高速鐵路樞紐區(qū)段GSM-R系統(tǒng)解決方案

■ 劉盛堯 孫傳斌

1 概述

目前CTCS-3級（簡稱C3）鐵路GSM-R基站子系統(tǒng)主要采用單網(wǎng)交織覆蓋方案，隨著我國高速鐵路的建設(shè)，GSM-R全國性網(wǎng)絡(luò)逐漸形成，無線通信場景也變得越來越復(fù)雜，因此，對GSM-R網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計提出了更高的要求。

C3鐵路的GSM-R網(wǎng)絡(luò)不僅需要保證正常情形下的場強覆蓋及服務(wù)質(zhì)量，而且需保證傳輸無差錯時間（傳輸恢復(fù)時間）大于20 s，尤其是樞紐、大型車站及編組站等特殊區(qū)段，由于業(yè)務(wù)多、話務(wù)量大，一直是方案設(shè)計、頻率規(guī)劃中的難點。

2 樞紐區(qū)段解決方案

目前高速鐵路樞紐地區(qū)有C3，C2線路、既有普速線路等交匯。這些線路共同的特點是線路岔口多，因此，線路岔口的組網(wǎng)方案一直困擾著工程設(shè)計技術(shù)人員。下面以長春樞紐為例，分析不同組網(wǎng)方案的應(yīng)用。

2.1 傳統(tǒng)單網(wǎng)交織方案

長春樞紐地區(qū)匯聚哈大高速鐵路、長吉城際、長白城際、哈大既有線、長白既有線、長吉既有線等，無線通信場景十分復(fù)雜。C3鐵路采用傳統(tǒng)的單網(wǎng)交織覆蓋，在正線區(qū)段通過深度交織冗余覆蓋來保證場強覆蓋及服務(wù)質(zhì)量，但在分岔區(qū)域卻有以下問題：

（1）頻率規(guī)劃。在楊家粉坊附近的三岔區(qū)域內(nèi)涉及到3個方向上的6個小區(qū)，在這6個小區(qū)中配置的頻率不能同頻/鄰頻，其中長春西、長春站由于業(yè)務(wù)需求分別需采用O 4和O 3站型，其余區(qū)間基站按O 2型考慮，在該區(qū)段的同頻/鄰頻干擾將十分嚴重，各小區(qū)無法實現(xiàn)正常的頻率分配（見圖1）。

（2）小區(qū)切換。正常情況下在三岔區(qū)域內(nèi)至少有6個基站信號，這些信號的強弱難以控制，容易造成乒乓切換，對列控數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)20 s傳輸無差錯時間影響較大，給后期網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化帶來極大的難度。

因此，在分岔區(qū)域采用傳統(tǒng)的單網(wǎng)交織方案難以滿足場強覆蓋及服務(wù)質(zhì)量要求。

2.2 同址雙網(wǎng)覆蓋方案

C3鐵路的正線區(qū)段采用傳統(tǒng)的單網(wǎng)交織覆蓋，在楊家粉坊附近的三岔區(qū)域中間位置設(shè)置一處基站，采用同址雙網(wǎng)方式。為保障安全性，同址雙網(wǎng)方式的傳輸?shù)扰涮自O(shè)施均按2套考慮，且2套基站組環(huán)時須在不同的基站環(huán)上。采用該方案有如下特點：

（1）頻率規(guī)劃。同址雙網(wǎng)方式采用全向站型定向天線覆蓋，減少該區(qū)域的頻率需求，能實現(xiàn)正常的頻率分配。

傳統(tǒng)的基準電壓通過帶隙基準電路產(chǎn)生，即一個正溫度系數(shù)的電壓和一個負溫度系數(shù)的電壓相互補償?shù)玫?。負溫度系?shù)電壓通常由一個雙極型晶體管基極發(fā)射極電壓得到，而正溫度系數(shù)電壓則由兩個雙極型晶體管基極發(fā)射極電壓差得到[3]。文獻[4]基于傳統(tǒng)帶隙基準電路，采用亞閾值設(shè)計方法，設(shè)計了一款溫漂系數(shù)僅為14.8 ppm/℃，功耗為68 nW的電壓源，但是該電路包含三極管和電阻，工藝兼容性較差，面積較大。文獻[5]取消了電阻，大大降低了版圖面積，但是依然具有三極管，工藝兼容性較差。文獻[6-9]是利用亞閾值MOS管的特性設(shè)計的全CMOS基準電壓源電路，功耗在百nW級。

