既有線交叉并線等特殊區(qū)段GSM-R系統(tǒng)方案研究

陶 巖

（中國鐵路沈陽局集團(tuán)有限公司，沈陽 110001）

1 概述

近些年我國鐵路發(fā)展迅速，已形成覆蓋全國的高鐵和部分普速線的GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，GSM-R系統(tǒng)在承載列控信息傳送及公務(wù)移動通信等方面發(fā)揮了巨大作用。當(dāng)前，面臨450 MHz頻率資源收回的國家政策以及無線列調(diào)設(shè)備超期使用兩大問題，既有線450 MHz模擬無線列調(diào)系統(tǒng)改GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)的建設(shè)勢在必行。由于高鐵建設(shè)形成了高速、普速鐵路交叉并線的錯綜復(fù)雜結(jié)構(gòu)，且高速鐵路建設(shè)之初缺乏高普兼顧的統(tǒng)籌規(guī)劃，給普速鐵路的GSM-R系統(tǒng)方案規(guī)劃和實施帶來了極大的困難。

2 京哈、沈大、哈大客專線交叉并線概況

京哈線和沈大線縱橫貫穿東北地區(qū)，連接?xùn)|北三省省會哈爾濱、長春、沈陽和東北對外開放窗口大連，是東北經(jīng)濟(jì)發(fā)展的運輸大通道。京哈線運行速度160 km/h，沈大線運行速度140 km/h。

哈大客專北起黑龍江省會哈爾濱，經(jīng)松原、四平、鐵嶺、沈陽、遼陽、鞍山、營口、終到濱海城市大連，故取名哈大客專。哈大客專設(shè)計速度350 km/h，目前運行最高速度310 km/h，GSM-R網(wǎng)絡(luò)承載CTCS-3（簡稱C3）級列控信息，基站采用單網(wǎng)交織冗余覆蓋方式，平均站距2.88 km。

哈大客專與沈大線位置關(guān)系：在沈陽—渾河、張臺子—首山區(qū)段，哈大客專與沈大線完全并行，長度約30 km；有4處與高鐵交叉穿越；3 km以內(nèi)并線約30 km。

哈大客專與京哈線位置關(guān)系：沈陽—文官屯之間哈大客專與京哈線完全并行，長度約16 km；在昌圖—雙廟子、公主嶺—陶家?guī)X之間有兩次交越；3 km范圍內(nèi)并線長度約50 km。

3 既有線GSM-R改造面臨的問題及解決方案

3.1 雙線交叉區(qū)段

雙線交叉是高鐵和普速線中比較常見的狀況，以大連北-普灣之間為例，DLB-PW09基站為哈大客專和沈大線交叉區(qū)域設(shè)置基站，高鐵建設(shè)之初，沿著高鐵大連方向和沈陽方向分別設(shè)置一面天線。既有線改造時，在DLB-PW09增設(shè)2面天線，分別覆蓋沈大線大連方向和沈陽方向，無需額外增設(shè)其他設(shè)備，即可解決交叉區(qū)域的無線覆蓋，如圖1所示。

圖1 雙線交叉區(qū)域覆蓋示意圖Fig.1 Coverage areas of two lines cross section

3.2 雙線并線區(qū)段

1）現(xiàn)狀

京哈、沈大線與哈大客專存在多處相距1～3 km的并線區(qū)段。由于高鐵為C3線路，為滿足承載列控業(yè)務(wù)的需要，基站采用交織覆蓋，間距約3 km。以沈大段高鐵對應(yīng)的蓋州西至營口東區(qū)間為例，普速線與高鐵間距保持在1.3～3 km（如圖2所示，圖中帶基站的位置為高鐵）。目前按照八頻組的頻率規(guī)劃方案如表1所示，對應(yīng)高鐵8個基站、24 km左右覆蓋范圍，共使用17個載頻（除1015、1017號頻點外）。如果普速線和高鐵并線區(qū)域單獨設(shè)置基站（8 km左右間距），最少4個基站需8個頻點，GSM-R只有19個頻點可用。因此，既有線鄰近高鐵，單獨設(shè)置基站將面臨無合適的頻率資源可用。

圖2 測試結(jié)果及覆蓋示意圖Fig.2 Test results and coverage diagram

2）解決方案

既有高鐵基站天線均采用波瓣寬度為65°的天線，因此平原地區(qū)高鐵兩邊2～3 km范圍內(nèi)GSM-R無線信號仍然較強，測試結(jié)果如圖2所示。高鐵GZX-YKD02基站至GZXYKD08基站之間，普速線測試高鐵場強基本能夠達(dá)到-80 dB左右，但在普速線上發(fā)生頻繁切換（圖2中基站與線路的細(xì)連線表示當(dāng)前位置所使用的基站信號）。例如：在垂直高鐵基站方向的普速線 上 A點（ 距 離 GZX-YKD03、 GZX-YKD04分別1.7 km、3 km），GZX-YKD03基站天線旁瓣覆蓋信號較弱，而GZX-YKD04為主瓣方向信號較強，必然切換，類似切換發(fā)生頻繁。

表1 八頻組規(guī)劃表Tab.1 Eight-frequency combination planning table

根據(jù)頻率使用情況和測試結(jié)果，普速線綜合利用高鐵基站進(jìn)行覆蓋，可不單獨設(shè)置基站。但是為減少普速線上基站頻繁切換，在高鐵相應(yīng)基站分別增設(shè)1副65°天線，加強垂直高鐵方向覆蓋。

