合蚌客運(yùn)專線特殊區(qū)段GSM-R方案研究與探討

沈 吟

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070)

1 概述

合肥至蚌埠客運(yùn)專線沿蚌淮高速公路跨合徐高速公路、水蚌鐵路、窯河，經(jīng)淮南市，與淮南鐵路并行。經(jīng)長(zhǎng)豐縣，至合肥市，線路大致呈南北走向，全長(zhǎng)130.589 km。合蚌客運(yùn)專線北連京滬高速鐵路，南接合肥樞紐，與合寧、合武鐵路相銜接，是京滬高速鐵路與滬漢蓉客運(yùn)通道間的快速連通線，也是京福高速鐵路的重要組成部分。鐵路等級(jí)為雙線客運(yùn)專線，列車速度目標(biāo)值為350 km/h，GSM-R系統(tǒng)作為鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信平臺(tái)，不僅需要提供話音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，還必須滿足最高時(shí)速下移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的需要，以及列車控制系統(tǒng)對(duì)傳輸通道的需求。合蚌客運(yùn)專線存在部分復(fù)雜、特殊區(qū)段，這些區(qū)段通過(guò)窯河泄洪區(qū)、與京滬高速鐵路并線、與蚌福聯(lián)絡(luò)線并線、位于合肥樞紐區(qū)等。在這些區(qū)段，需要對(duì)GSM-R系統(tǒng)方案進(jìn)行特別研究，以保證通信的持續(xù)性和可靠性。

2 特殊區(qū)段GSM-R方案分析

合蚌客運(yùn)專線及合肥樞紐工程新建基站46處，其中區(qū)間基站41處、車站基站5處，包括在京滬高速鐵路的JH1226、JH1301基站，合武線的HFD-THD02基站，合寧線的合肥車站基站增加基站。復(fù)雜、特殊區(qū)段方案研究如下。

2.1 合蚌客運(yùn)專線與京滬高速鐵路在蚌埠并線區(qū)段

因合蚌客運(yùn)專線北聯(lián)建設(shè)中的京滬高速鐵路，并線區(qū)段的GSM-R系統(tǒng)需統(tǒng)籌考慮。京滬高速鐵路已先于合蚌客運(yùn)專線設(shè)置基站，故在與京滬高速鐵路并線區(qū)段，合蚌客運(yùn)專線基站設(shè)置需結(jié)合京滬高速鐵路已設(shè)置情況。并線區(qū)段示意如圖1所示。

考慮蚌埠站提前實(shí)施，蚌埠站基站設(shè)備接入京滬BSC。蚌埠站設(shè)同址雙套基站，受頻率規(guī)劃限制，站型按照C2+1(2載頻主用，1載頻備用)和C1+1(1載頻主用，1載頻備用)配置。

圖1 與京滬高鐵并線區(qū)段GSM-R系統(tǒng)示意

(1)JH1226基站位于京滬與合蚌的分叉口，考慮其重要性，按照同址雙套基站設(shè)置，接入京滬BSC，并接入與既有JH1226 C2基站不同的京滬基站環(huán)。雙套基站按C2和C1+1站型配置，C1+1基站設(shè)備布置在既有JH1226基站機(jī)房。C2基站往蚌埠站方向增加1副天饋，利用JH1226基站既有50 m鐵塔上層平臺(tái)架設(shè)，C1+1基站3副天饋利用下層平臺(tái)架設(shè)。

(2)JH1300基站，位于蚌埠南站，站型配置為C4，本工程利用此處基站對(duì)合蚌進(jìn)行覆蓋，不再重復(fù)設(shè)置基站。

(3)JH1301基站位于京滬與合蚌的分叉口，同樣按照同址雙套基站設(shè)置，接入京滬BSC，并接入與既有JH1301 C2基站不同的京滬基站環(huán)。雙套基站按C2和C1+1站型配置，C1+1基站設(shè)備布置在既有JH1301基站機(jī)房，并接入近端機(jī)等設(shè)備。C2基站往合蚌叉出去的上行線增加1副天饋，利用JH1301基站既有50 m鐵塔上層平臺(tái)架設(shè)，C1+1基站3副天饋利用下層平臺(tái)架設(shè)。

(4)為避免合蚌下行動(dòng)車切換到JH1302基站，引起掉話，建議取消JH1302基站，將其移設(shè)到JH1303，即JH1303同址設(shè)置雙套基站設(shè)備，站型按照C2和C1+1配置;JH1302的近端機(jī)移設(shè)到JH1301，用于連接新設(shè)的C1+1基站。

