瓣天線，并嚴格控制基站設備的發(fā)射功率。

4 實施跟蹤

項目實施過程設計人員應全面跟蹤項目實施進程，安排設計人員進行施工配合，分階段進行設計交底，保障項目的順利實施。在驗收測試過程中，全程跟蹤測試工作進程，并參與到網(wǎng)絡優(yōu)化過程中，與參建各方制定合理的網(wǎng)絡優(yōu)化方案。

京哈鐵路GSM-R系統(tǒng)工程通過合理的設備選型、結合靈活的組網(wǎng)方案成功解決了車站新建鐵塔位置距離機房過遠的問題；通過靈活利用現(xiàn)有設備、創(chuàng)新設計方案，成功解決了大型站場的GSM-R網(wǎng)絡覆蓋問題；在充分調(diào)查既有情況、合理的利用測試數(shù)據(jù)基礎上，成功解決與既有GSM-R線路并線區(qū)段GSM-R網(wǎng)絡覆蓋問題，系統(tǒng)各項指標均符合標準及規(guī)范要求。并且，參照公網(wǎng)的成熟經(jīng)驗，創(chuàng)新性提出“采用室外型一體化機柜替代傳統(tǒng)機房”的區(qū)間站點設置方案，降低施工難度、節(jié)約建設投資。在后續(xù)5G-R系統(tǒng)建設中，考慮到5G系統(tǒng)的技術特點，5G基站間距將小于GSM-R系統(tǒng)，區(qū)間采用室外型一體化機柜替代磚混結構機房的方案也可以應用于5G-R系統(tǒng)。