沈白鐵路引入沈陽樞紐交叉并線區段GSM-R方案研究

薛昔朋

0 引言

我國鐵路系統的快速發展使得普速鐵路與高速鐵路并行、交叉區段越來越多，但鐵路專用全球數字移動通信系統（GSM-R）可用的頻道數量僅19個，實際工程中每個基站至少配置2個載頻，當不同等級鐵路并行區段較長時，若每條線分別使用獨立的GSM-R系統和載頻進行無線覆蓋，在頻率規劃上難度較大[1]。若低等級鐵路全部利用高等級鐵路既有GSM-R系統進行無線覆蓋，在隧道、路塹等較多的復雜地形區段可能無法實現[2-3]。隨著國內鐵路GSM-R系統不斷發展，尤其是高鐵線路的大量建設，樞紐地區、交叉并線地區的GSM-R系統引入難度也越來越大，因此，樞紐地區、交叉并線地區GSM-R系統網絡規劃就顯得十分重要[4]。如何很好地解決復雜地理條件下高速鐵路并行區段GSM-R系統的無線覆蓋問題，是鐵路數字移動通信系統設計中的重點之一[5]。

沈白鐵路位于遼寧省東部和吉林省東南部，是一條連接遼寧省沈陽市與吉林省延邊朝鮮族自治州安圖縣的高速鐵路，是《中長期鐵路網規劃》中“八縱八橫”高速鐵路主通道的區域連接線。沈白鐵路自沈陽北站引出，經伯官站、撫順北站、東韓家站（越行站）、新賓站、通化西站、白山東站、灣溝北站、松江河站引入敦白客專長白山站。

沈白鐵路在引入沈陽樞紐沈陽北站時與哈大客專交叉并線。為降低沈白鐵路GSM-R基站對既有哈大客專基站的影響，保證交叉并線區段兩條線路正常、安全運營，需對交叉并線區段GSM-R覆蓋方案進行特殊設計。本文主要對沈白鐵路引入沈陽北站時與哈大客專交叉并線區段GSM-R覆蓋方案進行研究，并提出工程實施方案，以供類似工程參考借鑒。

1 交叉并線區段情況說明

沈白鐵路引入沈陽樞紐沈陽北站線路走向如圖1所示。

圖1 沈白鐵路引入沈陽樞紐沈陽北站線路走向

根據《鐵路數字移動通信系統（GSM-R）設計規范》，無線場強覆蓋以最小可用接收電平表示，并符合表1規定。

表1 無線場強覆蓋以最小可用接收電平

由于沈白鐵路列車設計速度為350 km/h，因此本工程GSM-R場強覆蓋標準應按95%的時間地點概率下機車電臺最小接收電平不小于-92 dBm設計。同時，本工程GSM-R網絡承載列控類數據傳輸業務，其端到端的QoS指標應滿足表2要求。

表2 端到端的QoS指標要求

沈陽樞紐內哈大客專采用單網交織方案覆蓋，在沈陽北站、K705+182、K707+346等處按交織覆蓋原則設置基站。

根據沈白鐵路信號專業設計資料，哈大客專無線閉塞中心（RBC）與沈白鐵路RBC切換位于DK2+383—DK8+645區段。另外，沈白鐵路在DK2+060—DK7+108區段設有沈東特大橋全封閉聲屏障，由于聲屏障采用圓形、弧頂鋼架式結構，對GSM-R無線信號存在較大的屏蔽作用。根據路局運營需求，沈陽北站既有站臺GSM-R網路覆蓋信號較差，影響機車正常運行或發車。

2 交叉并線區段GSM-R網絡覆蓋方案

基于上述因素及限制條件，在盡可能不影響沈陽樞紐內基站既有切換關系，減少對哈大客專運營線路影響的原則下，提出以下兩種GSM-R網絡覆蓋方案。

2.1 方案1 數字直放站方案

本方案利用沈陽北站、SYB-LWTXLS01處既有基站，在沈陽北站信號樓通信機械室增設1套數字直放站近端機（MU）與1套數字直放站遠端機（RU）；在SYB-LWTXLS01基站處增設1套MU與2套RU；在沈白客專DK5+095、DK6+610、DK9+460機房新設2套RU，形成異站址雙網。在沈陽北站附近沈陽北站基站為主用，SYBLWTXLS01基站為備用；在哈大K705+182處以及DK5+095、DK6+610、DK9+460處由SYBLWTXLS01基站主用，沈陽北站基站備用。方案1基站示意圖如圖2所示。