（2）小區(qū)切換。將三角區(qū)域設(shè)置在1個小區(qū)內(nèi)，延伸了基站覆蓋范圍，避免了乒乓切換，減少了切換次數(shù)，拉大了2次切換時間間隔，更易滿足20 s傳輸無差錯時間的要求。

（3）覆蓋距離。通過采用高增益天線、調(diào)整站距、適當增加天線掛高等手段，保證同址雙網(wǎng)的基站與相鄰基站的深度交織冗余覆蓋。

目前，該方案在武廣、京滬高速鐵路等C3線路上得到應(yīng)用。

2.3 分布式基站覆蓋方案

2.3.1 分布式基站簡介

分布式基站概念來自于3G通信，采用模塊化設(shè)計，將控制和射頻分離，并通過光纖資源將射頻部分拉遠，從而擴大基站覆蓋范圍。分布式基站基于分布式安裝的理念，與傳統(tǒng)基站的區(qū)別見圖2。

分布式基站的特點：（1）支持射頻拉遠模塊（RRU）共小區(qū)，提升網(wǎng)絡(luò)性能。分布式基站支持多RRU共小區(qū)技術(shù)，擴大小區(qū)覆蓋距離，降低小區(qū)切換次數(shù)。由于小區(qū)頻率復(fù)用距離增加，提升了鐵路頻率資源的利用率。（2）基帶處理單元（BBU）備份容災(zāi)技術(shù)。BBU支持主備用配置，即一組RRU分別連接到主、備兩個BBU。（3）靈活組網(wǎng)。分布式基站支持共站址雙網(wǎng)備份+共小區(qū)組網(wǎng)、BBU備份+RRU共小區(qū)組網(wǎng)，以及與傳統(tǒng)宏基站混合環(huán)形組網(wǎng)方式，具備斷環(huán)自動倒換能力，大大增強了系統(tǒng)的可靠性。（4）覆蓋能力強。靜態(tài)接收靈敏度可達-113 dBm；RRU提供30 W的機頂功率，可達到和宏基站一樣的覆蓋效果。（5）安裝方便。BBU僅2U高，可內(nèi)嵌安裝于別的機柜內(nèi)，RRU質(zhì)量輕，僅17 kg，無需敷設(shè)粗重的饋線，可方便地進行塔頂、掛墻等安裝。

2.3.2 干擾分析

同頻干擾產(chǎn)生的條件（需同時滿足）：（1）鄰近站同頻覆蓋交疊區(qū)域信號電平差小于9 dB（工程中加3 dB后為12 d B ）；（2）鄰近站同頻覆蓋交疊區(qū)域信號時差超過15 μs（復(fù)雜電磁環(huán)境時為10 μs）。

如圖3所示，區(qū)域一用戶處于2個RRU之間，由于2個RRU同步發(fā)射，在區(qū)域一任何點，用戶接收信號的時延都小于10 μs，因此不會產(chǎn)生干擾； 區(qū)域二用戶由于位于RRU一端，接收信號的時延大于10 μs，但此時用戶接收到RRU1信號與RRU2信號差大于12 dB，不會產(chǎn)生干擾。

如圖4所示，在區(qū)域一任何點，用戶接收信號的時延都小于10 μs，因此不會產(chǎn)生干擾；區(qū)域二和區(qū)域三用戶接收信號的時延大于10 μs，但是用戶接收到RRU1和RRU3的信號電平差大于12 dB，因此也不會產(chǎn)生干擾。

2.3.3 解決方案

基于上述特點，分布式基站尤其適用于并線、樞紐區(qū)段。由于C3線路對GSM-R網(wǎng)絡(luò)安全級別要求較高，分布式基站組應(yīng)冗余覆蓋組網(wǎng)，可采用BBU冗余備份和A/B網(wǎng)組網(wǎng)方式。

