山區(qū)鐵路GSM-R交織單網(wǎng)冗余覆蓋設(shè)計

■ 熊潔 段永奇 賀琦 吳溪橋

我國山區(qū)鐵路多處于崇山峻嶺中，大量隧道群連續(xù)出現(xiàn)，地形復(fù)雜，使無線電波的傳播情況更為復(fù)雜多變。在復(fù)雜的地形條件下采用GSM-R交織單網(wǎng)覆蓋方案，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高性能和高可靠性是GSM-R網(wǎng)絡(luò)無線覆蓋設(shè)計面臨的難題和巨大挑戰(zhàn)。

1 設(shè)計難點

相比平原地區(qū)，山區(qū)鐵路GSM-R交織單網(wǎng)覆蓋面臨的主要困難有：

（1）無線覆蓋設(shè)計要根據(jù)不同的地形，尤其是各種不同長度的隧道及橋梁，制定不同的解決方案。

（2）在交織單網(wǎng)冗余覆蓋時，基站間距短，每個直放站遠端機需同時接入相鄰兩個基站的信號，這種方案在提供冗余覆蓋的同時增加特定地段的電磁環(huán)境復(fù)雜程度。特別是在山區(qū)樞紐地區(qū)，由于引入線路多，地形狹窄，基站信號被多重引入，大大加劇電磁干擾的程度。

（3）隧道群的非規(guī)則分布將需要無線信號連續(xù)覆蓋的地域也劃分成了非規(guī)則分布的獨立區(qū)域，在設(shè)計的時候需要將這些區(qū)域用各種解決方案貫通起來，保證無線信號冗余覆蓋的連續(xù)、一致和系統(tǒng)性。進行覆蓋方案設(shè)計時，既要考慮單獨個體的冗余覆蓋，也要對單獨個體之間的連續(xù)和一致性銜接進行綜合考慮，同時滿足各種網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)。這種非規(guī)則性的獨立區(qū)域劃分導(dǎo)致通常制定的短隧道、長隧道、隧道群等單獨的覆蓋方案很難作為一種通用的解決方案，而只能作為一種原則上的指導(dǎo)。

（4）在山區(qū)鐵路中，為保證冗余覆蓋，需大量使用光纖直放站。時延、噪聲影響，以及CTCS-3級列控系統(tǒng)對GSM-R的服務(wù)質(zhì)量（QoS）指標(biāo)要求均對基站和直放站的配置位置提出眾多限制，這些限制增加了山區(qū)鐵路交織單網(wǎng)冗余覆蓋設(shè)計的難度。

（5）山區(qū)鐵路地形復(fù)雜會導(dǎo)致基站和直放站布置的不規(guī)則和不對稱。同時，在小區(qū)重選和切換區(qū)的選擇過程中需要同時考慮正常模式和單點故障2種情況，這些因素加重了小區(qū)重選和切換區(qū)選擇的難度。

（6）山區(qū)鐵路大多處于崇山峻嶺中，橋隧比例很高，很多區(qū)域的橋隧相連和惡劣地形會給基站和直放站站址的選擇帶來較大困難；而冗余覆蓋的各種限制條件又導(dǎo)致基站和直放站站址的選擇有很大局限性，這給山區(qū)鐵路冗余覆蓋方案的設(shè)計加大了難度。

2 設(shè)計原則

基于山區(qū)鐵路交織單網(wǎng)冗余覆蓋方案的設(shè)計難度，只有正確把握設(shè)計原則才能制定全面和優(yōu)化的覆蓋方案。針對山區(qū)鐵路，對交織單網(wǎng)冗余覆蓋方案的設(shè)計提出一些建議和解決思路，但使用時，應(yīng)根據(jù)實際情況靈活應(yīng)用。

2.1 技術(shù)指標(biāo)對無線設(shè)備設(shè)置的影響

（1）因交織冗余覆蓋方案的需要，基站與第1個直放站一般需采用空間波覆蓋方案，對直放站多徑時延差要求為：載干比C/I不大于12 d B時，時延差不大于15μs。基站與所帶的第一個直放站一般間距為1.5 km，特殊情況下不大于2 km。

（2）由于直放站噪聲和引入的外部噪聲會增加基站的底噪，降低基站接收靈敏度，故在隧道覆蓋時直放站接入基站的配置宜按兩頭小、中間大配置，即當(dāng)直放站均在隧道內(nèi)時，由于電磁環(huán)境好，直放站遠端機引入的外部環(huán)境噪聲小，同時基站和直放站均無天線覆蓋，基站底噪的抬升對上行覆蓋的影響較小，此時基站所帶的主備遠端機最大可按16個考慮；而當(dāng)直放站在隧道口或隧道外，或直放站帶有天線時，引入的外部噪聲較大，同時基站底噪的抬升也大大減小了天線在開闊地區(qū)的覆蓋范圍，此時，基站所帶主備遠端機最大不超過8個。

（3）山區(qū)鐵路長大隧道多，為避免隧道內(nèi)潮濕、灰塵、強電磁干擾、非安全性因素的影響，可考慮將隧道內(nèi)的基站設(shè)備集中放置于隧道外基站機房內(nèi)，用光纖直放站拉遠進行隧道內(nèi)覆蓋，同時基于交織單網(wǎng)的需要將偶數(shù)基站和奇數(shù)基站分開放置。需注意GSM-R系統(tǒng)時間提前量為0～233μs，按光纜信號傳輸速率為4.8μs/km計算，最遠光纖直放站遠端機理論距離為233μs/（2×4.8μs/km）=24 km，考慮其他延時，建議近端機和遠端機之間的光纜最大長度為20 km。同時，還需考慮直放站系統(tǒng)本身能容忍的光鏈路衰減程度，這需要根據(jù)不同廠家的直放站參數(shù)來計算。