(5)在JH1301基站附近合蚌與京滬分開(kāi)，合蚌的上行線與下行線也分開(kāi)，因此合蚌DSK4+500、DSK6+450和DK6+500三處基站可按C1站型配置。合蚌上行線的DSK6+450基站，下行線的DK6+500基站，與DK9+500基站的切換是單向切換，可以通過(guò)相鄰關(guān)系的設(shè)置來(lái)避免交叉點(diǎn)切換混亂的情況出現(xiàn)，因此只在DK9+500處設(shè)置1套C2基站即可。

2.2 窯河泄洪區(qū)區(qū)段

(1)合蚌客運(yùn)專線DK36+600至DK39+100為跨越窯河區(qū)段。因窯河有泄洪要求，百年一遇泄洪控制水位為23.98 m。DK35+100至DK40+050段地表高度為21 m，此段均受泄洪影響，無(wú)法建設(shè)基站機(jī)房。窯河起點(diǎn)最近基站站址為DK35+100，終點(diǎn)最近基站站址為DK40+840，因此在5.74 km距離之內(nèi)無(wú)法設(shè)置基站。對(duì)于時(shí)速350 km/h的客運(yùn)專線，如此長(zhǎng)的距離，顯然不能保證語(yǔ)音和數(shù)據(jù)的可靠傳輸。對(duì)此困難地段，傳統(tǒng)解決方案是放置基站的光纖直放站遠(yuǎn)端。遠(yuǎn)端機(jī)為室外型，放置在鐵塔上，以高于洪水位，用此方式來(lái)解決此段覆蓋問(wèn)題，經(jīng)分析，此方案存在以下兩點(diǎn)問(wèn)題。

①兩直放站遠(yuǎn)端機(jī)之間距離遠(yuǎn)，場(chǎng)強(qiáng)較弱。O2站型基站所帶直放站遠(yuǎn)端機(jī)的發(fā)射功率一般為5 W，有效覆蓋距離為1～2 km。速度350 km/h的高速鐵路，在保證兩次切換時(shí)間(約8 s或10 s)情況下，切換區(qū)距離=350 km/h×10 s/3 600≈972 m，切換區(qū)域約為1 km。因此，這樣的覆蓋電平，能否保證列車控制系統(tǒng)的性能有待于驗(yàn)證。

②基站與遠(yuǎn)端機(jī)存在時(shí)延過(guò)大問(wèn)題，容易引起干擾和誤碼。光纖直放站存在1個(gè)重要的時(shí)延限制，即多徑時(shí)延限制。直放站信號(hào)實(shí)際上可以被認(rèn)為是時(shí)延較大、強(qiáng)度較高的基站信號(hào)的多徑成分。當(dāng)基站信號(hào)與直放站信號(hào)轉(zhuǎn)換，或同一小區(qū)的2個(gè)直放站之間轉(zhuǎn)換2路信號(hào)C/I值不大于9 dB(工程設(shè)計(jì)一般取12 dB)時(shí)，要求時(shí)延差不大于15 μs(理論極限值)。光纖直放站時(shí)延示意見(jiàn)圖2。

圖2 光纖直放站時(shí)延示意

(2)如果移動(dòng)臺(tái)(A點(diǎn))處于基站側(cè)，即 D1=0，D2=D。此時(shí)Tb=0。BTS射頻信號(hào)經(jīng)光纖直放站、光纖和空間到達(dá) A 點(diǎn)的時(shí)延:Tr=Dr+Df+D2×3.333 μs其中:Df=D×5 μs(Df=距離 D/信號(hào)在光纖中的傳播速度)，Dr=直放站遠(yuǎn)端機(jī)處理時(shí)延，取 1 μs，D2=D。兩路信號(hào)到達(dá)A點(diǎn)的時(shí)延差:ΔT=Tr-Tb=Dr+D×5 μs+D×3.333 μs=1 μs+D×5 μs+D×3.333 μs≤15 μs可得:D≤1.68 km。關(guān)于15 μs，如果考慮工程預(yù)留，按13 μs計(jì)算，則距離D為1.44 km。

(3)以上計(jì)算是時(shí)延極限情況下的計(jì)算，考慮到此處(A點(diǎn))兩個(gè)信號(hào)差大于12 dB時(shí)，信號(hào)差別較大，時(shí)延帶來(lái)干擾可以不考慮。由于基站信號(hào)與直放站信號(hào)差在12 dB的位置，無(wú)法準(zhǔn)確確定，故在實(shí)際工程中，可以適當(dāng)增加距離D。但實(shí)際距離還需結(jié)合環(huán)境進(jìn)行確認(rèn)。經(jīng)過(guò)分析，本方案中，直放站與基站的距離較大，可能存在時(shí)延問(wèn)題，考慮工程預(yù)留，一般建議不大于1.5 km，故對(duì)此方案需進(jìn)一步優(yōu)化。

