合杭高鐵與既有線并線區(qū)段GSM-R系統(tǒng)方案設(shè)計與優(yōu)化

張 健，余長義，王偉力

（1.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司電務(wù)部，上海 200071）

（2.皖贛鐵路安徽有限責(zé)任公司，合肥 230001）

（3.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

1 概述

近年來新建、改擴(kuò)建鐵路工程不斷增加，路網(wǎng)密度不斷加大，GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)日趨復(fù)雜，涉及到交叉并線區(qū)段也越來越多，無線通信系統(tǒng)方案已成為設(shè)計的難點。本文以新建合杭高鐵為例，針對設(shè)計和聯(lián)調(diào)聯(lián)試過程中遇到的頻點規(guī)劃資源緊張、建設(shè)工期不一致以及復(fù)雜地段出現(xiàn)強(qiáng)質(zhì)差等問題，提出設(shè)計與優(yōu)化方案，在不影響既有高速、普速鐵路正常運營的情況下，確保新建合杭高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試測試無線覆蓋和服務(wù)質(zhì)量符合CTCS-3區(qū)段安全運行等指標(biāo)要求。

合杭高鐵設(shè)計速度為350 km/h，其中蕪湖至宣城段、蕪湖長江公鐵大橋范圍內(nèi)正線設(shè)計速度為250 km/h；同期修建巢湖東站南北聯(lián)絡(luò)線設(shè)計速度為160 km/h。全線工程線路等級均為CTCS-3級列控系統(tǒng)高速鐵路。合杭高鐵與GSM-R既有線路合寧高鐵、合福高鐵、淮南線、寧安城際、蕪廣線、宣杭線、寧杭高鐵等多條鐵路線存在交叉并線情況。由于涉及線路眾多，且等級和覆蓋性能指標(biāo)各不相同，造成合杭高鐵在設(shè)計時，交叉并線區(qū)域的無線方案成為GSM-R系統(tǒng)設(shè)計的重點和難點，也是各單位審查時關(guān)注的焦點。

下面選取其中3處較典型的區(qū)段詳細(xì)說明，從設(shè)計到聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間遇到的問題以及解決方案，供今后的其他工程參考。

2 典型區(qū)段說明與解決方法

2.1 與宣杭普速鐵路并線區(qū)段

合杭高鐵宣城站（XuanCheng）至郎溪-廣德南05號基站（LXN-GDN05）段與宣杭普速鐵路宣城站（XuanCheng）至誓節(jié)渡-廣德02號基站（SJD-GD02）段并線行駛。合杭高鐵此段與宣杭普速鐵路最近距離僅0.8 km左右，最遠(yuǎn)距離約3 km。兩線線路示意如圖1所示。

圖1 兩線線路示意圖Fig.1 Schematic diagram of two lines

宣杭普速鐵路原為450 MHz無線列調(diào)鐵路，通過電氣化改造工程，于2016年完成由原450 MHz無線列調(diào)通信系統(tǒng)改為GSM-R系統(tǒng)的施工圖設(shè)計及審查，2019年開通普通單網(wǎng)覆蓋的GSM-R系統(tǒng)。合杭高鐵早在2015年已先期完成施工圖設(shè)計及審查，但計劃在2020年開通交織單網(wǎng)覆蓋的GSM-R系統(tǒng)。按照優(yōu)先考慮高等級線路業(yè)務(wù)運用要求以及線路平行或交越（交匯）地段，無線網(wǎng)規(guī)劃應(yīng)以高等級線路的小區(qū)規(guī)劃為基礎(chǔ)，兼顧低等級線路的運用需要，交叉并線區(qū)段常規(guī)設(shè)計原則為普速鐵路盡量利用高速鐵路的資源覆蓋普鐵線路。然而，由于上述兩條線工期特殊性，以及高速鐵路比普速鐵路的高架橋高出20～30 m等情況，特別是宣杭鐵路GSM-R系統(tǒng)僅承載調(diào)度通信語音、調(diào)度命令信息和車次號校核的傳輸業(yè)務(wù)，而合杭高鐵為CTCS-3等級線路，其GSM-R系統(tǒng)還要承載列車控制數(shù)據(jù)傳送，安全等級更高。因此合杭高鐵僅比宣杭普速遲一年完工建成，但也無法利用宣杭鐵路的既有資源。

