基于單網(wǎng)交織網(wǎng)絡(luò)的GSM-R基站間距分析

趙 旭

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251）

GSM-R移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是專門為鐵路服務(wù)的專業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)，它高效、快捷的將地面信號(hào)（CTCS-3級(jí)列控、CTC或TDCS等）傳輸至機(jī)車內(nèi)部，同時(shí)將列車運(yùn)行情況反饋到地面，使得鐵路調(diào)度中心可以實(shí)時(shí)快捷的掌握列車運(yùn)行情況。

對(duì)于高速動(dòng)車組（運(yùn)行速度350 km/h及以上），由于列車運(yùn)行速度快，列車司機(jī)已經(jīng)無(wú)法在很短時(shí)間內(nèi)對(duì)機(jī)車控制做出反應(yīng)，在這種情況下，采用CTCS-3級(jí)無(wú)線列車控制信號(hào)對(duì)列車進(jìn)行ATP自動(dòng)控制，CTCS-3級(jí)信號(hào)的有效傳輸就由GSM-R網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)。無(wú)線電波傳播按照統(tǒng)計(jì)平均的規(guī)律分布，基站間距近，則大概率下（95%以上）信號(hào)強(qiáng)度高，覆蓋效果好，但帶來(lái)的問(wèn)題就是移動(dòng)臺(tái)切換頻繁。因?yàn)橐苿?dòng)臺(tái)的每次切換，都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的暫時(shí)中斷，所以盡量減少切換也是對(duì)信號(hào)安全傳輸?shù)谋匾獥l件。若基站間距遠(yuǎn)，雖確保了切換，但損失了場(chǎng)強(qiáng)的有效覆蓋。

1 CTCS-3級(jí)列控信號(hào)對(duì)無(wú)線覆蓋的要求

《CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案》（簡(jiǎn)稱總體技術(shù)方案）4.3中明確了GSM-R網(wǎng)絡(luò)需要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)。

（1）移動(dòng)臺(tái)發(fā)起的連接建立時(shí)間：＜8.5 s（95%）、≤ 10 s（100%）；

（2）連接建立失敗概率：＜10-2；

（3）最大端到端傳輸時(shí)延（30 B用戶數(shù)據(jù)塊）：≤ 0.5 s（99%）；

（4）連接丟失概率：≤10-2/h；

（5）傳輸干擾時(shí)間TTI：＜0.8 s（95%）、＜1 s（99%）；

（6）傳輸無(wú)差錯(cuò)時(shí)間（傳輸恢復(fù)時(shí)間）TREC：＞ 20 s（95%）、＞ 7 s（99%）；

（7）網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)時(shí)延：≤30 s（95%)、≤35 s（99%）、≤ 40 s（100%）。

在基站覆蓋設(shè)計(jì)方面，為滿足CTCS-3對(duì)GSM-R的通信指標(biāo)要求，GSM-R基站布置應(yīng)采用單網(wǎng)交織的網(wǎng)絡(luò)形式[1]，如圖1所示。

單網(wǎng)交織的優(yōu)勢(shì)：如遇到基站單點(diǎn)故障，相鄰基站的信號(hào)均可按照CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的參數(shù)要求，對(duì)區(qū)間鐵路進(jìn)行覆蓋。比如，當(dāng)圖1中的基站3因供電、外力等因素掉站，則基站2與基站4可以對(duì)基站3所在位置的無(wú)線信號(hào)進(jìn)行覆蓋，且滿足基站2與基站4之間的切換要求（它們有切換交疊區(qū)），單網(wǎng)交織的容災(zāi)性能優(yōu)越。

從切換層面考慮，單網(wǎng)交織組網(wǎng)在線路上只形成了一層網(wǎng)絡(luò)，無(wú)論移動(dòng)臺(tái)是新入網(wǎng)注冊(cè)，還是在不同基站間切換，都不會(huì)造成接入不同網(wǎng)絡(luò)的情況，這對(duì)于切換機(jī)制和參數(shù)的控制，也比較簡(jiǎn)單。