(4)根據(jù)計(jì)算和收集實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在DK35+100與DK40+840處利用設(shè)置共站址雙網(wǎng)冗余方案，站型按照C2+C1配置。能解決該特殊區(qū)段的覆蓋問(wèn)題。此區(qū)段基站設(shè)置如圖3所示。

圖3 窯河泄洪區(qū)區(qū)段GSM-R系統(tǒng)示意

2.3 合蚌客運(yùn)專線與蚌福聯(lián)絡(luò)線并線區(qū)段

2.3.1 話務(wù)量預(yù)測(cè)及容量配置

(1)車站基站信道配置

基站忙時(shí)話務(wù)量計(jì)算(表1)。

表1 基站忙時(shí)話務(wù)量計(jì)算

基站忙時(shí)信道數(shù)計(jì)算(表2)。

表2 基站忙時(shí)信道數(shù)計(jì)算

經(jīng)過(guò)計(jì)算，其需要的總信道數(shù)為23個(gè)，采用3載頻基站。受頻點(diǎn)規(guī)劃限制，結(jié)合車站股道數(shù)量，合肥北城采用C3站型。

(2)區(qū)間基站信道配置

基站忙時(shí)話務(wù)量計(jì)算(表3)

表3 基站忙時(shí)話務(wù)量計(jì)算

基站忙時(shí)信道數(shù)計(jì)算(表4)。

表4 基站忙時(shí)信道數(shù)計(jì)算

2.3.2 合蚌客運(yùn)專線與蚌福聯(lián)絡(luò)線并線區(qū)段GSM-R系統(tǒng)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，其需要的總信道數(shù)為14個(gè)，并為列控系統(tǒng)跨RBC切換等需求考慮一定預(yù)留，采用2載頻基站。對(duì)于在DK106+300～DK124+800區(qū)段，合蚌客運(yùn)專線與蚌福聯(lián)絡(luò)線并線，共用區(qū)間基站，配置為C2+1站型備用，如圖4所示。

圖4 合蚌客運(yùn)專線、蚌福聯(lián)絡(luò)線并線區(qū)段GSM-R系統(tǒng)示意

2.4 合肥樞紐區(qū)段

合寧線在合肥站已設(shè)置1套C3基站，本工程再增加1套C2基站，天饋利用既有C3基站鐵塔平臺(tái)安裝。

(1)蚌福聯(lián)絡(luò)線從DK124+800岔出，去往合肥南站。合蚌在DK125+350處與合武線交叉，合武線在DK125+350附近設(shè)有1處C2基站，合肥樞紐區(qū)段示意如圖5所示。

(2)考慮合武線在DK125+350附近的C2基站位于十字交叉口，位置比較重要，本工程再增加1套C1基站，利用既有基站機(jī)房安裝。既有C2基站往合肥方向已有天線覆蓋，再往合蚌DK123+400方向增加1副天饋，安裝在既有基站鐵塔上層平臺(tái)，C1基站3副天饋覆蓋合蚌、蚌福聯(lián)絡(luò)線，安裝在下層平臺(tái)。

圖5 合肥樞紐區(qū)段GSM-R系統(tǒng)示意

(3)因合蚌線路等級(jí)高于合寧、合武，建議將DK125+350及合肥基站均納入合蚌BSC，以減少跨BSC切換，影響GSM-R網(wǎng)絡(luò)性能。

3 結(jié)論和建議

(1)列車在復(fù)雜、特殊區(qū)段的高速運(yùn)行，對(duì)作為列控信息承載平臺(tái)的GSM-R無(wú)線通信系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，需要對(duì)GSM-R系統(tǒng)進(jìn)行合理的無(wú)線規(guī)劃，才能保證通信的持續(xù)性和可靠性。

(2)GSM-R系統(tǒng)的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋預(yù)測(cè)、容量配置和重疊區(qū)設(shè)計(jì)方案的選擇，是本系統(tǒng)應(yīng)用效果優(yōu)劣的關(guān)鍵，而頻點(diǎn)的設(shè)置、接入條件則應(yīng)在建設(shè)初期統(tǒng)一考慮。這些都應(yīng)在工程實(shí)施的初步設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)階段予以足夠的重視。只有這樣，才能保證GSM-R方案在復(fù)雜、特殊區(qū)段的順利實(shí)施。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路GSM-R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.

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部.高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2009.

［3］中華人民共和國(guó)鐵道部.GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信應(yīng)用技術(shù)條件 第二分冊(cè):列車無(wú)線車次號(hào)校核信息傳送系統(tǒng)［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2007.

［4］中華人民共和國(guó)鐵道部.GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信應(yīng)用技術(shù)條件 第三分冊(cè):調(diào)度命令信息無(wú)線傳送系統(tǒng)［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2007.

［5］中華人民共和國(guó)鐵道部.列車無(wú)線電通信天線類型、基本參數(shù)及測(cè)量方法［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1987.

［6］吳克非.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.