高速鐵路復雜線路區段GSM-R系統方案設計與網絡優化

張 健，朱嘯豪，王偉力

（1.中國鐵路上海局集團有限公司，上海 200071；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063）

1 概述

截至2022 年6 月，國內鐵路營業里程已超過15 萬 km，其中高速鐵路運營里程超過4 萬 km。隨著無線通信系統建設為GSM-R 系統的鐵路工程不斷增加，GSM-R 覆蓋的路網密度不斷加大，涉及到復雜線路區段也越來越多，GSM-R 無線通信系統方案已成為設計的難點。目前GSM-R 系統承載著高速鐵路CTCS-3 列車運行控制業務[1]，對實時性、可靠性有著極高的要求。

在不影響既有高速、普速鐵路正常運營的情況下，必須確保新建高速鐵路聯調聯試測試無線覆蓋和服務質量符合CTCS-3 區段安全運行要求[2]。本文以近期開通的高速鐵路典型復雜線路區段為例，針對設計過程的難點和聯調聯試過程中遇到的多徑干擾、電平不一致、無線干擾引起質差等問題，提出設計與網絡優化方案。

2 典型區段說明與解決方法

2.1 湖杭與寧杭、宣杭交叉并線區段

湖杭高鐵自設計起點湖州站開始與寧杭高鐵并線長達50 km，經過德清站后，兩線最遠距離僅為678 m，在范家漾線路所兩線分開。如圖1 所示，在與寧杭分開約6 km 后，湖杭高鐵與宣杭鐵路交叉，該區域近期還規劃有擬建滬乍杭鐵路、杭州北聯絡線、北東聯絡線工程經過。該區域地勢平坦，電磁波傳播環境良好，多線交叉，高速鐵路與普速鐵路交錯，因此GSM-R 方案設計難度極大。

為避免多條線路乒乓切換[3]，簡化此交叉并線區段基站切換關系，采用BBU+RRU 設備構成異站址冗余分布式基站，將該區段歸屬于一個范圍較大的基站小區，同時利用分布式基站較大的功率，提供良好的信號覆蓋。無論哪個方向、哪條線路的車經過此地段，都將如圖1 所示大小區作為切換小區。寧杭高鐵的列車行駛切換順序為DQ-HZD04、大小區、DQ-HZD06；湖杭高鐵的列車行駛切換順序為DQ-HZD04、大小區、湖杭基站(DQ-HZX02)。基于此方案，將兩線交叉點既有寧杭(DQ-HZD05)基站替換為兩套RRU，兩套RRU 分別朝寧杭大里程、寧杭小里程、湖杭大里程3 方向覆蓋。大小區內的所有基站設備接入湖杭高鐵在杭州南新設的BSC 設備。大小區與寧杭既有基站（DQ-HZD06）之間跨BSC 切換。分布式基站（DQ-HZX02_RU2）至分布式基站（DQ-HZX02_RU3）與既有宣杭鐵路十字交叉，既有宣杭鐵路為單網方式組網，宣杭鐵路切換方式為DQX-XGT04 切換至大小區至XingGongTang 車站。湖杭高鐵K367+626至K383+320 與既有宣杭鐵路并線，此區段宣杭鐵路為450 MHz 無線列調，因此不影響湖杭GSM-R無線覆蓋。

圖1 湖杭與寧杭、宣杭交叉并線區段示意Fig.1 Schematic diagram of cross parallel sections of Huzhou-Hangzhou, Nanjing-Hangzhou and Xuancheng-Hangzhou high speed railways

在上述方案實施之后，進行了湖杭高鐵半數站序列測試，部分測試結果如圖2 所示。GouZhuangSuoA 至GZX-HZX02 切換前后下行電平和通信質量正常，但查看接口監測數據，存在7 級 上 行 通 信 質 量[4]，GouZhuangSuoA 為位置組大小區，共有4 個位置組，在該位置應由GouZhuangSuo_RU4A 覆蓋，上行質差推測為由于網內問題導致。

圖2 湖杭高鐵半數站序列測試部分結果示意Fig.2 Schematic diagram of sequence test results of half stations of Huzhou-Hangzhou high speed railway

為解決GouZhuangSuo_RU4A 覆蓋區域7級質差問題，將GouZhuangSuo_RU4A 功率由20 W 降低為5 W，同時將GouZhuangSuoA至GZX-HZX02 的PBGT 門 限 由67 dB 調 整 為65 dB，PBGT 統計時間由3 s 調整為2 s，PBGT持續時間由2 s 調整為1 s，將GZS-HZX02 至GouZhuangSuoA 的PBGT 門限由76 dB 調整為70 dB。

完成上述操作后，上/下行通信質量都得到了明顯改善，優化后的結果如圖3 所示。

圖3 優化后湖杭高鐵半數站序列測試部分結果示意Fig.3 Schematic diagram of partial sequence test results of half stations of the optimized Huzhou-Hangzhou high speed railway

