基于鐵路運用場景的GSM-R系統(tǒng)無線信道資源估算方法研究

李 堅，陳曉輝,陳建平

(1.中國鐵路北京局集團有限公司 通信與信號部， 北京 100860；2.南京泰通科技股份有限公司，江蘇 南京 210039;3.中國科學技術大學 電子工程與信息科學系，安徽 合肥 230026)

目前，新建GSM-R系統(tǒng)在工程設計及實施過程中，大多僅考慮覆蓋本線，涉及與之相關的樞紐、交越、并線區(qū)段等特殊場景，極少考慮相鄰線路的覆蓋需求[1]。隨著GSM-R系統(tǒng)覆蓋里程的迅速增大，樞紐、交越、并線等復雜區(qū)段，既有GSM-R系統(tǒng)與新建GSM-R系統(tǒng)協(xié)調統(tǒng)一的問題逐步凸顯[2-3]。因此，需要從全局的角度頂層設計，統(tǒng)籌規(guī)劃符合運輸組織需求、設備現狀、布局合理的網絡覆蓋方案[4]。網絡覆蓋方案的核心，是確保各條線路的GSM-R系統(tǒng)性能指標均符合標準[5-6]，各業(yè)務滿足相應運輸生產組織場景下的運用需求[7]。然而，由于現有GSM-R系統(tǒng)頻率資源受限，因此，科學、合理地配置頻率資源是確保GSM-R系統(tǒng)滿足鐵路運輸生產組織需求的基礎，傳統(tǒng)的基站小區(qū)頻率資源配置方案普遍存在頻率資源利用度不高的問題。

GSM-R系統(tǒng)的工作頻段為上行885～889 MHz、下行 930～934 MHz，劃分為20個頻點，頻點號為1000至1019，每個頻點號代表一個帶寬為200 kHz的無線信道資源。傳統(tǒng)的GSM-R系統(tǒng)頻率資源分配原則，是按照不同業(yè)務的話務量模型估算樞紐大站、中間車站、區(qū)間等場景的總話務量(單位：Erl)，通過查詢愛爾蘭B表的方法確定相應基站小區(qū)的頻率資源配置[8]。話務量是一個統(tǒng)計學概念[9]，適合于海量用戶數量的大型公共通信網絡[10-11]。公共移動通信系統(tǒng)、GSM-R系統(tǒng)的用戶數量較少，按照中國鐵路總公司的規(guī)劃，GSM-R系統(tǒng)遠期用戶數量15萬，僅相當于中國移動一個縣級區(qū)域的用戶數量。因此，實踐表明，該方法存在頻率資源利用度不高的問題。

為此，需要立足鐵路GSM-R系統(tǒng)的特殊性，從運輸組織的角度、從運用的角度，結合GSM-R系統(tǒng)的技術特點，分析車站、區(qū)間等兩個GSM-R運用場景，以滿足運用需求為目標，研究基于鐵路運用場景的GSM-R系統(tǒng)無線信道資源估算方法，合理配置基站小區(qū)頻率資源，提高頻率資源利用效率。

1 車站基站小區(qū)無線信道資源需求估算

1.1 CTCS-3級列控系統(tǒng)業(yè)務無線信道資源需求估算

為滿足運輸生產組織需求，需要立足車站的最大接發(fā)車能力，估算CTCS-3級列控(以下簡稱C3列控)業(yè)務無線信道資源需求X。

( 1 )

1.2 語音業(yè)務無線信道資源估算

科學估算車站站區(qū)的語音業(yè)務無線信道資源需求，首先需要根據鐵路運輸組織中各語音業(yè)務的運用現狀估算各語音業(yè)務的單元話務量。車站站區(qū)的語音業(yè)務大致可分為4類。

(1)車機聯(lián)控話務量Ec。文獻[12]要求，車機聯(lián)控應內容簡單明了，車機聯(lián)控時間通常不超過3 min，即λ0取0.05 Erl/列。車機聯(lián)控屬于機車乘務員與調度員或車站值班員的通話，因此該話務量也適用用于直通股停車后、發(fā)車的語音通話場景。Ec表達式為