由于上述兩個項目工期的特殊性，宣杭鐵路與合杭高鐵并線地區(qū)成為重點關(guān)注地段，宣杭鐵路原設(shè)計方案為與合杭高鐵不共用基站，不建立連接關(guān)系，根據(jù)頻點配置原則使兩線互不干擾，宣杭鐵路的基站鐵塔高度控制在35 m以下，采用窄波瓣天線覆蓋。兩線基站原設(shè)計位置如圖2所示。

圖2 兩線基站設(shè)計位置Fig.2 Base station design location of two lines

在我國，GSM-R系統(tǒng)僅有19個可用頻點，此區(qū)段宣杭線路11個基站，合杭高鐵19個基站，若按照區(qū)間基站2載頻，車站基站3載頻的配置原則，無法滿足《鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）設(shè)計規(guī)范》（TB 10088-2015）中要求的“同小區(qū)、同站址的多個小區(qū)控制信道載波間隔不宜小于600 kHz，業(yè)務(wù)信道載波間隔不宜小于400 kHz，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”。

針對頻點問題，首先應(yīng)當(dāng)確保高鐵通信質(zhì)量，為此將普速鐵路使用頻率與高鐵分組使用，高鐵BCCH和TCH使用1 000至1 013，普鐵 BCCH則循環(huán)使用1 014至1 018，將宣杭線連續(xù)11個基站進(jìn)行減容或頻率調(diào)整。宣杭線調(diào)整頻點情況如表1所示。

表1 宣杭線調(diào)整頻點情況Tab.1 Frequency point adjustment situation of Xuanhang railway

在聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間，此并線區(qū)段在充分考慮無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案，做好頻率規(guī)劃的前提下，滿足了CTCS-3級列控系統(tǒng)高速鐵路GSM-R系統(tǒng)的動態(tài)檢測工作。

2.2 與合福高鐵并線區(qū)段

合杭高鐵在新大力寺隧道至巢湖東站之間與合福鐵路并行。在巢湖東小里程方向和大里程方向，存在上、下行聯(lián)絡(luò)線以及為今后預(yù)留的雙線線路巢馬城際。巢湖東小里程方向，聯(lián)絡(luò)線以及合杭正線利用合福沿線既有基站覆蓋，而在巢湖東大里程方向，合杭高鐵與既有合福正線的標(biāo)高約20 m，而兩條聯(lián)絡(luò)線以及預(yù)留巢馬城際標(biāo)高約45 m。按照合杭高鐵需接收既有合?；緹o線信號覆蓋本線的設(shè)計方案，既有無線信號需穿越標(biāo)高40～50 m的4條線路高架橋才能覆蓋到標(biāo)高約20 m的合杭高鐵正線。且合福基站無線信號覆蓋本線方向上，存在一處高度約50 m的山包，合杭高鐵在山包后形成無線覆蓋遮擋。

此區(qū)段方案優(yōu)化為在既有合福高鐵K40+482、K57+248兩處新設(shè)同址雙基站，增加向合杭方向覆蓋的天線。合杭高鐵新建大力寺隧道弱場覆蓋方式采用“基站+遠(yuǎn)端機(jī)+漏纜”的方式，隧道出入口利用合福高鐵隧道口既有基站近端機(jī)對合杭高鐵進(jìn)行無線覆蓋，新建大力寺隧道內(nèi)新設(shè)遠(yuǎn)端機(jī)+漏纜對隧道內(nèi)進(jìn)行覆蓋。同址雙基站載頻設(shè)置為O2/O1。同時為防止山體遮擋，合福高鐵既有基站（CHD-WW01A/B）信號存在快衰，可導(dǎo)致關(guān)閉CHD-HSN01時CHD-WW01A/B與CHD-HSN02無法實現(xiàn)冗余覆蓋，為此在此處山包背后的最近處新建基站（CHD-HSN01）同址增加RRU設(shè)備，解決關(guān)閉CHD-HSN01時單點故障隱患。合杭高鐵與合福高鐵并線區(qū)域無線覆蓋方案示意如圖3所示。

圖3 合杭高鐵與合福高鐵并線區(qū)域無線覆蓋方案Fig.3 Wireless coverage scheme of shared section of Hehang high-speed railway and Hefu high-speed railway