2.2 湖杭與杭溫、杭昌交叉并線區段

如圖4 所示，湖杭高鐵與杭溫高鐵并線經過桐廬東站，距桐廬東站約2 km 處兩線分開，湖杭高鐵開始與杭昌高鐵并線運行，三線交叉點位于距桐廬東站3.5 km 處，湖杭高鐵、杭昌高鐵在距交叉點1.5 km 開始進入平行隧道區段。該區域在三線交叉區域，地勢較為平坦，但湖杭高鐵、杭昌高鐵立即進入隧道區段，同時杭昌高鐵是既有高速鐵路，客運繁忙，湖杭高鐵的建設不能對杭昌高鐵日常運營產生影響，因此該區段無線設計難度較大。

圖4 湖杭與杭溫、杭昌交叉并線區段示意Fig.4 Schematic diagram of cross parallel sections of Huzhou-Hangzhou, Hangzhou-Wenzhou and Hangzhou-Nanchang high speed railways

湖杭高鐵建設時，將杭昌基站FY-TL07（杭昌K76+485）移至湖杭、杭溫、杭昌的交叉點處，并同址新增雙基站（雙基站型號與杭昌基站FY-TL07一致），用于解決單點故障時無線覆蓋問題。湖杭高鐵平行于杭昌高鐵的隧道利用杭昌高鐵既有基站增加光纖直放站方式，結合漏泄同軸電纜和天線覆蓋。此交叉點處新增的雙基站分別新設4 副天線分別往杭溫高鐵、杭昌高鐵大小里程覆蓋。

湖杭高鐵聯調聯試期間，綜合檢測車測試桐廬東站至桐廬站聯絡線發現FY-TL07A 基站的桐廬和桐廬東方向，存在電平不一致情況[5]，FY-TL07A基站主用設備比備用設備低15 dB 左右。可能存在的問題包括基站主、備設備發射功率不一致，功分器問題，7/8 饋線以及跳線問題，天線問題，連接方式錯誤，存在鴛鴦線等。湖杭高鐵針對可能存在的問題進行逐一排查。

FY-TL07A 天饋正確連接方式如圖5 所示，通過測試桐廬東方向天饋線駐波，發現存在駐波問題，在更換軟跳線后，駐波問題得到解決。通過對基站功率、駐波、鴛鴦線排查、以及天饋線倒換逐一配合覆蓋測試，最終將問題定位在7/8 饋線接口。

圖5 FY-TL07A天饋正確連接方式Fig.5 Correct connection mode of the FY-TL07A antenna feeder

在7/8 饋線主、備對調之后，電平不一致現象發生了倒換，同時主備電平差值也縮小，因此判斷為原主7/8 饋線接頭與原接口匹配不良，更換為備用后情況好轉。

2.3 張吉懷連續隧道區段

有著“最美鐵路”之稱的張吉懷高鐵一路翻山越嶺，隧道123 座，其中5 km 以上隧道6 座，是一條隧道占比高達71%的山區鐵路，對于GSM-R覆蓋，難點主要體現在連續隧道的惡劣自然環境和山體磁場對電磁波傳播的影響。張吉懷工程全線除FuRongZhen 外，其他基站均下掛直放站。

某廠家基站為多通道熱備機制[6]，多路信號通過內部時鐘同步后進行合路輸出。張吉懷高鐵采用該基站信號作為信源，通過耦合器接入直放站近端機，直放站近端機經過時延處理后，在遠端機上同步發射。在此過程中GZX-JSD06 基站的2 路相同信號通過2 個耦合器后，由于耦合器性能不同導致輸出信號相位有差異，合路后信號出現功率波動，引起直放站近端機接收到的信號存在跳變現象，經過遠端機放大后導致空間信號大幅度跳變。通過基站時延調整，匹配了合路后的信號相位，直放站近端機信號可接收到穩定輸入。

在聯調聯試期間，如圖6 所示，GZX-JSD06 小區K128+838 到K128+752 處存在連續下行4 級質差，K127+874 到K127+745 處存在連續下行4/5級質差。

圖6 張吉懷高鐵GZX-JSD06小區測試記錄Fig.6 Test records of GZX-JSD06 cell of Zhangjiajie-Jishou-Huaihua high speed railway

通過修改基站GZX-JSD06 多通道時延參數，由（0、0、0、0）調整為（0、2、0、2），上/下行通話質量得到明顯改善。

3 總結與建議

本文通過對近期開通高鐵的幾處典型交叉并線和連續隧道案例進行詳細分析，針對GSM-R 網絡設計過程中存在的難點提出解決方案，同時針對工程測試中出現的問題，提出網絡優化方案。隨著國內鐵路路網的建設，將會有越來越多的新建線路與既有線交叉并線、線路自然環境復雜、翻山跨海等場景，這已經成為不可避免的工程難點。對于類似上述區域，在設計階段應提高方案可用性及可靠性，在測試階段應根據現場條件、設備特點、施工工藝等方面進行網絡優化。