2.2 基站間距和切換區(qū)的選擇

（1）考慮C3系統(tǒng)無差錯傳輸間隔應(yīng)不小于20 s的要求以及切換時間和信號飄移的影響，以350 km/h計算，基站間距應(yīng)大于2.5 km。

（2）車站附近是調(diào)度通話和通用分組無線服務(wù)業(yè)務(wù)（GPRS）數(shù)據(jù)傳輸?shù)母哳l地段，為保障通話質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，在車站附近不宜設(shè)置切換區(qū)，切換區(qū)宜選在出站2 km以外區(qū)域。

（3）切換區(qū)可選在開闊區(qū)間或隧道內(nèi)時，宜選在隧道內(nèi)切換。以350 km/h計算，切換區(qū)域長度為800 m，由于進出車站地區(qū)車速降低，可適當(dāng)縮短。規(guī)劃切換區(qū)域范圍時，需考慮由于冗余覆蓋的存在，正常工作模式下兩個基站之間的區(qū)域?qū)嶋H均為重疊覆蓋區(qū)域，故更需考慮在單點故障時切換區(qū)的設(shè)計和規(guī)劃。

2.3 泄漏電纜覆蓋設(shè)計

（1）兩隧道間距較短時宜用漏纜貫通覆蓋，間距較大時宜用天線覆蓋，具體根據(jù)工程情況靈活應(yīng)用。

（2）山區(qū)鐵路隧道群多，隧道間常采用漏纜貫通覆蓋，直放站分布的不規(guī)則性較強，相鄰直放站間距很難按業(yè)界公認(rèn)的1 km來布設(shè)，因此，掌握冗余覆蓋條件下相鄰直放站漏纜連接最大間距在工程設(shè)計時具有重要意義。隧道覆蓋采用漏纜時，直放站輸出信號中主用基站信號比備用基站信號高6 dB左右，因此連接漏纜兩側(cè)相鄰直放站的距離主要考慮備用基站信號的直放站輸出功率。其中直放站輸出功率為33 dBm（2 W）-6 dBm=27 dBm，漏纜指標(biāo)按鐵道部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3201—2008規(guī)定：傳輸損耗2.2 d B/100 m，耦合損耗（95％，2 m）69 d B，遠端機的跳線加接頭損耗3 d B。表1為漏纜覆蓋預(yù)算計算表，根據(jù)計算結(jié)果，連接漏纜時相鄰直放站的距離可達1.4 km。

（3）由于交織單網(wǎng)組網(wǎng)的需要，一般在隧道兩邊各設(shè)置一個直放站，隧道采用泄漏同軸電纜覆蓋，此時需關(guān)注直放站隔離度的指標(biāo)要求。如為滿足直放站設(shè)備20 d B隔離度的要求，遠端機兩端的跳線加接頭的損耗為3 dB×2=6 d B，工程余量3 d B，傳輸損耗為2.2 d B/100 m，則漏纜長度為（20-6+3）/0.022=773 m，即當(dāng)兩側(cè)相鄰直放站之間連接漏泄長度小于800 m時，兩側(cè)直放站均需要設(shè)置衰減器，衰減器規(guī)格根據(jù)連接漏泄的長度和指標(biāo)來確定。

3 設(shè)計思路

（1）進行覆蓋組網(wǎng)設(shè)計時，由于需要考慮的因素和要求太多，往往顧此失彼，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)這些要求的主次和輕重理出主線抓住重點，優(yōu)化設(shè)計。

（2）交織單網(wǎng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)最根本的是要保障正常模式下GSM-R網(wǎng)絡(luò)的性能要求。建議首先保障正常模式下GSM-R網(wǎng)絡(luò)性能（覆蓋、Qo S指標(biāo)等）的要求，然后制定單點故障時的覆蓋冗余方案以提供基本的冗余保障，最后再對冗余覆蓋方案進行優(yōu)化。

（3）在山區(qū)樞紐地區(qū)需加強對干擾和多路徑信號時延的考慮和控制，采取特定覆蓋設(shè)計方案、優(yōu)化頻率設(shè)置，盡量避免干擾。

表1 泄漏電纜覆蓋預(yù)算計算表

4 結(jié)束語

針對山區(qū)高速鐵路，探討GSM-R交織單網(wǎng)冗余覆蓋方案的設(shè)計難點和設(shè)計原則，并提出一些解決思路，這些分析和討論對工程設(shè)計和實施具有一定參考作用，但在具體工程實施中，還需針對實際情況靈活應(yīng)用。

[1] 胡曉紅. 武廣客專GSM-R 系統(tǒng)無線覆蓋方案優(yōu)化設(shè)計[C]//2010鐵路通信、信號、信息系統(tǒng)工程設(shè)計年會論文集，2010

[2] 劉立海，劉建宇. 交織單網(wǎng)GSM-R 網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案分析與討論[C]//2008鐵路通信、信號、信息系統(tǒng)工程設(shè)計論文集，2008

[3] 孫儒石. GSM數(shù)字移動通信工程[M]. 北京：人民郵電出版社，1998