2 基站間距設(shè)計(jì)分析

速度在350 km/h的列車控制通常采用ATP自動(dòng)控車，需要CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)自動(dòng)指揮行車。基站是GSM-R信號(hào)在鐵路區(qū)間覆蓋的最終設(shè)備，傳輸列控?cái)?shù)據(jù)的列控機(jī)車臺(tái)在速度大于280 km/h、95%統(tǒng)計(jì)概率情況下，機(jī)車電臺(tái)8 W、天線增益為0 dBi，車頂天線處最小接收電平PrMIN≥-92 dBm[2]。為達(dá)到以上標(biāo)準(zhǔn)，基站應(yīng)確定具體覆蓋范圍。

2.1 從場(chǎng)強(qiáng)覆蓋方面確定基站最大間距

因GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)頻率在900 MHz頻段，基站天線高度滿足30～200 m，移動(dòng)臺(tái)天線高度滿足1～10 m，覆蓋范圍在1～20 km區(qū)間，滿足Okumura-Hata模型的預(yù)測(cè)條件，比較接近實(shí)測(cè)結(jié)果。其他模型在使用范圍及實(shí)測(cè)結(jié)果方面都不及該模型，因此在GSM-R工程覆蓋設(shè)計(jì)中采用Okumura-Hata模型[3]。Okumura-Hata模型公式如下：

其中，hb為基站天線高度，f為工作頻率，α（hm)為移動(dòng)臺(tái)修正因子，取6.43，d為傳播距離，S（a)為建筑物修正因子，郊區(qū)取值為20。

根據(jù)Okumura-Hata公式可以得到在不同覆蓋距離下，路徑損耗中值。而對(duì)于移動(dòng)臺(tái)和基站來(lái)講，移動(dòng)臺(tái)的功率小，基站的功率大，往往當(dāng)基站覆蓋到移動(dòng)臺(tái)，下行場(chǎng)強(qiáng)滿足-92 dBm時(shí)，移動(dòng)臺(tái)到基站的上行發(fā)射功率到達(dá)基站時(shí)，已經(jīng)低于基站最小接收電平（通常為-110 dBm），從而造成移動(dòng)臺(tái)有信號(hào)而無(wú)法發(fā)起呼叫，或通話一方聲音清晰，而另一方語(yǔ)音質(zhì)量很差的情況。所以，在計(jì)算基站覆蓋范圍時(shí)，還應(yīng)該考慮覆蓋信號(hào)的上下行平衡。

根據(jù)上下行鏈路預(yù)算公式：

其中，Pbr為基站接收電平，Pbt為基站發(fā)射功率，Pmr為移動(dòng)臺(tái)接收電平，Pmt為移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功率，La為人體、車體損耗，Ls為陰影衰落，Lm為設(shè)計(jì)余量，Gam移動(dòng)臺(tái)天線增益，Lb為路徑損耗（Okumura-Hata公式計(jì)算得到），Gab為基站天線增益，Gdb為基站分集接收增益。各參數(shù)具體取值可參考《中國(guó)鐵路GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南》8.5.3節(jié)表8-4“上下行鏈路預(yù)算表”。

根據(jù)上述公式及上下行平衡預(yù)算，在列車運(yùn)行速度350 km/h、天線掛高距軌面35 m、郊區(qū)中等起伏地情況下，基站間距為4.0 km以內(nèi)可以滿足95%統(tǒng)計(jì)概率下-92 dBm的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋要求。

2.2 從基站切換的角度確定基站最小間距

按規(guī)定傳輸干擾時(shí)間應(yīng)滿足：<0.8 s（95%)、<1 s（99%)。傳輸無(wú)差錯(cuò)時(shí)間（恢復(fù)時(shí)間）應(yīng)滿足95%概率大于20 s，99%概率大于7 s[1]。