圖2 方案1 數字直放站方案

本方案在SYB-LWTXLS01處基站增加2副天線，均指向沈白鐵路大里程方向，將哈大客專沈陽北站、SYB-LWTXLS01基站信號延伸至沈白線路上；既有天線位置原方向不變；沈陽北站、SYBLWTXLS01基站在維持原基站切換關系的基礎上，增加與沈白鐵路后續相鄰基站DK12+940、DK16+950分布式基站共小區的切換關系。

沈白鐵路DK12+940、DK16+950處分布式基站與沈陽北站基站、SYB-LWTXLS01基站存在切換關系，與SYB-LWTXLS02基站不存在切換關系。

本方案在DK5+095處設置2副天線，均指向沈白鐵路小里程方向；在DK6+610處設置2副天線，均指向沈白鐵路大里程方向；DK9+460處設置4副天線，其中2副天線指向沈白鐵路小里程，另外2副指向沈白鐵路大里程方向。

哈大客專RBC與沈白鐵路RBC切換位于DK2+383—DK8+645區段，由于RBC切換過程中通信基站控制器（BSC）不能發生切換[6-7]，因此為了避開RBC切換范圍，本方案哈大客專BSC與沈白鐵路BSC切換范圍位于DK9+460—DK12+940（DK8+645大里程側）。

由于DK2+060—DK7+108區段安裝有沈東特大橋聲屏障，本方案將其視為隧道，在該區段聲屏障支柱上掛設鍍鋅鋼絞線承力索，承力索上采用漏泄電纜專用掛件掛設漏泄電纜的方式覆蓋聲屏障區段，漏纜接入哈大客專沈陽北站、SYBLWTXLS01基站雙網信號。

為滿足運營需求，本方案補強沈陽北站站臺GSM-R網絡覆蓋，將沈陽北站站臺雨棚覆蓋的既有模擬直放站近端機、遠端機替換為本工程設置的數字直放站近端機、遠端機，較少出現模擬與數字直放站相互干擾的問題。

按照上述方案實施后，列車行進過程中基站切換方式如下：

（1）哈大客專沈陽至哈爾濱方向：列車自沈陽北站出發，信號接入依次在沈陽北站、SYBLWTXLS01、SYB-LWTXLS02基站切換，駛出沈陽樞紐。

（2）哈大客專哈爾濱至沈陽方向：列車自哈爾濱方向駛來，信號接入依次在SYB-LWTXLS02、SYB-LWTXLS01、沈陽北站基站切換，駛入沈陽樞紐。

（3）沈白鐵路沈陽至白河方向：沈陽北站列車出發前接入沈陽北站基站，出發后，在沈陽北站與SYB-LWTXLS01基站之間某個位置切換至SYB-LWTXLS01基站，隨后進入沈東特大橋聲屏障（DK2+060），保持在SYB-LWTXLS01基站直至駛出沈東特大橋聲屏障（DK7+108），列車越過信號RBC切換區終點（DK8+645）后行駛至DK9+460直放站與DK12+940基站之間的某個位置切換至DK12+940基站，由哈大BSC切換至沈白BSC，駛出沈陽樞紐。

（4）沈白鐵路白河至沈陽方向：列車自DK12+940基站處駛來，在DK12+940基站切換，行駛至DK9+460直放站與DK12+940基站之間的某個位置切換至SYB-LWTXLS01基站（DK9+460直放站延伸的信號），自沈白BSC切換至哈大BSC，隨后越過RBC切換區起點（DK8+645），進入沈東特大橋聲屏障（DK7+108），保持于SYBLWTXLS01基站。在駛出沈東特大橋聲屏障后（DK2+060）在SYB-LWTXLS01基站與沈陽北站之間某個位置切換至沈陽北站基站，進入沈陽北站。

2.2 方案2 宏基站方案

本方案利用沈陽北站、SYB-LWTXLS01處既有基站，在沈白客專DK5+095、DK6+610處分別新設宏基站（BTS）1套，構成異站址雙網（C2+C1），其中DK5+095基站主用，DK6+610基站備用；在DK9+460機房新設1套宏基站。方案2基站示意圖如圖3所示。

圖3 方案2 宏基站方案

本方案同樣將DK2+060—DK7+108處沈東特大橋聲屏障視為隧道考慮。在聲屏障區段聲屏障支柱上掛設鍍鋅鋼絞線承力索，承力索上采用漏泄電纜專用掛件掛設漏泄電纜的方式覆蓋聲屏障區段，漏纜接入沈白客專DK5+095、DK6+610基站雙網信號。同時，在聲屏障出入口掛設天線各1副，聲屏障入口DK2+060天線指向沈白鐵路小里程方向，聲屏障出口DK7+108天線指向沈白鐵路大里程方向。在DK9+460設置2副天線，分別指向沈白鐵路大小里程方向。