在聯(lián)調(diào)聯(lián)試測試中發(fā)現(xiàn)，全線最小接收電平滿足GSM-R相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的在95%的時間地點概率情況下的-92 dBm要求，但合杭高鐵上行行駛至K55+300處有7級強(qiáng)質(zhì)差，造成CSD指標(biāo)不合格；經(jīng)查接口監(jiān)測數(shù)據(jù)，合福線路在此段區(qū)域也存在4級質(zhì)差。K55+300處電平值為-68 dBm。小區(qū)接收電平值測試與質(zhì)差測試如圖4、5所示。

圖4 小區(qū)接收電平值測試圖Fig.4 Test diagram of cell receiving level values

針對上述存在質(zhì)差的情況，首先對周邊運營商站點進(jìn)行多輪排查，但在測試時閉站情況下，仍有質(zhì)差情形；其次，關(guān)閉周邊30 km內(nèi)同鄰頻基站，基本排除GSM-R網(wǎng)內(nèi)干擾的可能，同時撥測發(fā)現(xiàn)TA異常（正常5左右），判斷存在多徑；最后摘除CHD-WW01B往合杭方向天線，在K55撥測，仍存在大TA質(zhì)差。經(jīng)多方研討，前往現(xiàn)場反復(fù)排查，總體判斷是該區(qū)域山包較多、水域蜿蜒，存在復(fù)雜的反射折射現(xiàn)象導(dǎo)致TA值出現(xiàn)15的異?，F(xiàn)象。當(dāng)無法規(guī)避質(zhì)差問題時，現(xiàn)場經(jīng)過調(diào)整CHD-WW01AB、ChaoHuDong、CLH-CHD14等基站天線并配合切換參數(shù)優(yōu)化，只能將質(zhì)差值減少，再將合杭上行切換區(qū)移至K55+700附近，避開原K55+300處質(zhì)差地域，以滿足CSD動態(tài)測試指標(biāo)。調(diào)整后的質(zhì)差測試如圖6所示。

圖5 質(zhì)差測試圖Fig.5 Poor quality test diagram

圖6 調(diào)整后的質(zhì)差測試圖Fig.6 Adjusted poor quality test diagram

2.3 接入蕪湖樞紐長江公鐵兩用大橋并線區(qū)段

合杭高鐵線路經(jīng)過長江公鐵兩用大橋后，進(jìn)入蕪湖樞紐，與既有寧安城際從不同方向分別駛?cè)胧徍旧毯虾紙雠c寧安場。從蕪湖至弋江段與寧安城際鐵路并線，寧安城際在既有蕪湖站利用車站基站無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋正線范圍，利用“直放站+吸頂天線”的方案解決車站室內(nèi)覆蓋。合杭高鐵原則上利用既有寧安城際在蕪湖樞紐設(shè)置的基站，再將蕪湖樞紐內(nèi)的基站信號引至分岔路口避免合杭高鐵基站單點故障情況下產(chǎn)生錯切的現(xiàn)象。在合杭正線上的長江公鐵兩用大橋由合杭工程“新增基站+直放站”的方式完成GSM-R網(wǎng)絡(luò)無線覆蓋。

在施工圖審查階段，考慮到既有蕪湖站在雨棚下站場內(nèi)短距離內(nèi)存在弱場，且合杭高鐵為CTCS-3級列控，其動態(tài)測試檢驗標(biāo)準(zhǔn)更高，本次工程需解決弱場帶來的影響；同時合杭高鐵需在分叉路口增加蕪湖車站基站信號延伸的設(shè)備站點，延伸距離在1.5～2 km。為此施工圖審查階段為將原蕪湖車站基站改為BBU/RRU，增加雨棚下RRU設(shè)備解決站場內(nèi)弱場問題，并在分叉點增加RRU站址作為蕪湖車站基站小區(qū)覆蓋的延伸。蕪湖樞紐基站布置如圖7所示。