Ec=M×λ0

( 2 )

式中：M為該車站股道數(含直通股道、到發(fā)線)；λ0為每一次車機聯(lián)控所產生的話務量。

(2)車上人員間的語音通信話務量。其是指機車乘務員、列車長、乘警長和機械師等之間的語音通信。通常，在區(qū)間,列車長或機車乘務員統(tǒng)一指揮列車在區(qū)間的一切行車事宜；在車站,車站值班員統(tǒng)一指揮在車站的一切行車事宜。車站發(fā)車前司機與列車長間會進行一次通話試驗，通話時長不超過3 min；除此之外，車上人員之間不進行通話試驗。因此，在車站站區(qū)，比較固定的是司機與列車長之間的通話試驗，其話務量2倍于1次車機聯(lián)控話務量。

(3)其他語音通信話務量Er。通常由車站外勤值班員、車站(助理)值班員、各專業(yè)施工防護員和其他值守人員崗位產生。車站外勤值班員的一次通話時間按3 min計算，即話務量為0.05 Erl/崗；車站(助理)值班員一般使用車站FAS臺進行聯(lián)絡,不使用GSM-R手持終端進行通話，因此崗位數按車站FAS臺數量進行統(tǒng)計即可；各專業(yè)施工防護員的作業(yè)，一般在天窗點內進行，而天窗點內不行車，C3列控業(yè)務的無線信道資源可以供其使用，因此可以不做考慮；應急值守人員一般為工務、供電、電務等專業(yè)人員，每崗1人，其話務量按0.05 Erl/崗估算。因此，Er的估算式為

Er=(P+Q+U)×λ0

( 3 )

式中：P為車站外勤值班員崗位數；Q為車站(助理)值班員崗位數；U為應急值守人員崗位數。

(4)組呼通信話務量。由于299、210組呼作為高優(yōu)先級語音業(yè)務，可以強占其他話音業(yè)務的無線信道資源，因此，進行無線信道資源估算時，無需考慮組呼通信話務量需求。

綜合上述4種運用場景，車站基站小區(qū)的語音業(yè)務話務量Ee可以表示為

Ee=3×Ec+Er=(3M+P+Q+U)×λ0

( 4 )

文獻[8]規(guī)定，GSM-R系統(tǒng)的呼損率應不大于0.005，因此，通過查詢愛爾蘭B表，得到在呼損率為0.005的條件下，車站基站小區(qū)的語音業(yè)務話務量Ee所需的語音業(yè)務無線信道資源ZZQ[9]。

1.3 GPRS無線信道資源

目前，GPRS承載的主要業(yè)務的流量需求見表1。由于GPRS的實際速率只能達到理論速率的30%～40%，因此一個無線信道資源可提供的速率約2.5 kbit/s(按CS-1編碼速率估算)，下行業(yè)務需2個時隙，上行需4個時隙，因此，GPRS信道通常配置1個GPRS專用靜態(tài)信道，3個GPRS動態(tài)可用信道。由于GPRS動態(tài)信道與語音業(yè)務信道共享無線信道資源，因此按1個無線信道資源估算GPRS業(yè)務的信道資源需求。

表1 GPRS承載業(yè)務流量

綜上所述，覆蓋車站的基站小區(qū)無線信道資源需求為

W=X+ZZQ+1=

( 5 )

2 覆蓋區(qū)間的基站小區(qū)無線信道資源需求估算

2. 1 C3列控業(yè)務無線信道資源需求估算

圖1 GSM-R系統(tǒng)基站小區(qū)覆蓋示意圖

( 6 )

( 7 )

2. 2 語音業(yè)務無線信道資源估算

( 8 )

( 9 )

(10)

(2)其他語音通信話務量ERqj。按每公里R名維護人員估算，則ERqj可以表示為

ERqj=R×LBTS×λ0

(11)

