鐵路樞紐GSM-R無線覆蓋方案研究

■ 趙旭 彭良勇

在鐵路樞紐區(qū)段，因不同等級、不同運(yùn)行速度、不同建設(shè)工期的線路均接入樞紐內(nèi)大型車站，經(jīng)常出現(xiàn)并線、交叉及穿越編組場的情況，容易出現(xiàn)列車機(jī)車臺在不同GSM-R網(wǎng)絡(luò)間頻繁切換問題，影響GSM-R覆蓋服務(wù)質(zhì)量（Qo S）。為此，應(yīng)針對鐵路樞紐內(nèi)既有GSM-R網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，并統(tǒng)籌考慮不同等級、不同運(yùn)行速度、不同建設(shè)工期的線路引入，提升GSM-R覆蓋QoS，滿足工程需求。

1 基站切換機(jī)制

GSM-R系統(tǒng)用戶在切換時(shí)需經(jīng)歷采樣、判斷、觸發(fā)、執(zhí)行、完畢5個(gè)過程。其中采樣時(shí)間每次為480 m s；判斷時(shí)間取決于當(dāng)前接入基站的忙閑程度；觸發(fā)條件是6次采樣值的平均值滿足切換電平；執(zhí)行過程時(shí)間取決于基站的忙閑程度；完畢是GSM-R基站給列車機(jī)車臺返回命令Handover Comm and Com plete，表明當(dāng)前切換完成，接入新基站的無線業(yè)務(wù)信道（TCH），上一個(gè)基站的TCH業(yè)務(wù)信道釋放。

據(jù)工程測試，GSM-R系統(tǒng)用戶整個(gè)切換過程在300 m s內(nèi)完成，但GSM-R基站切換是硬切換，切換過程中所有語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將中斷。為保證GSM-R無線信號20 s無故障傳輸，即GSM-R系統(tǒng)在20 s內(nèi)無切換，20 s后若切換故障，用戶仍能繼續(xù)切入或切回可用TCH，所以工程中需滿足GSM-R系統(tǒng)用戶2次切換成功率。對列車時(shí)速為350 km的高速鐵路，GSM-R基站布置間距需在2.5 km以上，以確保GSM-R無線信號20 s無故障傳輸。

2 鐵路樞紐內(nèi)既有基站分布情況

以太原鐵路樞紐為例， 樞紐內(nèi)無線系統(tǒng)采用GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信設(shè)備，且已開通的工程有石太高速鐵路、太中銀鐵路（見圖1），其無線覆蓋均采用單網(wǎng)覆蓋方式，最大基站間距為3.633 km，最小基站間距為1.94 km，（見表1）。隨著城市發(fā)展，太原鐵路樞紐內(nèi)沿線環(huán)境發(fā)生較大變化，新修多處高層建筑，對GSM-R系統(tǒng)無線覆蓋造成了不利影響。

3 樞紐GSM-R無線子系統(tǒng)方案

3.1 樞紐內(nèi)鐵路線位情況

樞紐地區(qū)線路主要有“人”字形交叉與“十”字形交叉2種，交叉的不同線路GSM-R基站可能連接自不同的M SC或BSC，甚至有可能屬于不同調(diào)度臺。在太原鐵路樞紐中，石太高速鐵路屬于北京客專調(diào)度所，大西高速鐵路屬于西安客專調(diào)度所；兩條線路在太原北以上區(qū)間呈“人”字形交叉，導(dǎo)致從太原樞紐駛出到石太、大西高速鐵路的列車機(jī)車臺原本應(yīng)該向本線的GSM-R基站通信，卻連到對方基站，造成調(diào)度命令、車次號無法交互，威脅行車安全。

當(dāng)樞紐線路為“十”字形交叉時(shí)，駛?cè)胂嘟稽c(diǎn)的列車機(jī)車臺會接入信號較強(qiáng)的基站，而非其本線基站，這樣也會出現(xiàn)線路的接入錯(cuò)誤，影響行車安全。