（1）BBU冗余備份組網(wǎng)。如圖5所示，異地設(shè)置雙套BBU（主、備用），由基站控制器（BSC）控制BBU間的切換；RRU通過不同光纖連接到主、備用BBU，RRU之間采用單網(wǎng)交織覆蓋。主、備用BBU倒換的條件：RRU到BSC的鏈路出現(xiàn)故障并且備用BBU的所有通用公共無線接口（CPRI）的端口均正常時；主用BBU故障通知BSC，或BSC檢測Abis鏈路故障，BSC通知備用BBU接管RRU；滿足倒換條件的主用BBU應(yīng)該停止控制RRU；基站下所有RRU同時只由一個BBU控制；倒換后不主動恢復(fù)，以防止頻繁倒換。

該方案的特點：采用共小區(qū)技術(shù)擴大了覆蓋區(qū)域，減少了小區(qū)切換次數(shù)；由于覆蓋區(qū)域擴大，減少該區(qū)域內(nèi)的頻率需求，并且頻率復(fù)用距離增加，方便頻率規(guī)劃；RRU之間采用深度交織冗余覆蓋，即使某一處RRU設(shè)備宕機也可很好地保證覆蓋距離。

（2）分布式基站A/B網(wǎng)組網(wǎng)。異地設(shè)置2套BBU設(shè)備（BBU 1和BBU 2），每處站址設(shè)置2套RRU（RRU1，RRU2）（見圖6）。3處RRU1均連接至BBU1，設(shè)置共小區(qū)，形成A層無線網(wǎng)；3處RRU2均連接至BBU2，設(shè)置共小區(qū)，形成B層無線網(wǎng)。正常工作時，A，B網(wǎng)同時開啟，當A網(wǎng)話務(wù)溢出或A網(wǎng)某個節(jié)點RRU故障時，B網(wǎng)可承載業(yè)務(wù)，當A網(wǎng)BBU故障時，B網(wǎng)獨立承載業(yè)務(wù)。

該方案有如下特點：保證覆蓋冗余，將切換點向各分支方向進一步延伸，且切換位置固定；減少覆蓋區(qū)域內(nèi)的頻率需求，并且頻率復(fù)用距離增加，方便頻率規(guī)劃；相比宏基站同址雙網(wǎng)覆蓋區(qū)域更大，可以很好地保證GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋深度交織冗余。

2.4 其他等級與C3轉(zhuǎn)換區(qū)域方案

長春站為C3鐵路與C2鐵路的分界點。根據(jù)C3列控系統(tǒng)的GSM-R網(wǎng)絡(luò)需求，轉(zhuǎn)換區(qū)域主要操作所需時間約為80 s。假設(shè)轉(zhuǎn)換區(qū)段列車運行允許最高時速為200 km，則該轉(zhuǎn)換區(qū)的距離約為4.44 km，即C3鐵路的GSM-R網(wǎng)絡(luò)需向C2鐵路延伸4.44 km（網(wǎng)絡(luò)安全等級要求達到C3鐵路的要求），等級轉(zhuǎn)換區(qū)域GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍見圖7。實際工程中可通過如下2種方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)延伸：

（1）由于C2鐵路的GSM-R網(wǎng)絡(luò)為單網(wǎng)覆蓋，因此，需在4.44 km的延伸線路上實現(xiàn)單網(wǎng)交織覆蓋。

（2）在長春站采用同址雙網(wǎng)方案，通過采用高增益天線、適當增加天線掛高等手段，保證4.44 km延伸線路的冗余覆蓋。

3 大型車站或編組站解決方案

目前在高速鐵路建設(shè)中，出現(xiàn)高速場與普速場平行、高速場與動車所平行、高速場與編組場平行、高速場與機務(wù)段平行等場景，這些地點用戶數(shù)量大，業(yè)務(wù)相對集中，對GSM-R無線頻率資源需求非常大。

以一個大型車站或編組站（可以為上述任何一種場景）為例，用戶集中在車站兩端1 km左右范圍內(nèi)，經(jīng)過車站C3線路，分別探討車站兩端7.5 km范圍內(nèi)的不同GSM-R覆蓋解決方案（見圖8）。

