隴海鐵路寶雞至天水段無線列調(diào)系統(tǒng)改建GSM-R通信系統(tǒng)設(shè)計方案

寧 偉

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043）

1 概述

作為鐵路通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，鐵路無線通信網(wǎng)必須滿足鐵路運輸各項服務(wù)需求。目前，我國鐵路無線通信系統(tǒng)主要采用GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)和450M模擬無線列調(diào)通信系統(tǒng)。西安鐵路局依據(jù)中國鐵路總公司發(fā)布的鐵總運[2013]189號《關(guān)于既有普速鐵路450MHz無線列調(diào)改建GSM-R系統(tǒng)方案優(yōu)化的指導(dǎo)意見》要求，結(jié)合管段內(nèi)既有鐵路無線通信系統(tǒng)現(xiàn)狀以及各條鐵路無線設(shè)備使用年限和設(shè)備運用狀況，決定對設(shè)備較為陳舊、設(shè)備故障率較高的隴海鐵路寶雞-天水段無線列調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行GSM-R系統(tǒng)改造。

1.1 鐵路概況

西安鐵路局管段隴海鐵路寶天段起自陜西寶雞車站，西至甘肅社棠車站，上下行線全長約266公里，全線為雙線電氣化鐵路，設(shè)計時速160公里每小時，為國家I級干線鐵路。全線設(shè)有車站18座，分別為寶雞、福臨堡、坊塘埔、固川、坪頭、顏家河、石家灘、拓石、鳳閣嶺、建河、元龍、伯陽、社棠、晁峪、東口、馬家灣、新拓石、新建河；設(shè)有隧道共計163座，長度約116.7公里。

該段鐵路為山區(qū)鐵路，橋梁隧道多，彎道多，橋隧相連，地理環(huán)境條件差。

1.2 既有鐵路無線通信概況

隴海鐵路寶天段既有無線通信系統(tǒng)為450MHz B2制式無線列調(diào)通信系統(tǒng)。車站設(shè)置有車站電臺，區(qū)間及隧道內(nèi)設(shè)有中繼器及光纖直放站，弱場區(qū)段主要采用漏纜和天線進(jìn)行覆蓋。

寶天段上行線設(shè)備為1999年開通運用，下行線2003年開通運用。部分設(shè)備運行時間已長達(dá)16年，設(shè)備已超期運用，故障率高，備品備件緊缺，且該系統(tǒng)大三角及無線轉(zhuǎn)接功能不穩(wěn)定，車站及區(qū)間設(shè)備不具備監(jiān)控功能。

表1

圖1 GSM-R移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 設(shè)計方案

根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)鐵路等級、鐵路運行方式等，本次改造方案GSM-R基站子系統(tǒng)按照單層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組網(wǎng)考慮。

2.1 設(shè)計原則

2.1.1 結(jié)合既有設(shè)施，優(yōu)化方案，在滿足設(shè)計要求的同時盡可能的節(jié)省投資；

2.1.2 既有機房、電源等盡可能利舊，在節(jié)省投資的同時提高施工的便利性。

2.1.3 本次改造設(shè)計應(yīng)統(tǒng)籌考慮路局其它鐵路無線列調(diào)改造的需求。

2.2 需求分析

2.3 系統(tǒng)構(gòu)成

GSM-R系統(tǒng)由下列七個子系統(tǒng)組成：網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)（NSS）、基站子系統(tǒng)（BSS）、通用分組無線業(yè)務(wù)系統(tǒng)（GPRS）、智能網(wǎng)系統(tǒng)（IN）、固定用戶接入交換機（FAS）系統(tǒng)、運行與維護(hù)子系統(tǒng)（OMC）及終端。

2.3.1 交換子系統(tǒng)（SSS）

包括匯接移動交換中心（TMSC）、網(wǎng)關(guān)移動交換中心（GMSC）、移動交換中心（MSC）、訪問位置寄存器（VLR）、歸屬位置寄存器（HLR）、鑒權(quán)中心（AuC）、組呼寄存器（GCR）、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能模塊（IWF）、短消息中心（SMSC）、確認(rèn)中心（AC）等設(shè)備。本次改造利用西安既有核心網(wǎng)交換系統(tǒng)，并對核心網(wǎng)節(jié)點進(jìn)行擴容、數(shù)據(jù)加載及調(diào)測以滿足本線需求。