3.2 既有GSM-R無線子系統(tǒng)方案調(diào)整

為防止列車機(jī)車臺誤連其他基站，在交叉點(diǎn)處將所有存在信號的基站整合成同一個(gè)基站。列車機(jī)車臺駛?cè)虢徊鎱^(qū)域，接入整合基站；駛出交叉區(qū)域后，再與行使方向的下一基站作切換，以保證列車與調(diào)度的順利通信。

整合交叉點(diǎn)基站可將涉及的基站均遷改到交叉點(diǎn)處，該處新設(shè)一套同站址雙網(wǎng)站型基站，接入其中某一個(gè)線路的移動(dòng)交換中心（M SC）、基站控制器（BSC）中，用交叉點(diǎn)基站與各線以遠(yuǎn)基站做切換。若交叉點(diǎn)涉及的基站單網(wǎng)線路基站距交叉點(diǎn)大于2 km，交織線路基站距交叉點(diǎn)大于500 m，就會造成各線交叉點(diǎn)基站距正線基站太遠(yuǎn)，場強(qiáng)不能滿足切換要求。而且遷改需要新建、調(diào)測、割接多條線的多個(gè)基站，可能影響本線其他車輛正常運(yùn)行，方案可行性差。

若非同站址雙網(wǎng)站型方案，可將涉及交叉點(diǎn)處信號的基站一起改造為分布式基站，即將基站的基帶信號與頻帶信號分離，用基帶處理單元（BBU）設(shè)備處理基帶信號，用射頻拉遠(yuǎn)模塊（RRU）射頻遠(yuǎn)端站將信號通過天線發(fā)射出去。BBU與RRU間用主備2根光纖連接，兩設(shè)備光纖最遠(yuǎn)可達(dá)18 km，同一個(gè)BBU所帶RRU共同實(shí)現(xiàn)1個(gè)完整基站功能，無論RRU被拉到多遠(yuǎn)使用，它的邏輯、頻點(diǎn)等基站參數(shù)不變。利用分布式基站，從交叉處3或4個(gè)基站中，根據(jù)異地容災(zāi)備份原則，選取不同線路的2個(gè)點(diǎn)放置BBU，原各線基站所在點(diǎn)每處新設(shè)2套RRU，接自不同的BBU。選取其中一組BBU-RRU為主用分布式基站，其余一組備用，設(shè)置備用比主用信號低6 d Bm。當(dāng)主用分布式基站發(fā)生故障時(shí)，備用基站仍能完成列車通信。RRU的輸出功率為40~60 W，等同于原始基站，在不改變原始基站位置、天線掛高、機(jī)房機(jī)柜數(shù)量的前提下，可解決列車交叉區(qū)段誤接入問題。具體解決方案可根據(jù)原基站位、工程要求等選取。

3.3 弱場解決方案

太原站以北地區(qū)雖然滿足單網(wǎng)交織最低基站間距，但存在3.633 km的長距基站。交織覆蓋要求在單點(diǎn)基站故障情況下，前后2個(gè)基站可以覆蓋站區(qū)域，且保證設(shè)計(jì)場強(qiáng)大于92 d Bm[1]。在這個(gè)要求下，3.633 km的基站間距很難滿足單點(diǎn)故障要求。而且，在線路兩側(cè)已經(jīng)興建了諸多高層住宅樓，勢必影響基站場強(qiáng)交織覆蓋。

解決方案是在該區(qū)段增加4處直放站遠(yuǎn)端機(jī)，其中2個(gè)在弱場區(qū)間，2個(gè)與基站同址設(shè)置，靠近基站的2個(gè)遠(yuǎn)端機(jī)主控信號均連接自本側(cè)基站，從控信號接自對側(cè)基站，中間2處直放站遠(yuǎn)端機(jī)做切換。為抵抗更遠(yuǎn)基站故障，將補(bǔ)強(qiáng)區(qū)間兩端基站去掉直放站側(cè)天線，保留另一側(cè)天線（見圖2）。