3.1 單網(wǎng)交織解決方案

如圖8中①所示，在15 km范圍內(nèi)設(shè)置7套基站，全部采用單網(wǎng)交織覆蓋方式，基站間距保持在2.5 km左右。所有基站正常工作時，采用8頻組進行頻率規(guī)劃，車站基站最大有5個載頻可用。該方案的特點：（1）當車站基站故障宕機，需由兩側(cè)基站通過單網(wǎng)交織進行冗余覆蓋，不會造成業(yè)務(wù)中斷；（2）車站基站宕機時車站處于切換帶上，容易造成低速運動用戶和靜止用戶在兩側(cè)基站上乒乓切換。

3.2 同址雙網(wǎng)解決方案

如圖8中②所示，在15 km范圍內(nèi)設(shè)置7處基站，其中車站按同址雙網(wǎng)設(shè)計（作主、備使用），其余節(jié)點均采用交織單網(wǎng)覆蓋，采用8頻組進行頻率規(guī)劃，車站最大能配置5個頻點。根據(jù)同址雙網(wǎng)特點，正常工作時B網(wǎng)控制信道載頻工作，并不分配業(yè)務(wù)信道，為實現(xiàn)A網(wǎng)基站宕機時車站基站容量不下降，B網(wǎng)基站可按4載頻配置，其中3個業(yè)務(wù)信道載頻與A網(wǎng)基站載頻一樣（A網(wǎng)控制信道載頻除外），但只有在A網(wǎng)基站故障時B網(wǎng)才啟用。該方案的特點：（1）能夠有效避免當A網(wǎng)故障時，車站出現(xiàn)容量不足，網(wǎng)絡(luò)可靠性高；（2）當A網(wǎng)故障時，如需啟動B網(wǎng)無線業(yè)務(wù)信道（TCH）載頻，需對B網(wǎng)基站進行數(shù)據(jù)配置，會造成部分業(yè)務(wù)短時間中斷（分鐘級）。

該方案在大秦線有過應(yīng)用，在目前高速鐵路建設(shè)中還沒有應(yīng)用。

3.3 分布式基站解決方案

如圖8中③所示，在15 km范圍內(nèi)設(shè)置3套宏基站，設(shè)置6套RRU和2套BBU（主、備用）。RRU之間、RRU與車站基站之間、RRU與兩端基站之間均采用交織覆蓋方式，并將6個RRU設(shè)置成共小區(qū)。該方案的特點：（1）由于采用BBU+RRU共小區(qū)方式，多個RRU擴大了覆蓋區(qū)域，實現(xiàn)和樞紐車站和線路資源共享，覆蓋采用類似“中區(qū)制”方式，可以減小同頻復(fù)用因子，更好利用頻率資源；（2）由于采用共小區(qū)技術(shù)，擴大了覆蓋區(qū)域，減少了切換次數(shù)（15 km范圍內(nèi)切換4次），有效保證C3線路20 s無線傳輸無干擾時間的要求；（3）單個RRU覆蓋半徑在1.5～2 km，為保證RRU交織覆蓋，可設(shè)置低鐵塔天線提供冗余覆蓋，這樣可較為精確地控制每個站點天線覆蓋范圍。

4 結(jié)束語

隨著科技的不斷進步、通信設(shè)備的不斷更新，GSM-R系統(tǒng)特殊區(qū)段的解決方案也將不斷創(chuàng)新。以上是以往工程經(jīng)驗的總結(jié)，在實際工程中，GSM-R系統(tǒng)特殊區(qū)段還有許多其他的解決方案，這需要在未來的工作中進一步研究和探討。

[1] 鐘章隊，艾渤，劉秋妍，等. 鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）應(yīng)用基礎(chǔ)理論[M]. 北京：清華大學(xué)出版社、北京交通大學(xué)出版社，2009

[2] 科技運［2006］120號 GSM-R數(shù)字移動通信網(wǎng)技術(shù)體制(暫行)[S]

[3] 鐵建設(shè)［2007］92號 鐵路GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)工程設(shè)計暫行規(guī)定[S]

[4] 劉立海，胡曉紅，劉建宇，等. 樞紐GSM-R 無線覆蓋方案設(shè)計與討論[J]．中國鐵路，2009(12)

[5] 科技運［2008］168號 CTCS-3級列控系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)需求規(guī)范[S]