石太線特殊區(qū)段GSM-RGSM-R系統(tǒng)無(wú)線解決方案研究

董雪霏（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

董雪霏，女，畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)，工程師。主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信。曾擔(dān)任石太線擴(kuò)能改造工程項(xiàng)目總體負(fù)責(zé)人，甬臺(tái)溫客專集成項(xiàng)目無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人，參與《中國(guó)鐵路GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南》編寫，榮獲中國(guó)鐵道出版社優(yōu)秀科技出版物獎(jiǎng)；參與“鐵路GSM-R核心網(wǎng)工程初步設(shè)計(jì)”，榮獲設(shè)計(jì)院優(yōu)秀工程設(shè)計(jì)二等獎(jiǎng)。

1 概述

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)速度的加快，鐵路GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)已成為鐵路通信技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，為各個(gè)業(yè)務(wù)部門提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)平臺(tái)，很大程度提高了鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)效率，隨著鐵路線路不斷增加，無(wú)線通信場(chǎng)景也變得越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)GSM-R網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)提出了更高的要求，尤其是鐵路特殊區(qū)段，一直是方案設(shè)計(jì)、頻率規(guī)劃中的難點(diǎn)。

改造鐵路石太線全線、正在運(yùn)營(yíng)的石太客專、正在建設(shè)的石太直通線GSM-R網(wǎng)絡(luò)均采用單網(wǎng)覆蓋方式，以上3條鐵路存在并線、交叉關(guān)系。本方案的難點(diǎn)就是并線線路及交叉線路的設(shè)計(jì)方案，下面分別研究新建基站、與石太客專共用基站等解決方案。

2 解決方案

2.1 特殊區(qū)段現(xiàn)狀

石太線和石太客專有約14 km的不完全并線區(qū)段，兩條線路間距從200 m到1 km不等，頭泉—上安區(qū)間石太直通線與既有石太線交叉接入石太客專，如圖1所示。下面分別從與石太客專非共用基站及共用基站兩個(gè)角度進(jìn)行研究，并深入研究共用基站的幾個(gè)解決方案。

2.2 非共用基站方案

石太客專既有基站分別為XLS1-JXB02、XLS1-JXB01、X ianLuSuo1、H L-X LS1，石太線在巖峰、上安、頭泉車站新設(shè)基站，在 K 34＋ 800、K 33＋ 500、K 29+500、K 27＋200、K 25＋900及K 24＋300新設(shè)直放站遠(yuǎn)端機(jī)，連接關(guān)系分別如圖2所示。

本方案特點(diǎn)如下。

1）便于維護(hù)。對(duì)客專通信業(yè)務(wù)和現(xiàn)有設(shè)備沒(méi)有影響，便于工程實(shí)施和維護(hù)管理，且一條線路基站設(shè)備發(fā)生故障不會(huì)影響另一條線路通信業(yè)務(wù)。

2）頻率規(guī)劃困難。GSM-R頻段使用900 MH z中的4 M H z帶寬，除去200 k H z的保護(hù)間隔，總共還有19個(gè)可用頻點(diǎn)，根據(jù)同小區(qū)控制信道載波間隔不小于600 k H z，業(yè)務(wù)信道載波間隔不小于400 k H z，相鄰小區(qū)控制信道和業(yè)務(wù)信道載波間隔不小于400 k H z的要求，若采用最多頻組的9頻組配置頻率時(shí)，最多能給4個(gè)相鄰小區(qū)的基站配置，而此方案兩條線相鄰小區(qū)基站已經(jīng)達(dá)到5個(gè)，同鄰頻現(xiàn)象難以控制。

3）互相干擾。兩條線路距離較近，電平值均很高，容易造成相互干擾影響通信質(zhì)量。

因此，石太線與石太客專非共用基站方案難以滿足頻率規(guī)劃及場(chǎng)強(qiáng)覆蓋要求。

2.3 共用基站方案

2.3.1 場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試分析

石太線若采用共用客專基站方案則需要進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試，判斷石太客專的基站在既有石太線上的覆蓋是否達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。通過(guò)在既有石太線上添乘測(cè)試，得到客專在石太線上的覆蓋數(shù)據(jù)，場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試結(jié)果如表1，圖3、4所示。

表1 基站頻點(diǎn)表

從測(cè)試圖可以看出獲鹿往太原方向場(chǎng)強(qiáng)在-60 d B上下，此處由石太客?；綡 uo Lu覆蓋；當(dāng)兩線分開(kāi)后列車行駛在K 22+336（頭泉站）附近時(shí)，石太客?；綡 L-XLS1對(duì)石太線的覆蓋仍能在-70 d B左右，之后當(dāng)兩條線分開(kāi)距離較大時(shí)電平已經(jīng)逐漸減弱且不能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)-98d B；一直到K 27+230場(chǎng)強(qiáng)指標(biāo)回升，此處是兩條線路距離較近處，由石太客?；綳 ian LuSuo1對(duì)石太線的覆蓋；之后在K 31+527附近石太客專基站X LS1-JXB02的覆蓋指標(biāo)強(qiáng)于X LS1-JXB01，此處理想狀態(tài)是XLS1-JXB01覆蓋電平強(qiáng)于XLS1-JXB02，因此此處容易發(fā)生乒乓切換；K 31+527至太原方向，XLS1-JXB02的覆蓋指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