表1 太原鐵路樞紐既有GSM-R基站設(shè)置情況

在此區(qū)段還可通過分布式基站解決弱場問題。在基站點(diǎn)位處設(shè)置2處BBU，在中間2處直放站中間點(diǎn)位選1處放置2套RRU，連接兩側(cè)BBU。RRU屬于數(shù)字信號設(shè)備，對于光纖與空間波形成的色散時(shí)延可以通過時(shí)隙調(diào)整補(bǔ)償，故RRU與BBU的間距只要在光纖距離范圍內(nèi)即可。又因RRU與BBU間通過主備2根光纖連接，在線路左右兩側(cè)各敷設(shè)一條8芯短段光纜，RRU的主備2芯各位于兩側(cè)的光纜中。

太原站以南主要有太原南、新鳴李站和動(dòng)車段等站段。太原—太原南站間最短基站間距為1.94 km，但因該區(qū)段為大型客站間聯(lián)絡(luò)線，車輛速度等級很低，小于120 km/h，故滿足20 s無切換列控系統(tǒng)要求。太原站以南其他基站間距最大3.382 km，最小2.5 km，存在連續(xù)2.5，2.6，2.7 km站間距。連續(xù)2.5 km左右站間距20 s無切換要求，但是要求機(jī)車臺一次切換成功，否則一處切換延遲就會造成下一處切換距離縮短，增大20 s內(nèi)切換的概率。

為解決上述問題，可通過基站

仿真軟件對連續(xù)站距2.5 km的基站覆蓋進(jìn)行仿真，改變多極化天線傾角，增加或減少覆蓋區(qū)域，保證切換按時(shí)進(jìn)行。在實(shí)際工程中，要進(jìn)行調(diào)整后的路測，保證工程的精確度。

3.4 大型客站站場覆蓋

太原南站是綜合大型客站，包含幾十條到發(fā)線及龐大的無柱雨棚。因景觀設(shè)計(jì)要求，太原南站無法將基站放置于站房綜合樓通信機(jī)械室旁，而是在站外兩端設(shè)置基站、鐵塔、箱變，滿足站場區(qū)域GSM-R信號覆蓋。這樣，大型鋼構(gòu)無柱雨棚加大了對無線場強(qiáng)信號的屏蔽作用。為滿足雨棚下GSM-R信號實(shí)現(xiàn)雙信號交織覆蓋，在雨棚外設(shè)置直放站遠(yuǎn)端機(jī)，考慮到不影響站場景觀，設(shè)置15 m獨(dú)管塔覆蓋雨棚下區(qū)域。雨棚下遠(yuǎn)端機(jī)接單側(cè)基站近端機(jī)的信號，將切換區(qū)設(shè)置在雨棚與從控信號基站間，這樣可以避免?？苛熊囋谟昱锵翯SM-R信號乒乓切換，降低GSM-R信號覆蓋服務(wù)質(zhì)量。遠(yuǎn)端機(jī)布設(shè)及連接方法見圖3。

4 結(jié)束語

當(dāng)鐵路樞紐內(nèi)既有GSM-R系統(tǒng)采用單網(wǎng)覆蓋時(shí)，GSM-R系統(tǒng)無線覆蓋調(diào)整為單網(wǎng)交織組網(wǎng)，滿足20 s內(nèi)無切換、單點(diǎn)基站故障不影響既有覆蓋效果。正確連接光纖直放站主、從基站信號，合理設(shè)置GSM-R切換區(qū)，可實(shí)現(xiàn)信號列控系統(tǒng)QoS要求。研究太原鐵路樞紐為滿足信號列控系統(tǒng)QoS要求對既有GSM-R系統(tǒng)無線覆蓋方式的調(diào)整可知，鐵路樞紐GSM-R無線子系統(tǒng)覆蓋應(yīng)按照滿足列控系統(tǒng)QoS要求進(jìn)行基站布點(diǎn)和頻率規(guī)劃，條件允許時(shí)可一次建成，也可按規(guī)劃分步實(shí)施，以避免后期鐵路引入的影響，確保運(yùn)營安全。