本方案在SYB-LWTXLS01處基站增加1副天線，指向沈白鐵路大里程方向，將哈大客專信號延伸至沈白鐵路上；既有天線位置原方向不變；SYBLWTXLS01基站在維持原基站切換關系的基礎上，增加與沈白鐵路DK5+095、DK6+610基站的切換關系。

由于哈大客專RBC與沈白鐵路RBC切換位于DK2+383—DK8+645，為了避開RBC切換范圍，本方案需將哈大客專BSC與沈白鐵路BSC切換點控制在DK2+383小里程側，保證切換順利。

為滿足運營需求，需補強沈陽北站站臺覆蓋，本方案將沈陽北站新設模擬直放站近端機1套，遠端機2套。

按照上述方案實施后，列車行進過程中切換方式如下：

（1）哈大客專沈陽至哈爾濱方向：列車自沈陽北站出發，信號接入依次切換至沈陽北站、SYBLWTXLS01、SYB-LWTXLS02基站，駛出沈陽樞紐。

（2）哈大客專哈爾濱至沈陽方向：列車自哈爾濱方向駛來，信號接入依次切換至SYB-LWTXLS02、SYB-LWTXLS01、沈陽北站基站，駛入沈陽樞紐。

（3）沈白鐵路沈陽至白河方向：沈陽北站列車出發前信號接入沈陽北站基站，出發后，在沈陽北站與SYB-LWTXLS01基站之間某個位置切換至SYB-LWTXLS01基站，隨后在進入沈東特大橋聲屏障（DK2+060）前切換至DK5+095基站，由哈大BSC切換至沈白BSC，駛出沈陽樞紐，并保持駛出沈東特大橋聲屏障（DK7+108），駛出聲屏障后在聲屏障出口與DK9+460基站之間的某個位置切換至DK9+460基站。

（4）沈白鐵路白河至沈陽方向：列車自DK9+460基站處駛來，切換至DK9+460基站，行駛至聲屏障出口DK7+108與DK9+460基站之間的某個位置切換至DK5+095基站，并保持駛出沈東特大橋聲屏障（DK2+060），在聲屏障入口（DK2+060）至SYB-LWTXLS01基站間某個位置切換至SYB-LWTXLS01基站，由沈白BSC切換至哈大BSC，隨后切換至沈陽北站基站后，進入沈陽北站。

2.3 方案對比

兩種方案優缺點對比如表3所示。

表3 交叉并線區段GSM-R方案對比

以上兩種方案均能滿足兩條線路覆蓋需求，但為了減小對既有鐵路的影響，降低網絡優化實施難度，保證GSM-R覆蓋可靠，參考類似項目案例[8]并結合運營單位意見，最終按照方案1實施。

3 GSM-R關鍵技術

實施方案1時，應通過調整基站發射機輸出功率、天線的方位角及俯仰角、天線掛高等網絡優化手段，并通過如下關鍵技術提高GSM-R無線覆蓋質量，為沈白鐵路列車正常運行提供保障。

3.1 高速越區切換技術

為滿足列車高速行駛過程中可以安全可靠地完成小區越區切換，本方案在相鄰小區均保證了足夠長度的重疊覆蓋區，且重疊覆蓋區內覆蓋場強高于最小接收信號電平。一般重疊覆蓋區域長度在1 000 m以上即可確保速度350 km/h的列車實現可靠的越區切換。

3.2 網絡結構的可靠性技術

本方案采用冗余技術，對基站、直放站等設備、關鍵板件熱備份配置，并通過光纜環形組網的方式，保證在以下非連續點故障情況下系統仍然能正常工作：單臺基站故障；單臺數字光纖直放站故障；數字光纖直放站單路功放故障；漏纜單點中斷。

3.3 場強覆蓋技術

本方案非聲屏障區段采用定向天線覆蓋，聲屏障區段采用漏纜覆蓋，且采用一個基站一個小區的組合小區方案，使方案越區切換次數盡可能減少，保證系統可靠性和穩定性。

4 結語

隨著近幾年鐵路的高速建設，鐵路網密度越來越大，新建鐵路與既有鐵路交叉并線情況越來越多，交叉并線區段或樞紐地區的GSM-R設計越來越重要，已成為通信系統設計的重點和難點，也成為影響聯調聯試的關鍵因素之一。本文分析沈白鐵路引入沈陽樞紐交叉并線區段GSM-R無線覆蓋方案，為今后類似場景提供了工程案例。