因此，該高速鐵路線路區(qū)間的基站小區(qū)覆蓋范圍內的語音業(yè)務話務量Eeqj可由式(12) 估算。文獻[8]規(guī)定，GSM-R系統(tǒng)的呼損率應不大于0.005，因此，可以通過查詢愛爾蘭B表，得到在呼損率為0.005條件下，Eeqj所需的語音業(yè)務無線信道資源ZQJ[9]。

Eeqj=ERqj+Ecqj=

(12)

綜上所述，覆蓋高速鐵路線路站間區(qū)間的基站小區(qū)無線信道資源需求WQJ可采用式(13)估算。式(13)包含了GPRS業(yè)務的1個無線信道資源需求。

WQJ=XG+ZQJ+1=

(13)

3 車站基站小區(qū)頻率資源優(yōu)化配置應用案例

3.1 高速鐵路車站基站小區(qū)頻率資源配置

北京南站總計24個股道，3個到發(fā)場，其中京滬線普速場5股道(2條到發(fā)線、3個直通股道)、京津城際場7股道(到發(fā)線)、京滬高鐵場12股道(到發(fā)線)。京滬高鐵、京津城際采用C3列控系統(tǒng)，具備3 min跟蹤運行條件；京滬線普速場計劃改造為GSM-R系統(tǒng)。京津城際、京滬高鐵在北京南站采用CTCS-2級列控(以下簡稱“C2列控”)系統(tǒng)發(fā)車[14]；京津城際、京滬高鐵北京南站不執(zhí)行車機聯(lián)控，普速場執(zhí)行問路行車[12]。

(1)C3列控業(yè)務需求。北京南站總計有19條到發(fā)線采用C2列控系統(tǒng)發(fā)車,C3列控系統(tǒng)接車；考慮列車進站及司機退勤等操作時間需求，每列動車組以C3列控模式進站停穩(wěn)到退出C3列控模式，須10 min；極限情況下，19條到發(fā)線，僅進行接車作業(yè)，且所接列車均使用C3模式進站，10 min之內北京南站僅能接來自京津城際、京滬高鐵區(qū)間的8列動車組進站，在此情況下，覆蓋北京南站的基站小區(qū)需提供8個無線信道資源以滿足8列動車組的C3列控業(yè)務。

(2)車機聯(lián)控話務量需求。北京南站普速場總計有5股道的接發(fā)車進行車機聯(lián)控，因此，最多同時有5列車進行車機聯(lián)控，話務量為0.25 Erl。

(3)車上人員話務量需求。極限條件下，每列車在站區(qū)內均進行1次通話試驗操作；北京南站總計有24個股道，估算話務量為1.2 Erl。

(4)其他語音通信話務量需求。車站地面用戶、維護人員等業(yè)務需求。極限條件下，每個站臺均有1名移動用戶使用GSM-R系統(tǒng)，北京南站總計有21條到發(fā)線，估算話務量為1.05 Erl。

所得到的多元線性回歸模型的R2達到0.9990，這說明回歸模型的擬合優(yōu)度很高，可以初步判定模型具有一定的可靠性，但這只是一個較為模糊的判斷，需要從統(tǒng)計學方面進行進一步的檢驗分析，才能判斷模型的可靠性與適用性。因此，需對該模型進行顯著性檢驗，結果如表5所示。

由式( 5 )可知,覆蓋北京南站的基站小區(qū)需提供17個無線信道資源,即3載頻。

京滬高鐵開通之初，覆蓋北京南站的基站小區(qū)(BeiJingNan)配置了4個載頻，分別是1004、1002、1006和1000；其中1004為BCCH，其他均為TCH；每載頻可提供8個無線信道，分別記做時隙TS-x1至TS-x7(x=0,1,2,3；x=0代表1004載頻，x=1代表1002載頻，以此類推，下文相關內容與之同)，共計32個信道；其中TS-01、TS-02配置為公共邏輯信道，TS-37配置為GPRS專用信道(即GPRS靜態(tài)信道)，其余29個時隙資源，均可供C3級列控業(yè)務、語音呼叫及GPRS動態(tài)信道使用；配置TS-34、TS-35、TS-36等3個無線信道為GPRS動態(tài)信道[15]。