因此，由場(chǎng)強(qiáng)圖結(jié)合地形圖進(jìn)行分析判斷，K 22+336至K 27+230是弱場(chǎng)區(qū)段需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，K 31+527附近線路容易發(fā)生乒乓切換，在方案中應(yīng)給與解決。

以下方案是采用共用石太客專基站，通過(guò)增加天線及新設(shè)直放站方式給出解決方案，并對(duì)方案進(jìn)行分析比選。

2.3.2 方案一

根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試和地形圖，石太線從K 27+230至巖峰區(qū)段，可利用石太客?；荆╔ LS1-JX B02/X LS1-JXB01/X ian Lu Suo）信號(hào)覆蓋，其中在X LS1-JXB02和X LS1-JXB01基站處需要新增1副天線覆蓋石太線，增強(qiáng)石太線的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度，避免無(wú)線用戶在XLS1-JXB01和XLS1-JXB02間乒乓切換；新建石太客專直通線在K 24+407設(shè)置基站，新增1副天線覆蓋石太線，石太線新設(shè)4套直放站遠(yuǎn)端機(jī)接入此基站，4處遠(yuǎn)端機(jī)里程分別為K 27＋230、K 25＋ 980、K 25＋ 100、K 24+500，遠(yuǎn)端機(jī)間采用漏泄電纜對(duì)線路弱場(chǎng)區(qū)段（由隧道及路塹組成）進(jìn)行覆蓋?；緹o(wú)線覆蓋示意，如圖5所示。

本方案特點(diǎn)如下。

1）切換。由于本工程新設(shè)基站與石太客專基站、石太直通線基站歸屬于不同的BSC，石太客專設(shè)備商是華為，石太直通線設(shè)備商是諾西。列車行駛在此區(qū)段將發(fā)生跨BSC切換3次，需要進(jìn)行BSC間的參數(shù)設(shè)置和并線區(qū)段的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作。三角區(qū)切換關(guān)系如圖6所示，箭頭代表切換方向。

2）干擾分析

時(shí)延色散實(shí)質(zhì)是由數(shù)字傳輸和多徑引入的碼間干擾，當(dāng)直射信號(hào)和反射信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間差值剛好相差整數(shù)倍b it時(shí)，接收機(jī)解碼時(shí)將有可能解出兩個(gè)不同的值，此時(shí)就形成了反射信號(hào)對(duì)直射信號(hào)的干擾。

多徑干擾產(chǎn)生的條件（需同時(shí)滿足）：a.鄰近站同頻覆蓋交疊區(qū)域信號(hào)電平差小于9 d B（工程中加3 d B后為12 d B）；b.鄰近站同頻覆蓋交疊區(qū)域信號(hào)時(shí)差超過(guò)15 us（復(fù)雜電磁環(huán)境時(shí)為10 us）。

本方案石太直通線基站K 24+407與石太線直放站K 27+230在K 27+230往太原方向，可能同時(shí)滿足多徑干擾的兩個(gè)條件，易發(fā)生多徑干擾。

總結(jié)：易發(fā)生多徑干擾，工程中給網(wǎng)優(yōu)工作帶來(lái)難度。

2.3.3 方案二

方案二:在方案一的基礎(chǔ)上將石太直通線宏基站替換為分布式基站BBU+RRU，新增直放站遠(yuǎn)端機(jī)替換為射頻拉遠(yuǎn)模塊（RRU）。

本方案特點(diǎn)如下。

1）分布式基站特點(diǎn)

分布式基站概念來(lái)自于3G通信，采用模塊化設(shè)計(jì)，將控制和射頻分離，并通過(guò)光纖資源將射頻部分拉遠(yuǎn)，從而擴(kuò)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)別如圖7所示。

分布式基站具有如下特點(diǎn)：a.支持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(kuò)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)用距離的增加，提升了鐵路頻率資源的利用率。b.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(gè)BBU。c.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，且具備斷環(huán)自動(dòng)倒換能力，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。d.覆蓋能力強(qiáng)。靜態(tài)接收靈敏度可達(dá)-113 d Bm；RRU提供30 W的機(jī)頂功率，可達(dá)到和宏基站一樣的覆蓋效果。e.安裝方便。BBU僅2U高，可內(nèi)嵌安裝于別的機(jī)柜內(nèi)，RRU重量輕，僅重17 k g，無(wú)需敷設(shè)粗重的饋線，可方便地進(jìn)行塔頂、掛墻等的安裝。

2）切換。石太直通線替換的分布式基站可根據(jù)設(shè)備廠商選定情況，接入石太客專或既有石太線，根據(jù)不同情況發(fā)生跨BSC切換1次或3次，若接入石太客專切換1次，接入石太線切換3次。

