南沿江城際鐵路滆湖大橋GSM-R覆蓋方案

魏 旻，胡雪旸 ，葛偉濤

（1．中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京樞紐建設(shè)指揮部，南京 210042；2．中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308）

國內(nèi)鐵路的高速發(fā)展，鐵路跨江（河、湖、海）大橋的場(chǎng)景越來越多，這些特殊區(qū)域的鐵路專用移動(dòng)通信系統(tǒng)覆蓋方案已經(jīng)成為鐵路通信專業(yè)建設(shè)的難點(diǎn)。根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)形式，跨江（河、湖、海）大橋主要分為兩種：一種鐵路橋橋面有遮擋物，如公鐵兩用橋或鋼桁梁橋。公鐵兩用橋一般為公路在上，鐵路在下，公路會(huì)對(duì)鐵路橋面的無線信號(hào)有較強(qiáng)的遮擋，鋼桁梁形式的鐵路橋橋面有鋼結(jié)構(gòu)，也會(huì)對(duì)鐵路橋面的無線信號(hào)有明顯的遮擋。鐵路專用移動(dòng)通信系統(tǒng)不僅承載語音調(diào)度信息，還可能承載列車控制信息，因此對(duì)無線信號(hào)傳輸質(zhì)量要求較高。為保證鐵路專用移動(dòng)通信系統(tǒng)的覆蓋質(zhì)量，此類場(chǎng)景的鐵路橋一般采用全程掛設(shè)漏纜的方式對(duì)鐵路橋面進(jìn)行弱場(chǎng)補(bǔ)強(qiáng)。如杭臺(tái)高鐵椒江特大橋、滬蘇通鐵路長江公鐵大橋、鄭濟(jì)高鐵鄭州黃河特大橋等；另一種鐵路橋橋面無遮擋物，但橋梁跨越水面較長，一般大于兩端基站覆蓋距離，如南沿江城際鐵路滆湖大橋、福廈高鐵湄洲灣跨海大橋和泉州灣跨海大橋等，此種情況下鐵路專用移動(dòng)通信系統(tǒng)采用宏基站覆蓋、或全程掛設(shè)漏纜或在橋面增加天線進(jìn)行弱場(chǎng)補(bǔ)強(qiáng)，值得深入研究。本文以南沿江城際鐵路滆湖大橋?yàn)槔芯块L大水面鐵路專用移動(dòng)通信系統(tǒng)覆蓋方案。

南沿江城際鐵路在常州市武進(jìn)區(qū)設(shè)滆湖大橋，以簡(jiǎn)支梁的形式跨越滆湖，湖面段長約8.5 km。滆湖段鐵路與常合高速并行，鐵路與常合高速垂直方向最近距離約為65 m，最遠(yuǎn)距離約為340 m。常合高速在DK112+500左右設(shè)有1處湖心島，分別距水面兩端4.15 km和4.35 km。線路示意如圖1所示。

圖1 滆湖大橋示意Fig.1 Sketch of Gehu bridge

1 難點(diǎn)分析

南沿江城際鐵路專用移動(dòng)通信系統(tǒng)采用GSM-R系統(tǒng)。考慮到南沿江城際鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、滆湖段地理環(huán)境等因素，滆湖段GSM-R系統(tǒng)覆蓋具有以下難點(diǎn)。

1）鐵路GSM-R系統(tǒng)傳送列控信息，可靠性要求較高。南沿江鐵路列車設(shè)計(jì)速度為350 km/h，信號(hào)列控系統(tǒng)采用CTCS-3列控制式，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，GSM-R系統(tǒng)應(yīng)采用冗余覆蓋。

2）湖面距離寬，通信基站無法設(shè)置。南沿江鐵路跨越滆湖段水面約8.5 km，350 km/h高速鐵路GSM-R基站若采用單網(wǎng)交織方案，基站站間距一般為3.5 km左右，若采用同站址雙網(wǎng)覆蓋，一般為7 km左右。南沿江滆湖段水面區(qū)域過寬，常規(guī)宏基站方案很難滿足鐵路無線通信覆蓋需求。

3）湖面反射電磁波嚴(yán)重，滆湖區(qū)域無線電信號(hào)復(fù)雜。湖面對(duì)于電磁波如同一面鏡子，無線信號(hào)從湖邊向湖中心覆蓋，會(huì)被湖水反射，有用的覆蓋信號(hào)與湖面反射信號(hào)疊加；水面地形平坦，電磁波衰耗很小，同時(shí)也造成有用覆蓋信號(hào)與反射信號(hào)強(qiáng)度都很強(qiáng)。

