武漢鐵路樞紐GSM-R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃研究

■ 胡曉紅 方志程

1 武漢鐵路樞紐概述

武漢鐵路樞紐處于京廣通道和滬漢蓉沿江經(jīng)濟(jì)帶“十”字形的交叉點(diǎn)，樞紐內(nèi)有京廣線、京廣高速貫通南北，滬漢蓉快速客運(yùn)通道、武九線和漢丹線承啟西東，以武漢長(zhǎng)江大橋、天興洲公鐵兩用長(zhǎng)江大橋銜接北京、廣州、上海、成都、九江、襄樊6個(gè)方向線路，形成特大型環(huán)形樞紐格局。同時(shí)，為促進(jìn)武漢城市圈經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程，武漢鐵路樞紐在建的還有武（漢）孝（感）、武（漢）咸（寧）、武（漢）黃（石）城際鐵路項(xiàng)目。

武漢鐵路樞紐內(nèi)高速鐵路、城際鐵路、既有長(zhǎng)大干線的無(wú)線通信系統(tǒng)均采用GSM-R技術(shù)體制。上述區(qū)域地形相對(duì)復(fù)雜、各線路GSM-R無(wú)線覆蓋和性能指標(biāo)要求不同、各線路建設(shè)工期也不盡相同，造成統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)困難。此外，我國(guó)鐵路GSM-R系統(tǒng)有限的頻率資源使得樞紐地區(qū)的頻率分配成為難題。如果各線路獨(dú)立規(guī)劃、建設(shè)，容易出現(xiàn)切換關(guān)系混亂、干擾嚴(yán)重、頻率資源緊張等問(wèn)題。要盡快改變這種狀況，必須對(duì)樞紐內(nèi)各線路獨(dú)立設(shè)計(jì)的GSM-R方案進(jìn)行科學(xué)、合理優(yōu)化。武漢鐵路樞紐GSM-R系統(tǒng)建設(shè)方案優(yōu)化，一方面結(jié)合樞紐內(nèi)既有基站設(shè)置情況及各工程引入樞紐的GSM-R建設(shè)方案，優(yōu)化樞紐內(nèi)基站控制器（BSC）和基站設(shè)置方案，統(tǒng)一進(jìn)行頻率分配及鄰區(qū)關(guān)系設(shè)置；另一方面對(duì)尚無(wú)建設(shè)方案的樞紐內(nèi)其他線路進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃、站點(diǎn)及頻率規(guī)劃預(yù)留，按照分步實(shí)施原則最終實(shí)現(xiàn)武漢鐵路樞紐GSM-R網(wǎng)絡(luò)全覆蓋。

2 GSM-R系統(tǒng)建設(shè)情況

2.1 建設(shè)概況

按照《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》（2008年調(diào)整），2015年前有多條鐵路線引入武漢鐵路樞紐，主要有武廣高鐵、武九線、武黃城際、武咸城際、合武高鐵、鄭武高鐵、京九電化、漢宜線、漢孝城際等線路，以及武漢北編組站、武漢動(dòng)車段、武漢綜合維修基地、武漢高鐵訓(xùn)練段等單項(xiàng)工程（見(jiàn)圖1）。

上述工程均設(shè)置GSM-R系統(tǒng)，由于各工程信號(hào)專業(yè)采用的列控系統(tǒng)不同，對(duì)GSM-R系統(tǒng)的需求也不同，因此GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案不盡相同。其中，武廣、鄭武高鐵由于GSM-R網(wǎng)絡(luò)需要承載CTCS-3級(jí)列車控制安全信息的傳輸，采用了可靠性和冗余度更高的交織單網(wǎng)覆蓋方案；其他線路則采用普通單網(wǎng)覆蓋方案。各工程建設(shè)工期也不一致，其中合武高鐵、武廣高鐵、京九線、武九線工程已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，漢宜線、鄭武高鐵進(jìn)入實(shí)施階段，武黃、武咸、漢孝城際鐵路處于設(shè)備招標(biāo)階段。

2.2 存在問(wèn)題

（1）頻率資源緊張、通信質(zhì)量得不到保證。各相關(guān)工程GSM-R系統(tǒng)基站設(shè)計(jì)只考慮滿足本工程需要，未結(jié)合樞紐情況進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，導(dǎo)致一些區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)基站重復(fù)設(shè)置或基站覆蓋弱場(chǎng)，樞紐內(nèi)干擾嚴(yán)重。在線路交叉處未進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，有可能出現(xiàn)切換失敗情況。