3）干擾分析

為解決多徑干擾，分布式基站采用自適應(yīng)均衡技術(shù)，緩解這個(gè)問(wèn)題的嚴(yán)重性。GSM-R規(guī)范規(guī)定，均衡器應(yīng)能處理高達(dá)15 u s左右的反射信號(hào)，大約對(duì)應(yīng)4 bit時(shí)間。

如圖8所示，用戶位于區(qū)域一，此時(shí)用戶處于兩個(gè)RRU之間，由于兩個(gè)RRU同步發(fā)射，在區(qū)域一任何點(diǎn)，用戶接收信號(hào)的時(shí)延都小于10 us，因此不會(huì)產(chǎn)生干擾； 用戶位于區(qū)域二時(shí)，由于位于RRU一端，用戶接收信號(hào)的時(shí)延大于10 u s，但此時(shí)用戶接收到RRU 1信號(hào)與RRU 2的信號(hào)差大于12 dB，因此也不會(huì)產(chǎn)生干擾。

如圖9所示，在區(qū)域一任何點(diǎn)，用戶接收信號(hào)的時(shí)延都小于10 us，因此不會(huì)產(chǎn)生干擾；對(duì)于區(qū)域二和區(qū)域三，用戶接收信號(hào)的時(shí)延大于10 u s，但是用戶接收到RRU 1和RRU 3的信號(hào)電平差大于12 dB，因此也不會(huì)產(chǎn)生干擾。

總結(jié)：本方案由于分布式基站自身特點(diǎn)可以減少多徑干擾現(xiàn)象發(fā)生，是方案一的優(yōu)化方案，但施工難度較大。

2.3.4 方案三

方案三在方案一基礎(chǔ)上，將既有石太線新設(shè)直放站接入石太客?；綡 L-X LS1，此基站增加1副天線覆蓋石太線。為避免多徑干擾石太線增加1套直放站遠(yuǎn)端機(jī)K 23+000，遠(yuǎn)端機(jī)間采用漏泄電纜對(duì)線路弱場(chǎng)區(qū)段進(jìn)行覆蓋。基站無(wú)線覆蓋示意如圖10所示。

本方案特點(diǎn)如下。

（1）切換。列車在此區(qū)段上行方向?qū)l(fā)生跨BSC切換3次，下行發(fā)生跨BSC切換1次。三角區(qū)切換關(guān)系如圖11所示，石太直通線K 24+407至石太客專HL-XLS1、石太客專HL-XLS1至石太客專XianLuSuo1做單方向切換，箭頭方向既切換方向。

總結(jié)：本方案在石太線K 27+230往太原方向一段距離內(nèi)，列車上行方向時(shí)將發(fā)生2次跨BSC切換，由于地形原因使得切換距離非常短，給網(wǎng)優(yōu)工作帶來(lái)非常大難度。

2.3.5 方案四

方案四在方案一基礎(chǔ)上，將既有石太線新設(shè)直放站接入石太客?；綳 ian Lu Suo1，石太直通線基站K 24+407基站增加2副天線覆蓋石太線?；緹o(wú)線覆蓋示意圖如圖12所示。

本方案特點(diǎn)如下。

1）切換。同方案一發(fā)生跨BSC切換3次。

2）光纜引入。石太線新增直放站至基站的短段光纜由石太客專基站X ian LuSuo1引出，但兩條并行線路垂直距離相聚二三百米，且不屬于鐵路限界，為光纜引入帶來(lái)難度，若沿著鐵路線路迂回引入光纜，將導(dǎo)致光纜工程量增加。

總結(jié)：本方案列車在此區(qū)段發(fā)生3次跨BSC切換，并線區(qū)段的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作有一定難度，光纜工程量多于其他方案。

2.3.6 推薦方案

以上4個(gè)方案都有各自優(yōu)缺點(diǎn)，從技術(shù)角度分析方案二最優(yōu)，但需要替換現(xiàn)網(wǎng)客?；緦?dǎo)致施工難度很大，從便于施工角度方案一和方案四相對(duì)簡(jiǎn)單，但網(wǎng)優(yōu)工作有一定難度。因此在工程設(shè)計(jì)中還要綜合考慮各方面因素，使設(shè)計(jì)方案相對(duì)合理。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的不斷進(jìn)步、通信設(shè)備的不斷更新，GSM-R系統(tǒng)特殊區(qū)段的解決方案也會(huì)不斷創(chuàng)新。本文是針對(duì)石太線擴(kuò)能改造工程的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，GSM-R系統(tǒng)特殊區(qū)段還有許多其他的解決方案，這需要在將來(lái)的工作中進(jìn)一步研究和探討。

[1] 鐘章隊(duì)，艾渤，劉秋妍，等．鐵路數(shù)字移動(dòng)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，2009.

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

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

[4] 劉盛堯，孫傳斌．高速鐵路特殊區(qū)段GSM-R系統(tǒng)無(wú)線解決方案研究[J]．中國(guó)鐵路，2012（10）：30-34.