4）滆湖周邊經(jīng)濟(jì)活躍，周邊無線電信號(hào)干擾多。滆湖位于常州武進(jìn)開發(fā)區(qū)，開發(fā)區(qū)內(nèi)工廠眾多，無線電背景噪聲比普通人員活動(dòng)少的區(qū)域復(fù)雜，結(jié)合水面反射作用，其他無線電信號(hào)被水面反射后將加強(qiáng)湖面及附近的無線場(chǎng)強(qiáng)環(huán)境情況，將進(jìn)一步影響高鐵列車接收列控信息質(zhì)量。

5）建設(shè)運(yùn)維難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。滆湖段水面長約8.5 km，水面段雖然采用高架橋形式通過，但GSM-R系統(tǒng)若在水面橋梁上設(shè)置通信弱場(chǎng)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)備，建設(shè)難度、施工成本及風(fēng)險(xiǎn)均比較高，后期運(yùn)維難度也比較大。

2 覆蓋方案

南沿江城際鐵路滆湖段GSM-R覆蓋主要有4種覆蓋方案，分別為橋頭兩端基站方案、湖心島增設(shè)基站方案、橋上漏纜補(bǔ)強(qiáng)方案和橋上天線補(bǔ)強(qiáng)方案。

1）方案一：橋頭兩端基站方案

在滆湖段橋頭兩端DK108+350、DK116+800處各設(shè)置2套GSM-R基站組成同站址雙網(wǎng)覆蓋滆湖段鐵路，其中A網(wǎng)基站為2載頻，B網(wǎng)基站為1載頻。由于橋頭兩端距離為8.5 km，大于常規(guī)同站址雙網(wǎng)7 km的間距，為了增強(qiáng)覆蓋距離，鐵塔可設(shè)置為60 m鐵塔。通過Atoll軟件進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 方案一仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of scheme 1

從圖2中看到橋面全部區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)大于-60 dBm，遠(yuǎn)大于列控機(jī)車臺(tái)CTCS-3建議場(chǎng)強(qiáng)值-83 dBm。但Atoll仿真時(shí)無法對(duì)滆湖周邊無線電波干擾進(jìn)行模擬，因此與真實(shí)覆蓋效果還有一定差距。

滆湖大橋跨越水面，不管有用信號(hào)還是無用信號(hào)，信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)一般都比較強(qiáng)，為解決長大水面覆蓋無用信號(hào)被反射加強(qiáng)影響有效信號(hào)的情況，可考慮在湖心島增設(shè)基站、或在橋面掛設(shè)漏纜或安裝天線進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

2）方案二：湖心島增設(shè)基站方案

由于南沿江城際鐵路滆湖大橋與常合高速并行，鐵路與高速之間距離較近。常合高速在湖中心設(shè)有1座湖心島，島上設(shè)有臨時(shí)停車區(qū)和景觀區(qū)。為了保證民用通信暢通，中國鐵塔和運(yùn)營商在湖心島設(shè)有1座民用通信基站，鐵塔高約30 m，鐵塔設(shè)有多層天線平臺(tái)。經(jīng)測(cè)算，鐵塔頂端天線平臺(tái)高于湖面24 m，高于軌面約9 m。

由于湖心島距橋兩端距離分別為4.15 km和4.35 km，因此可以利用湖心島設(shè)置1處GSM-R基站和鐵塔，并在橋頭兩端各設(shè)置1套GSM-R基站，組成單網(wǎng)交織方案。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察，湖心島范圍有限，無法新增鐵路鐵塔和GSM-R基站院落，可考慮利用運(yùn)營商鐵塔掛設(shè)GSM-R天線，設(shè)置室外一體化機(jī)房放置鐵路通信基站、傳輸、電源等設(shè)備。由于湖心島為常合高速公路用地，需鐵路建設(shè)單位協(xié)調(diào)高速公路相關(guān)部門，租賃其土地設(shè)置鐵路設(shè)施。還需建設(shè)單位協(xié)調(diào)中國鐵塔及運(yùn)營商調(diào)整鐵塔上運(yùn)營商天線位置，騰出空間安裝GSM-R天線。另外，在常合高速上鐵路光電纜無法敷設(shè)至該處基站，需利用公路提供的電源和光電纜，外部供電不滿足鐵路I級(jí)負(fù)荷條件。外部電源和外部光纜產(chǎn)權(quán)不屬于鐵路，無法由鐵路進(jìn)行維護(hù)，風(fēng)險(xiǎn)較高。

3）方案三：橋上漏纜補(bǔ)強(qiáng)方案

在滆湖段橋頭兩端DK108+350、DK116+800處各設(shè)置1套GSM-R基站、1套數(shù)字直放站近端機(jī)、1套數(shù)字直放站遠(yuǎn)端機(jī)和2副天線，天線掛設(shè)在橋頭兩端的鐵塔上。在橋梁上間隔1 km左右各設(shè)置1套數(shù)字直放站遠(yuǎn)端機(jī)、在兩個(gè)接觸網(wǎng)桿之間設(shè)立通信漏纜支撐桿，在橋面接觸網(wǎng)桿和通信漏纜支撐桿上沿鐵路方向距軌面4.5～4.8 m的高度掛設(shè)1條GSM-R漏纜，利用漏纜覆蓋橋面。通信漏纜支撐桿高度一般為5 m左右，設(shè)立通信漏纜支撐桿時(shí)應(yīng)保證通信漏纜支撐桿和相鄰接觸網(wǎng)桿之間的距離不超過30 m。