2017年12月，為解決與BeiJingNan相鄰的BJN-DCD01頻率資源不足的問題，將BeiJingNan的1000頻點調配給BJN-DCD01使用；BeiJingNan的載頻配置數縮減為3個(即1004、1002和1006)；TS-01、TS-02配置為公共邏輯信道；TS-27配置為GPRS靜態(tài)信道，TS-24、TS-25、TS-26等3個無線信道為GPRS動態(tài)信道可用信道。優(yōu)化方案實施后，經統(tǒng)計BeiJingNan的日峰值話務量僅為1.25 Erl(圖2)。話務統(tǒng)計結果顯示，該小區(qū)的信道資源分配類指標也沒有明顯變化，均符合標準。

圖2 三載頻配置下，BeiJingNan 2018年1月話務量統(tǒng)計

如果采用傳統(tǒng)估算方法，由于BeiJingNan的峰值話務量為1.5 Erl，在0.005呼損率條件下，僅需配置1載頻、提供6個無線業(yè)務信道即可。顯而易見，1載頻配置無法滿足10 min之內北京南站連續(xù)接入8列動車組進站的C3列控業(yè)務需求。這也證明了本文提出的基于鐵路運用場景的GSM-R系統(tǒng)無線信道資源估算方法能夠較好的對車站基站小區(qū)頻率資源進行配置原則，較傳統(tǒng)的話務量估算方法更加符合鐵路運用特點。

3.2 普速鐵路車站基站小區(qū)頻率資源優(yōu)化配置

京九線霸州站有10股道(含到發(fā)線3條)、2站臺；GSM-R系統(tǒng)采用單網覆蓋方式，提供車機聯(lián)控、調度命令、進路預告和無線車次號校核信息傳送等業(yè)務；執(zhí)行問路行車；無C3列控業(yè)務。

(1)車機聯(lián)控話務量估算。每列車到站、發(fā)車前，均需進行車機聯(lián)控。霸州站有3條到發(fā)線，發(fā)車時需執(zhí)行發(fā)車聯(lián)控；京九線為復線電氣化鐵路，因此霸州站可同時辦理直通列車的能力不大于2列；除去上述股道霸州站可供列車在站內停留的股道數為5，假設每列停留的列車均執(zhí)行1次車機聯(lián)控,因此該車站的車機聯(lián)控話務量估算為0.5 Erl。

(2)車上人員話務量估算。比較具有代表性的是列車長與機車乘務員間的通話試驗。極限條件下，每列車在站區(qū)內均進行1次通話試驗操作，每次試驗時間為3 min；霸州站總計有10股道，因此霸州站內的車上通話話務量估算為0.5 Erl。

(3)其他語音通信話務量估算。極限條件下，每個站臺均有1名移動用戶使用GSM-R系統(tǒng)，通話時間按3 min計算，霸州站總計有2站臺，極限情況下的話務量為0.1 Erl。

由式( 5 )可知，覆蓋霸州站的基站小區(qū)(BaZHou)僅需提供7個無線信道資源即可滿足業(yè)務需求,換算成載頻數，BaZHou配置1個載頻即可。

京九線GSM-R系統(tǒng)開通時，BaZHou配置為2載頻，配置了兩個公共邏輯信道，1個GPRS靜態(tài)信道和3個GPRS動態(tài)信道。經統(tǒng)計，BaZHou的日峰值話務量僅為0.2 Erl(圖3)。為了驗證本文的結論，2018年4月17日，將該基站小區(qū)設置為單載頻，話務統(tǒng)計顯示，BaZHou的日峰值話務量僅為0.14 Erl(圖4)，且相關資源分配類指標也沒有明顯變化，均符合標準。由于車站區(qū)域GSM-R用戶比較集中，考慮到一定的冗余性，普速鐵路車站按2載頻配置即可。

圖3 BaZHou 2018年3月10日至4月7日話務量統(tǒng)計

圖4 BaZHou 2018年4月18日至5月16日話務量統(tǒng)計

4 區(qū)間基站小區(qū)頻率資源優(yōu)化配置案例

4.1 高速鐵路區(qū)間基站小區(qū)(京滬高鐵)