2.3.2 移動智能網(wǎng)子系統(tǒng)（IN）

包括業(yè)務(wù)交換點（SSP）、智能外設(shè)（IP）、業(yè)務(wù)控制點（SCP）、業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)（SMS）等設(shè)備。本次改造利用西安核心網(wǎng)節(jié)點中的SSP設(shè)備，只考慮為其加載本線相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.3.3 基站子系統(tǒng)（BSS）

包括基站收發(fā)信機（BTS）、基站控制器（BSC）以及編譯碼和速率適配單元（TRAU）和小區(qū)廣播短消息中心（CBC）等設(shè)備。本次新設(shè)BSC、TRAU設(shè)備。BSC、TRAU與MSC同址設(shè)置于西安鐵路局GSM-R核心網(wǎng)機房內(nèi)。根據(jù)西安鐵路局既有線無線通信改造規(guī)劃，咸銅（咸陽-銅川）、甘鐘等線路無線通信改造時考慮接入本次工程設(shè)置的TRAU和BSC設(shè)備，故應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃TRAU、BSC等設(shè)備容量。

鐵路沿線車站設(shè)置O3基站，區(qū)間根據(jù)場強覆蓋的需要設(shè)置O2基站，每個基站通過有線傳輸系統(tǒng)提供的2M環(huán)通道接入BSC，每3～5個基站組成一個2M環(huán)路；對于隧道等弱場區(qū)段可針對具體的地形條件采用光纖直放站或分布式基站加漏泄同軸電纜或天線方式解決。

2.3.4 通用分組無線業(yè)務(wù)子系統(tǒng)（GPRS）

包括網(wǎng)關(guān)業(yè)務(wù)支持節(jié)點（GGSN）、業(yè)務(wù)支持節(jié)點（SGSN）、分組控制單元（PCU）、邊界網(wǎng)關(guān)（BG）、計費網(wǎng)關(guān)（CG）、域名服務(wù)器（DNS）、認(rèn)證服務(wù)器（RADIUS）等設(shè)備。本次改造只新設(shè)PCU設(shè)備，PCU與BSC同址設(shè)置。其它設(shè)備利用既有，只考慮數(shù)據(jù)制作加載及調(diào)試。

2.3.5 固定用戶接入交換系統(tǒng)（FAS）

FAS包括鐵道部FAS、鐵路局FAS及站段FAS。目前西安鐵路局設(shè)有4套局級FAS，分別為高速鐵路主用FAS1、備用FAS2，普速鐵路FAS3、備用FAS4，遵照原鐵道部FAS設(shè)置及接入原則，即高速鐵路和普速鐵路分別設(shè)置或接入相應(yīng)級別FAS，且普速鐵路FAS3容量滿足本線接入需求，本線調(diào)度主系統(tǒng)利用既有FAS3，只需做相關(guān)數(shù)據(jù)加載及調(diào)試。各車站新設(shè)鐵路數(shù)字調(diào)度通信分系統(tǒng)（站段級FAS），通過Fb接口與局級主FAS3相連接。

2.3.6 運行與維護(hù)子系統(tǒng)（OMC）

包括無線網(wǎng)絡(luò)管理子系統(tǒng)（OMC-R）、交換網(wǎng)絡(luò)管理子系統(tǒng)（OMC-S）、GPRS網(wǎng)絡(luò)管理子系統(tǒng)（OMC-D）、直放站管理子系統(tǒng)（OMC-T）、FAS網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（OMC-F）。本次改造只新設(shè)OMC-R設(shè)備，其它網(wǎng)管子系統(tǒng)利用既有。OMC-R設(shè)于西安無線檢修所，OMC-T設(shè)于寶雞通信車間，相關(guān)的維修車間、通信車間設(shè)置OMC-R、OMC-T復(fù)示終端。

2.4 場強覆蓋標(biāo)準(zhǔn)

無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃以機車臺接收天線處的覆蓋電平為標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)場強覆蓋應(yīng)滿足：接收機天線處輸入端射頻信號最小可用接收電平Prmin為-98dBm（統(tǒng)計概率95%）。