該方案信源部分也可以采用“基站+數(shù)字直放站近端機(jī)+數(shù)字直放站遠(yuǎn)端機(jī)”或“分布式基站BBU+分布式基站RRU組網(wǎng)”。

4）方案四：橋上天線補(bǔ)強(qiáng)方案

此方案將方案三中的漏纜支撐桿取消，在橋梁上間隔1 km左右各設(shè)置1個(gè)天線支撐桿和2副天線，天線掛設(shè)在天線支撐桿上，分別指向鐵路大小里程。天線支撐桿與接觸網(wǎng)桿同平面設(shè)立，支撐桿高7.5 m。根據(jù)相關(guān)要求，天線支撐桿需遠(yuǎn)離接觸網(wǎng)帶電體2 m范圍以外，因此需將天線支撐桿附近的接觸網(wǎng)桿抬高，以滿足防護(hù)距離要求。數(shù)字直放站遠(yuǎn)端機(jī)通過環(huán)形組網(wǎng)的方式分別接入橋頭兩端的數(shù)字直放站近端機(jī)，組網(wǎng)示意如圖3所示。

圖3 橋上天線補(bǔ)強(qiáng)方案示意Fig.3 Schematic diagram of antenna reinforcement scheme on bridge

此方案也可以采用分布式基站的方式進(jìn)行組網(wǎng)，即在橋頭兩端基站處設(shè)置基帶處理單元（BBU），在數(shù)字直放站遠(yuǎn)端機(jī)處設(shè)置射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU），BBU與RRU之間推薦采用環(huán)形組網(wǎng)。由于分布式基站RRU不支持關(guān)鍵板件冗余備份，因此需整機(jī)備份，所以每處需設(shè)置2套R(shí)RU，因此分布式基站方案安裝設(shè)備較數(shù)字直放站多，且耗電量偏高，推薦采用數(shù)字直放站組網(wǎng)。

上述4個(gè)方案優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 滆湖大橋GSM-R覆蓋方案優(yōu)缺點(diǎn)分析Tab.1 Analysis of advantages and disadvantages of GSM-R coverage scheme for Gehu bridge

南沿江城際鐵路滆湖大橋GSM-R覆蓋方案比較復(fù)雜，經(jīng)建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位、運(yùn)營單位多次開會(huì)討論，最終確定采用方案四中數(shù)字直放站+橋上天線補(bǔ)強(qiáng)方案。此方案需在橋面安裝數(shù)字直放站，由于鐵路軌道兩側(cè)設(shè)有電纜槽，若將設(shè)備安裝在電纜槽旁，將影響電纜槽內(nèi)線纜的維護(hù)，因此可在橋面增設(shè)通信設(shè)備平臺(tái)，安裝通信設(shè)施。南沿江城際鐵路設(shè)置的通信平臺(tái)寬×長為0.8 m×3 m，數(shù)字直放站采用室外型機(jī)柜落地安裝，平臺(tái)上預(yù)留機(jī)柜基礎(chǔ)，基礎(chǔ)處由橋梁專業(yè)預(yù)埋4根錨栓，錨栓外露基礎(chǔ)面，便于與設(shè)備機(jī)柜底座固定。同時(shí)為便于設(shè)備光電纜走線，需預(yù)留強(qiáng)弱電電纜槽至設(shè)備平臺(tái)的預(yù)埋管。通信平臺(tái)示意如圖4所示。

圖4 橋面通信設(shè)備平臺(tái)示意Fig.4 Schematic diagram of bridge deck communication equipment platform

3 結(jié)束語

國內(nèi)鐵路正處于高速發(fā)展的時(shí)期，鐵路網(wǎng)越來越密，場(chǎng)景越來越復(fù)雜，跨江、河、湖、海等長達(dá)水面的場(chǎng)景越來越多。此種場(chǎng)景下的鐵路無線通信覆蓋的建設(shè)方案雖然有多種，但考慮到建設(shè)難度、投資成本和運(yùn)營維護(hù)便利性等多種因素，不同項(xiàng)目選擇的方案可能會(huì)有所不同。本文探討了南沿江城際鐵路滆湖大橋的GSM-R覆蓋方案，并對(duì)可能的覆蓋方案進(jìn)行詳細(xì)研究和分析，可供今后類似工程借鑒參考。