京滬高鐵為雙線電氣化鐵路，采用C3列控系統(tǒng)；采用AT供電模式，Lpwrsply小于24 km，每個供電臂供電范圍內每股道的設計最大可運行動車組數量為2；GSM-R系統(tǒng)采用單網交織覆蓋方式，北京南站(K000+000)至廊坊(K60+401)區(qū)間的GSM-R基站小區(qū)最大間距為3.2 km，最小間距2 km。

統(tǒng)計結果顯示，2載頻配置條件下，BJN-LF14的月度峰值話務量僅0.12 Erl(圖5)。如果按照傳統(tǒng)的話務模型來估算，BJN-LF14僅需配置1載頻即可。但是，由式(13)可知，1載頻無法滿足極限條件下該區(qū)段京滬高鐵的信道資源需求。這也證明了本文提出的基于鐵路運用場景的GSM-R系統(tǒng)無線信道資源估算方法，能夠較好的對高速鐵路區(qū)間基站小區(qū)頻率資源進行優(yōu)化配置，較傳統(tǒng)的話務量估算方法，更加符合鐵路運用特點。

圖5 2018年3月10日至4月7日BJN-LF14話務量統(tǒng)計

4.2 普速鐵路區(qū)間基站小區(qū)(京九線)

京九線為雙線電氣化鐵路，站間區(qū)間2股道；GSM-R系統(tǒng)覆蓋方案采用普通單網，基站小區(qū)間距約5 km；信號系統(tǒng)采用四顯示自動閉塞信號系統(tǒng)，閉塞分區(qū)長度約為2 km。京九線王佐(K179+920)至肅寧(K187+555)由WangZuo、WZ-SN01和SuNing等基站小區(qū)覆蓋；其中WZ-SN01為區(qū)間基站，下面估算WZ-SN01的頻率資源配置。

(1)車機聯(lián)控話務量估算。按照基站間距與閉塞分區(qū)長度估算，每個基站的覆蓋范圍內，每股道最多有2列列車運行，即上下行總計不超過4列列車，按均需車機聯(lián)控，總計話務量為0.2 Erl。

(2)車上人員間語音話務量估算。每列計通話1次，總計車上人員的通信話務量為0.2 Erl。

(3)其他語音通信話務量估算。正常情況下，區(qū)間僅有工務、電務、供電等專業(yè)維護人員進行巡視，每專業(yè)按2人計算、共有6人，總計話務量為0.3 Erl。

利用式(13)可知,WZ-SN01需提供7個無線信道資源即可滿足業(yè)務需求，換算成載頻數，WZ-SN01應配置1個載頻。統(tǒng)計結果顯示，2載頻配置條件下，WZ-SN01的月度峰值話務量僅0.07 Erl(圖6)。為了驗證本文的結論，2018年4月17日，將該基站小區(qū)設置為單載頻，話務統(tǒng)計結果顯示，該小區(qū)的月度峰值話務量僅為0.06 Erl(圖7)，且該基站小區(qū)的相關資源分配類指標也沒有明顯變化，均符合標準。

圖6 2018年3月10日至4月7日WZ-SN01話務量統(tǒng)計

圖7 2018年4月18日至5月16日WZ-SN01話務量統(tǒng)計

5 結論

本文立足鐵路運輸需求及GSM-R系統(tǒng)技術特點，在繼承既有話務量模型估算方法優(yōu)點的基礎上，提出一種新型的基于鐵路運用場景的GSM-R系統(tǒng)無線信道資源估算方法，該方法能夠較好用于GSM-R基站小區(qū)頻率資源的優(yōu)化配置工作，較傳統(tǒng)的話務量估算方法，更加符合鐵路運用特點。該方法在京滬高鐵、京九線GSM-R系統(tǒng)的網絡優(yōu)化工作中得到了檢驗，結果良好；上述創(chuàng)新性成果，對GSM-R系統(tǒng)設計、調試和日常維護工作具有較好的理論和實踐指導意義。