（2）缺乏規(guī)劃，后續(xù)線路接入困難。武昌（不含）至南湖區(qū)域僅有武黃城際工程沿南環(huán)線設(shè)置基站，未考慮京廣線等線路的接入。將來(lái)京廣線如需建設(shè)GSM-R系統(tǒng)時(shí)存在接入困難的問(wèn)題，并可能要調(diào)整既有網(wǎng)絡(luò)。

（3）BSC接入方案缺乏規(guī)劃，影響通信質(zhì)量。武廣高鐵、武九線、武黃城際、漢宜線等工程分別在武漢新設(shè)置BSC設(shè)備，但未進(jìn)行BSC接入基站的統(tǒng)一規(guī)劃，使列車在樞紐內(nèi)運(yùn)行時(shí)頻繁發(fā)生跨BSC切換，影響通信質(zhì)量，且不便于維護(hù)管理。

3 GSM-R系統(tǒng)建設(shè)方案優(yōu)化

3.1 優(yōu)化思路及原則

為保證GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化質(zhì)量及對(duì)既有資源最有效的利用，采用場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試、模型校正、規(guī)劃軟件相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化設(shè)計(jì)。為充分掌握既有GSM-R系統(tǒng)在樞紐內(nèi)的覆蓋情況，對(duì)既有基站的覆蓋進(jìn)行測(cè)試，并將測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)合武漢鐵路樞紐電子地圖，對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件中的傳播模型參數(shù)進(jìn)行校正，完成樞紐覆蓋模擬和干擾模擬，在此基礎(chǔ)上對(duì)基站接入BSC方案進(jìn)行調(diào)整。

3.2 場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試

對(duì)武漢鐵路樞紐既有線進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)覆蓋測(cè)試。測(cè)試電平值按照大小分2檔：（1）-90 d Bm以下，從保證服務(wù)質(zhì)量（QoS）指標(biāo)、提高業(yè)務(wù)質(zhì)量的角度，建議覆蓋增強(qiáng)；（2）-90 dBm以上，電平滿足覆蓋要求。

以京廣線漢口—武漢北站區(qū)段為例。該段與合武、鄭武高鐵均為并行線路，并行區(qū)段京廣線離合武高鐵距離為100～2 500 m，既有基站為合武高鐵基站。

漢口站引出段與合武高鐵并行，合武高鐵基站的信號(hào)比較強(qiáng)，可以利用合武高鐵基站信號(hào)進(jìn)行覆蓋；武漢北站附近離合武高鐵水平間距2.5 km信號(hào)較弱，需進(jìn)行GSM-R覆蓋的補(bǔ)充規(guī)劃。同理，對(duì)武漢鐵路樞紐其他區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)覆蓋情況進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)覆蓋方案進(jìn)行初步調(diào)整。

3.3 覆蓋方案優(yōu)化

3.3.1 優(yōu)化原則

（1）從節(jié)省頻率及降低工程建設(shè)投資的角度，在具備共線覆蓋條件的并線區(qū)段采用共基站的覆蓋方式[1]。

（2）并行區(qū)段采用共用基站建設(shè)模式時(shí)，根據(jù)各條線路業(yè)務(wù)需求對(duì)基站容量進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃。

（3）多條鐵路線路交匯區(qū)域的典型結(jié)構(gòu)可分為交匯點(diǎn)、交叉無(wú)聯(lián)絡(luò)線、交叉帶聯(lián)絡(luò)線等結(jié)構(gòu)形式。交匯點(diǎn)和交叉帶聯(lián)絡(luò)線宜采用共基站覆蓋模式，交叉無(wú)聯(lián)絡(luò)線可根據(jù)頻率資源情況采用共基站或分設(shè)基站覆蓋方式。

（4）考慮列控線路需無(wú)線冗余覆蓋的要求，在并線區(qū)段可采用交織覆蓋方案，在線路交匯點(diǎn)，宜采用同站址冗余覆蓋方案。

（5）為降低樞紐內(nèi)基站的相互干擾，應(yīng)盡量控制基站天線高度。

3.3.2 武漢北區(qū)域仿真結(jié)果與調(diào)整建議

利用仿真軟件將各線路及GSM-R基站添加至數(shù)字地圖，進(jìn)行分析并優(yōu)化覆蓋方案。重點(diǎn)分析武漢北區(qū)域仿真結(jié)果。