圖2 宏基站+光纖直放站方案系統(tǒng)構(gòu)成圖

表2

2.5 系統(tǒng)功能

實現(xiàn)列車調(diào)度員-機車司機間、車站值班員-機車司機間各種列車無線調(diào)度通信功能；列車車次號及調(diào)度命令信息傳送；GSM-R系統(tǒng)能滿足鐵路沿線維護(hù)人員的通信需求，用于工務(wù)、水電、電務(wù)等部門的區(qū)間維護(hù)作業(yè)通信；滿足公安、搶修、救援等應(yīng)急移動通信需求。

2.6 越區(qū)切換

為了為了保持移動臺在移動中通話的連續(xù)性以及網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，移動臺必須進(jìn)行切換，工程中應(yīng)對越區(qū)切換進(jìn)行合理設(shè)計。

2.6.1 切換位置選擇

切換位置應(yīng)盡量選在開闊地帶，避免選在高話務(wù)區(qū)、隧道口、彎道以及有阻擋的地帶，對于隧道群，在滿足覆蓋重疊長度的情況下，切換位置可選在兩個隧道之間的開闊區(qū)域，對于長大隧道，則需要在隧道內(nèi)切換。切換區(qū)域的場強應(yīng)按照當(dāng)前小區(qū)漸弱，目標(biāo)小區(qū)漸強的趨勢進(jìn)行設(shè)計，以保證切換成功率。

2.6.2 覆蓋重疊長度

覆蓋重疊長度與列車運行速度，切換時間密切相關(guān)，為了提高切換成功率，切換時間按照能完成兩次越區(qū)切換考慮。隴海鐵路設(shè)計速度160km/h，切換時間按10s考慮，則覆蓋重疊長度（160*1000/3600）*10=445m。

2.7 區(qū)間弱場覆蓋

區(qū)間隧道路塹等弱場覆蓋采用光纖直放站+漏泄同軸電纜或天線解決，光纖直放站方案主要由BTS、近端機、遠(yuǎn)端機、光纖、耦合器、天線或漏泄同軸電纜等組成。

光近端機和光遠(yuǎn)端機均包括射頻單元（RF單元）和光單元。無線信號從基站中耦合出下行信號（930MHz-934MHz）后，進(jìn)入光近端機，通過電光轉(zhuǎn)換，電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?，從光近端機輸入至光纖，經(jīng)過光纖傳輸?shù)焦膺h(yuǎn)端機，光遠(yuǎn)端機把光信號轉(zhuǎn)為電信號，進(jìn)入RF單元進(jìn)行放大，信號經(jīng)過放大后送入發(fā)射天線或者漏泄電纜（LCX）覆蓋目標(biāo)區(qū)域。與上行鏈路的工作原理一樣，移動臺發(fā)射的上行信號（885MHz—889MHz）通過接收天線或者漏泄電纜（LCX）至光遠(yuǎn)端機，再通過光纖到近端機回到基站。

2.8 鏈路預(yù)算

3 工程規(guī)模

本次改建設(shè)計方案共利用區(qū)間設(shè)備機房（含隧道內(nèi)機房）176處，區(qū)間電桿利舊170處，電力設(shè)施全部利舊，以最大程度的節(jié)省投資。

結(jié)語

本次設(shè)計方案結(jié)合了西安GSM-R核心網(wǎng)、西安鐵路局管內(nèi)其它鐵路GSM-R建設(shè)改造進(jìn)度計劃以及隴海鐵路寶天段沿線設(shè)備、房屋、電力等設(shè)施現(xiàn)場實際情況，很好的執(zhí)行了設(shè)計原則要求，最大程度節(jié)省投資的同時達(dá)到了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

[1]中國鐵路總公司.鐵總運[2013]189號 中國鐵路總公司關(guān)于既有普速鐵路450MHz無線列調(diào)系統(tǒng)改建GSM-R系統(tǒng)方案優(yōu)化的指導(dǎo)意見[Z].北京：中國鐵路總公司，2013.

[2]西安鐵路局.西鐵計函[2012]40號 西安鐵路局“十二五”發(fā)展規(guī)劃[Z].西安：西安鐵路局，2012.

[3]中華人民共和國鐵道部.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].北京：中國鐵道出版社，2007.

[4]中華人民共和國鐵道部.TB/T 3324-2013 鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）總體技術(shù)要求[S].北京：中國鐵道出版社，2013.