3.3 多線匯聚區(qū)域的問題及解決方案

多線交匯區(qū)域多位于市區(qū)樞紐地區(qū)，線路錯綜復(fù)雜。以沈陽西附近為例，永安車站附近有4條鐵路6個方向交匯，秦沈客專已經(jīng)實現(xiàn)G網(wǎng)覆蓋，其中秦沈基站1和秦沈基站2采用分布式基站共小區(qū)覆蓋方式如圖3所示。為保證京沈高鐵冗余覆蓋需求，基站1和基站2處分別采用（O2+O1）雙網(wǎng)覆蓋方式，京沈客專（C3等級線路）G網(wǎng)正在建設(shè)。既有線改G網(wǎng)時，分別在轉(zhuǎn)彎橋、于洪、沈陽西設(shè)置基站，在交匯區(qū)域則至少有6個基站12載頻信號重疊，根本無法滿足相鄰小區(qū)的控制信道及業(yè)務(wù)信道載波間隔不宜小于400 kHz的要求，頻率規(guī)劃不可實施。因此，必須對該區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃。

為避免在交匯區(qū)域出現(xiàn)多個基站信號，應(yīng)合理規(guī)劃載頻使用，減少該區(qū)域凌亂的切換關(guān)系。新的設(shè)計方案將秦沈基站2、秦沈基站3、京沈基站1改為分布式基站（均采用O2+O1的A/B雙網(wǎng)覆蓋），并將同一層網(wǎng)絡(luò)的三處分布式基站設(shè)置成共小區(qū)。同時嚴(yán)格控制各條線基站往交匯區(qū)域的天線掛高和俯仰角（5°以上），有效控制交匯區(qū)域相鄰基站的場強和覆蓋范圍，并將與各條線基站的切換點設(shè)置在三角區(qū)域共小區(qū)基站的覆蓋邊緣地帶（如圖3所示重新規(guī)劃后）。

4 需要進(jìn)一步研究的問題和建議

1）3 km以內(nèi)并線區(qū)域

圖3 沈陽樞紐線路走線及G網(wǎng)規(guī)劃示意圖Fig.3 Layout of lines and GSM-R network plan of Shenyang junction

既有線臨近或者與高鐵交叉并線（地形平坦距離3 km范圍內(nèi)）時，綜合利用高鐵基站（或增設(shè)天線）實現(xiàn)普速線的覆蓋，既符合鐵總高速帶普速的基本指導(dǎo)原則，同時大量節(jié)省基站設(shè)備、房屋、電力配套、鐵塔、征地等房建的建設(shè)資金；降低了載頻的復(fù)用度，有利于減少網(wǎng)內(nèi)的干擾，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，避免對高鐵運營安全造成不利的影響。但需要在高鐵基站增加天線，需要更換功分器（天饋系統(tǒng)損耗增加）或者進(jìn)行基站切換參數(shù)調(diào)整，會造成既有基站之間的切換點位置發(fā)生偏移，可能影響高鐵C3業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量不滿足要求，從而引起C3降級為C2，影響列車運行效率。因此，普速線對高鐵的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化將是普速線G網(wǎng)建設(shè)非常重要的環(huán)節(jié)。鑒于高鐵運輸安全要求的特殊性，優(yōu)化后需要在高鐵上測試GSM-R網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，其實施難度巨大、可實施性差。建議高鐵規(guī)劃建設(shè)時，當(dāng)遇到與普速線交叉并線時，采用以下措施避免后期問題。

統(tǒng)籌規(guī)劃高鐵和普速線的覆蓋方案。

高鐵預(yù)留后期可實施的方案（例如采用共小區(qū)等方式并預(yù)留后期接入）

高鐵盡可能采用30等窄波瓣寬度天線，有效控制高鐵線路兩側(cè)的有效覆蓋范圍。

2）3～5 km的并線區(qū)域

在平原地區(qū)既有線與高鐵并線，但距離超過3 km范圍，需單獨設(shè)置基站時，建議采用30°窄波瓣寬度天線。同時，為減小高速和普速線基站之間的干擾，建議普速線區(qū)間基站或小站采用單載頻基站（需要基站支持載頻互助功能），并為樞紐或大型車站提供更多的頻率資源。

3）樞紐區(qū)域

樞紐問題集中在頻率資源緊張和干擾問題上，建議根據(jù)實際情況采用微蜂窩覆蓋（減小覆蓋范圍避免相互影響）或采用分布式基站拉遠(yuǎn)擴(kuò)大小區(qū)覆蓋范圍（減少相鄰小區(qū)的數(shù)量）技術(shù)手段。

5 結(jié)束語

普速線的G網(wǎng)改造已經(jīng)拉開大幕，普速線與高鐵交叉并線區(qū)域GSM-R頻率資源匱乏、干擾嚴(yán)重、工期不同步、設(shè)備不兼容等問題已經(jīng)顯現(xiàn)，在整體規(guī)劃和方案設(shè)計時，針對不同地區(qū)已經(jīng)提出了不同的系統(tǒng)方案，但還需經(jīng)過現(xiàn)場測試及工程實踐的檢驗，并進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)方案、優(yōu)化設(shè)備選型、總結(jié)工程經(jīng)驗，為普速線GSM-R系統(tǒng)全面建設(shè)提供參考。