移動(dòng)臺(tái)在不同基站間執(zhí)行切換時(shí)，列控?cái)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸會(huì)瞬間暫停，以便利用業(yè)務(wù)信道發(fā)送快速隨路信令，因此，切換執(zhí)行時(shí)間會(huì)帶來(lái)傳輸誤碼，要求兩次切換之間的時(shí)間間隔也需要滿足95%概率時(shí)大于20 s，99%概率時(shí)大于7 s的要求。對(duì)于速度350 km/h的列車，每秒約走行97.22 m，在95%概率下無(wú)差錯(cuò)傳輸時(shí)間20 s，列車走行距離為97.22×20=1944.44（m），因此基站間距最少大于2 km。

又因?yàn)橐苿?dòng)臺(tái)在基站間切換時(shí)，需要完成“切換判決—切換執(zhí)行—懲罰時(shí)間—二次判決—二次執(zhí)行”的過(guò)程，如圖2所示（如果一次切換成功，則無(wú)二次判決、二次執(zhí)行的過(guò)程）。要滿足列控?cái)?shù)據(jù)傳輸干擾時(shí)間 TTI：＜ 0.8 s（95%)、＜ 1s（99%)[1]，即在整個(gè)切換過(guò)程中，切換時(shí)間（業(yè)務(wù)中斷）總累計(jì)值應(yīng)小于0.8 s=800 ms。因不同的廠家基站的切換時(shí)間和判決時(shí)間又不盡相同，且其參數(shù)均可設(shè)置，為使工程不受限于個(gè)別廠家，設(shè)計(jì)中采用包容性設(shè)計(jì)，以滿足10 s內(nèi)完成2次切換為原則[3]。故切換過(guò)程中，列車走行距離為97.22×10=972.22（m）。

為使移動(dòng)臺(tái)成功完成2次切換，基站間距最小應(yīng)滿足：1 944.44+972.22=2916.66（m），即基站間距應(yīng)大于等于3 km。

綜合2.1、2.2可知，在天線掛高距軌面35 m的條件下，均衡上下行鏈路，并考慮移動(dòng)臺(tái)在不同基站間完成2次切換，基站間距d（km）應(yīng)滿足3 km＜d＜4 km。

3 結(jié)束語(yǔ)

按照上述計(jì)算過(guò)程，基站在天線掛高距軌面35 m的情況下，平均間距按3.5 km布設(shè)比較理想。但對(duì)于多丘陵及山地地形區(qū)的線路，需要采用基站+直放站+漏纜+天線的方式覆蓋隧道及弱場(chǎng)區(qū)，直放站的引入會(huì)抬升基站底噪，降低基站接收靈敏度，影響上行鏈路的信號(hào)傳輸，因此直放站掛設(shè)的基站覆蓋范圍應(yīng)適當(dāng)減小接近3 km。同時(shí)，在確保信號(hào)安全的前提下，本著盡量節(jié)省投資的設(shè)計(jì)原則，平原及開(kāi)闊地區(qū)單網(wǎng)交織的基站間距可以適當(dāng)放大接近4 km。按照以上基站布設(shè)原則，大同樞紐古大線已經(jīng)開(kāi)通運(yùn)營(yíng)；哈大客運(yùn)專線已完成實(shí)施，處于后期調(diào)試階段；大西客運(yùn)專線已經(jīng)完成設(shè)計(jì)，即將實(shí)施?？梢哉f(shuō)，合理的基站間距已在GSM-R無(wú)線覆蓋、切換與工程投資上，達(dá)到比較均衡的效果。

[1]張曙光．CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案[M]．北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.

[2]北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院．鐵建設(shè)[2007]92號(hào) 鐵路GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2007．

[3]鐵道部工程設(shè)計(jì)鑒定中心，北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院．中國(guó)鐵路GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南[M]．北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.

[4]鐘章隊(duì)．鐵路GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)[M]．北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

[5]劉立海，劉建宇．交織單網(wǎng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案分析及探討[J]．鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2008，5（增刊)：85-90.