圖7 蕪湖樞紐基站布置圖Fig.7 Base station layout of Wuhu hub

但在合杭試運行期間，當(dāng)列車運行至公鐵兩用大橋引橋區(qū)域，接近合杭與寧安城際分叉路口時，占用蕪湖分布式基站A（簡稱WuHu_BUA），出現(xiàn)上行質(zhì)差至7級的情況；蕪湖分布式基站B（簡稱WuHu_BUB）上行質(zhì)差為4級，相對較好。通過多趟列車數(shù)據(jù)分析，當(dāng)上行電平在-75 dBm左右，WuHu_BUA上行通信質(zhì)量在4～5級；當(dāng)上行電平在-80 dBm以下，WuHu_BUA上行通信質(zhì)量出現(xiàn)7級情況。聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間測試終端電平強(qiáng)度高于運營車（均在-70 dBm），該區(qū)段的上行干擾需電平值低于-75 dBm才顯現(xiàn)。經(jīng)過現(xiàn)場勘查，干擾地點位于公鐵兩用橋的引橋部分，鐵軌上方是公路橋，側(cè)面建有預(yù)留的市政規(guī)劃高架橋。蕪湖長江公鐵兩用大橋現(xiàn)場照片如圖8所示。

圖8 蕪湖長江公鐵兩用大橋現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.8 Site photo of Wuhu Yangtze River highway and railway bridge

本區(qū)段鐵塔高于軌面15 m，WuHu_BUA的天線在第一層平臺高于軌面12 m，第二層平臺高于軌面10 m。由于第二層平臺沒有被公路橋遮擋，這就印證了WuHu_BUB的質(zhì)差好于WuHu_BUA的原因。但針對為何會存在質(zhì)差，測試人員在排除外網(wǎng)干擾后，將WuHu＿ RUA/B 1、WuHu＿RUA/B 2、WuHu＿RUA/B3逐一關(guān)閉檢測干擾源，發(fā)現(xiàn)只要是開啟與A站位置組有關(guān)站點時，干擾就會存在。最后原因鎖定在A站址接入了既有室內(nèi)覆蓋的直放站，直放站的引入對正線產(chǎn)生了干擾，導(dǎo)致正線出現(xiàn)質(zhì)差。處理方式是將室分系統(tǒng)由A站改接為B站。

3 總結(jié)與建議

本文對新建合杭高鐵與周邊既有鐵路交叉并線區(qū)段GSM-R工程遇到的幾個典型案例進(jìn)行詳細(xì)分析，闡述了本工程GSM-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、調(diào)試的難點及解決方案。在當(dāng)前鐵路大規(guī)模建設(shè)的背景下，將會出現(xiàn)越來越多的新建線路與既有線交叉并線、錯綜復(fù)雜的局面，這將成為日趨復(fù)雜的設(shè)計焦點和難點。對于上述類似情形，提高方案設(shè)計階段的可用性及可靠性是設(shè)計人員應(yīng)該考慮的關(guān)鍵。

歸納本次合杭高鐵GSM-R網(wǎng)絡(luò)工程設(shè)計、調(diào)試遇到的問題及解決方案，提出如下建議，供其他鐵路交叉并線區(qū)段設(shè)計方案時參考。

合杭高鐵與淮南鐵路、宣杭鐵路并線，由于頻點與合杭高鐵分不開，將兩條普速鐵路幾乎全線減容和更改頻點。在后期G網(wǎng)改造項目中，普速線在設(shè)計時，應(yīng)避免對高速線路的影響，遵循高速優(yōu)先原則。若是普速先開通，應(yīng)一并考慮高速鐵路的無線方案和頻點資源問題；若是高鐵先開通，普速可進(jìn)行無線測試，經(jīng)測試結(jié)果得出是否可以利用先開通的高鐵基站。

先期開通高鐵線路應(yīng)考慮后續(xù)建成高鐵線路的預(yù)留接入條件，統(tǒng)籌考慮無線覆蓋方案。

在利用既有無線設(shè)備解決新建鐵路無線覆蓋時，需現(xiàn)場勘查既有站點的設(shè)備運行、覆蓋質(zhì)量等情況，同步確認(rèn)周邊地形、地貌、水文、建筑物、構(gòu)筑物等環(huán)境條件，合理確定覆蓋方案。

協(xié)同開展方案協(xié)調(diào)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。在工程集成商、產(chǎn)品制造商確定后，應(yīng)充分利用設(shè)計聯(lián)絡(luò)、施工交底等渠道，盡早明確GSM-R工程調(diào)試和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化各項細(xì)節(jié)和接口，對設(shè)計方案進(jìn)行核對落實，尤其是交叉并線等復(fù)雜區(qū)段需格外重視，各方面共同推進(jìn)方案穩(wěn)定。