在武漢北站灄口附近區(qū)域設(shè)立多條線路基站，并且是合武、鄭武高鐵分岔口，中間還有鐵路通往武漢北站，覆蓋情況復(fù)雜。在并行區(qū)段采用合武/鄭武共用基站的組網(wǎng)模式，根據(jù)測(cè)試情況及兼顧京廣線覆蓋需求對(duì)漢宜基站引入武漢北站的覆蓋方案進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，此區(qū)域信號(hào)雜亂（見(jiàn)圖2），特別是圖3中粉色圈內(nèi)區(qū)域，各基站信號(hào)交織，而且都互為相鄰小區(qū)。因此，進(jìn)出武漢北站的列車經(jīng)過(guò)此處時(shí)將會(huì)頻繁切換，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。

根據(jù)情況，相應(yīng)作以下調(diào)整：

（1）在鄭武高鐵基站ZhengW u DK1174+600設(shè)置雙基站，保證此處不會(huì)宕站，并增加兩面天線覆蓋西北及西南方向，周圍的基站都與此基站做相鄰小區(qū)，所有線路都要切換到此基站進(jìn)行過(guò)渡。

（2）合武高鐵基站HeWu DK345+750南向天線由對(duì)準(zhǔn)合武高鐵方向向東調(diào)整成對(duì)準(zhǔn)鄭武高鐵方向。

（3）鄭武高鐵基站ZhengW u DK1178+670北向天線掛高由57 m降低至45 m，天線方向角往東偏移，避免過(guò)度覆蓋中間區(qū)域。

（4）鄭武高鐵基站ZhengW u DK1180+240北向天線掛高由57 m降低至45 m，避免覆蓋過(guò)遠(yuǎn)、過(guò)強(qiáng)。

（5）合武高鐵基站HeWu DK350+891南向天線方位向西偏移，避免過(guò)度覆蓋中間區(qū)域。

通過(guò)上述調(diào)整，基本解決了粉色圈內(nèi)存在的問(wèn)題，開(kāi)通后還需通過(guò)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化進(jìn)一步調(diào)整。

3.3.3 覆蓋仿真

在覆蓋優(yōu)化基礎(chǔ)上完成樞紐的覆蓋仿真，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件中基站天線掛高設(shè)定為25 m，天線下傾角設(shè)為4°，基站天線等效發(fā)射功率為55 d Bm，仿真天線選擇天線增益17 dBi，65°水平半功率角；根據(jù)數(shù)字地圖中鐵路走向進(jìn)行天線方向調(diào)整，并根據(jù)仿真覆蓋情況對(duì)基站天線參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。網(wǎng)絡(luò)仿真采用標(biāo)準(zhǔn)宏蜂窩無(wú)線傳播模型，因規(guī)劃軟件預(yù)測(cè)電平采用50％概率的場(chǎng)強(qiáng)值，而工程要求95％概率，仿真結(jié)果預(yù)留12 dB的衰落儲(chǔ)備值，即場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)電平滿足列控業(yè)務(wù)的電平值為-80 d Bm。覆蓋仿真結(jié)果表明樞紐調(diào)整后的基站覆蓋可以滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 基站容量確定

GSM-R業(yè)務(wù)主要考慮點(diǎn)對(duì)點(diǎn)呼叫、組呼、廣播呼叫、電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（CSD），通用分組無(wú)線服務(wù)業(yè)務(wù)（GPRS）等。下面以漢口—武漢北站為例重點(diǎn)討論并線區(qū)段容量設(shè)置。

漢口—武漢北站區(qū)域聚集了合武高鐵、京廣客線、京廣貨線、漢孝城際等線路，為8線并行區(qū)段、非列控線路。基站間距5 km左右，并線區(qū)段按最小發(fā)車間隔時(shí)間、車速計(jì)算一個(gè)小區(qū)內(nèi)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)等話務(wù)量。首先計(jì)算每個(gè)基站覆蓋區(qū)域內(nèi)的列車數(shù)，按照列車追蹤間隔4 m in，可計(jì)算并線區(qū)段列車數(shù)約8列，其話務(wù)量計(jì)算如下[2]：

列車語(yǔ)音話務(wù)量：15（m E/人）× 8（人/車）×8車= 960 m E

其他語(yǔ)音話務(wù)量：20（m E/人）×3（人/km）×5 km = 300 m E

語(yǔ)音組呼話務(wù)量：［50（m E/人）×3（人/km）×5 km］/3=250 m E

總語(yǔ)音業(yè)務(wù)量：960 m E+300 m E+250 m E =1 510 m E

語(yǔ)音業(yè)務(wù)需要的TCH數(shù)；1.51 E按照無(wú)線信道呼損0.5％需要的TCH數(shù)為6個(gè)

CTCS-3級(jí)業(yè)務(wù)：無(wú)

對(duì)TCH總需求：6 TCH+2 TCH（GPRS）+1（BCCH）+1（SDCCH）=10 TCH=2 TRX

漢口—武漢北站并線區(qū)段共用基站的容量為2 TRX，在上述基礎(chǔ)上另外考慮1個(gè)載頻單元的備份。因樞紐內(nèi)頻率資源有限，基站載頻配置采用2載頻正常工作另1載頻備用的O（2＋1）配置。

3.5 頻率規(guī)劃方案優(yōu)化

3.5.1 優(yōu)化原則

（1）滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求（見(jiàn)表1）。

（2）優(yōu)先滿足列控區(qū)段頻率使用需求，列控區(qū)段頻率方案滿足既有網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用需求（武廣高鐵采用6頻組復(fù)用方案，同頻復(fù)用間隔5組頻點(diǎn)，鄰頻間隔2組頻點(diǎn)）。

（3）對(duì)既有網(wǎng)絡(luò)影響最小。

（4）并線區(qū)段采用O（2+1）的配置，分配2個(gè)頻點(diǎn)。

3.5.2 干擾模擬

武漢鐵路樞紐由于多條線路相互交錯(cuò)，基站密集，而且有長(zhǎng)江穿城而過(guò)，對(duì)頻率分配帶來(lái)很大困難。經(jīng)過(guò)仔細(xì)地頻率分配，獲得了樞紐內(nèi)各基站的頻率規(guī)劃，頻率規(guī)劃方案滿足2015年前各線路的引入需求。為了能夠達(dá)到最佳頻率分配效果，需對(duì)既有鐵路合武高鐵21處、武廣高鐵21處、武九線20處基站頻點(diǎn)結(jié)合樞紐頻率規(guī)劃情況進(jìn)行調(diào)整。對(duì)頻率分配方案利用規(guī)劃軟件進(jìn)行干擾模擬，干擾模擬仿真圖顯示C/I可以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

3.6 BSC接入方案優(yōu)化

3.6.1 優(yōu)化原則

（1）減少樞紐內(nèi)跨BSC切換，提高網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量。

（2）方便維護(hù)管理，將樞紐內(nèi)基站按片區(qū)接入，樞紐長(zhǎng)江南片區(qū)基站接入武黃城際BSC，長(zhǎng)江北片區(qū)基站接入漢宜線BSC。

（3）列控線路質(zhì)量?jī)?yōu)先，列控/非列控線路并行區(qū)段基站接入列控線路BSC設(shè)備。

（4）減少對(duì)傳輸鏈路的占用。

（5）充分結(jié)合既有工程方案。

3.6.2 方案優(yōu)化

按照上述原則調(diào)整后，各條線路均在進(jìn)入樞紐之前完成了線路BSC與樞紐BSC（漢宜線BSC、武黃城際BSC）的切換工作，減少樞紐內(nèi)跨BSC切換；并線基站優(yōu)先接入列控線路BSC設(shè)備，保證列控線路的通信質(zhì)量與安全；樞紐基站按照片區(qū)調(diào)整后，不僅減少對(duì)傳輸資源的占用，且便于按片區(qū)進(jìn)行維護(hù)管理（見(jiàn)圖3）。

3.7 GSM-R系統(tǒng)建設(shè)分工

基站覆蓋按照實(shí)現(xiàn)武漢鐵路樞紐GSM-R全覆蓋規(guī)劃，結(jié)合工程建設(shè)方案，對(duì)各工程建設(shè)進(jìn)行分工（見(jiàn)圖4）。

表1 干擾保護(hù)比 dB

4 結(jié)束語(yǔ)

武漢鐵路樞紐GSM-R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化在充分了解在建線路GSM-R系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、既有GSM-R系統(tǒng)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋情況等基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)狀條件下存在的問(wèn)題進(jìn)行具體分析。在對(duì)樞紐GSM-R系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上提出了GSM-R 系統(tǒng)的建設(shè)方案，旨在為鐵路運(yùn)輸提供質(zhì)量?jī)?yōu)良、安全可靠的GSM-R移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在實(shí)現(xiàn)樞紐內(nèi)GSM-R系統(tǒng)資源共享的同時(shí)提高通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

[1] 劉立海，胡曉紅，劉建宇，等. 鐵路樞紐GSM-R無(wú)線覆蓋方案設(shè)計(jì)研究[J]. 中國(guó)鐵路，2009(12)

[2] 胡昌桂. 鐵路并線區(qū)段GSM-R系統(tǒng)無(wú)線覆蓋方案探討[J]. 鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2010(3)