山區(qū)GSM-R系統(tǒng)中場(chǎng)強(qiáng)覆蓋的探討

吳浠橋,胡 華

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司通號(hào)院,成都 610031)

1 概述

GSM-R是在GSM蜂窩系統(tǒng)上增加了調(diào)度通信功能和適合高速環(huán)境下使用要素的系統(tǒng),能滿足國(guó)際鐵路聯(lián)盟提出的鐵路專(zhuān)用調(diào)度通信的要求。

自21世紀(jì)以來(lái),我國(guó)鐵路客運(yùn)專(zhuān)線GSM-R系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)入實(shí)施階段。武廣鐵路客運(yùn)專(zhuān)線是當(dāng)今世界鐵路上即將開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的線路里程最長(zhǎng)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)最高、投資規(guī)模最大、地質(zhì)條件最復(fù)雜、環(huán)境保護(hù)要求高的鐵路。其GSM-R工程是采用深度冗余交織的GSM-R網(wǎng)絡(luò),同時(shí)由于其承載列控信號(hào),又是高速鐵路條件下運(yùn)行,多普勒效應(yīng)和電磁干擾都會(huì)對(duì)列控信號(hào)傳輸造成巨大的負(fù)面影響,因此,為保證列控系統(tǒng)和鐵路的正常運(yùn)營(yíng),要求無(wú)線信號(hào)要始終保持高質(zhì)量和穩(wěn)定,即便在單點(diǎn)故障的情況下,GSM-R網(wǎng)絡(luò)也要能夠提供可靠的服務(wù),確保列車(chē)正常運(yùn)行。

同時(shí)由于武廣鐵路客運(yùn)專(zhuān)線部分鐵路處于崇山峻嶺中,無(wú)線電波在山區(qū)中的傳播情況更為復(fù)雜,所以,GSM-R系統(tǒng)在山區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋更值得研究。

筆者針對(duì)武廣鐵路客運(yùn)專(zhuān)線的不同地質(zhì)情況下,結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)和工程造價(jià)對(duì)GSM-R系統(tǒng)的覆蓋進(jìn)行探討。

2 不同地質(zhì)情況的覆蓋

(1)長(zhǎng)大明區(qū)間

武廣鐵路客運(yùn)專(zhuān)線DK2 097+000至清遠(yuǎn)站區(qū)間的線路處于長(zhǎng)大明區(qū)間。

由于此區(qū)間地勢(shì)比較平坦,可以采用Okumura-Hata模型的郊區(qū)地形模型。GSM-R的頻率為930 MHz,基站天線高度為25 m,移動(dòng)臺(tái)高度為4 m。其路徑損耗參見(jiàn)圖1，計(jì)算公式如下。

Lb城=69.55+26.16×lgf-13.82×lghb-

a(hm)+(44.9-6.55×lghb)×lgd-

(2×(lg(f/28))2+5.4)

當(dāng)路徑損耗為120 dBm時(shí),可以得出基站覆蓋半徑為4 km,同時(shí)，由于武廣鐵路客運(yùn)專(zhuān)線時(shí)速為350 km,切換距離約為1 km,所以?xún)蓚€(gè)基站間距離可以為6～7 km；但是考慮單點(diǎn)故障的情況下,當(dāng)3個(gè)連續(xù)基站的中間基站出故障時(shí),故障基站兩邊的基站就需覆蓋至故障基站且進(jìn)行切換,所以?xún)蓚€(gè)相鄰基站的間距為2～3 km。明區(qū)間基站覆蓋方式見(jiàn)圖2。

圖2 明區(qū)間基站覆蓋方式

探討方案：采用基站加直放站方式覆蓋。

假如采用基站加直放站方式,那么需考慮基站與直放站的時(shí)延問(wèn)題。

光纖直放站存在另一個(gè)重要的時(shí)延限制,即多徑時(shí)延限制。當(dāng)基站信號(hào)切換到直放站信號(hào)或同一小區(qū)的兩個(gè)直放站之間切換時(shí),要求兩路信號(hào)C/R值不大于9 dB時(shí),時(shí)延差不應(yīng)大于15 μs。在長(zhǎng)大明區(qū)間,考慮單點(diǎn)故障后,基站和直放站均采用全向電波覆蓋。根據(jù)時(shí)延計(jì)算,基站與直放站的間距不大于2 km,才能滿足時(shí)延要求。

圖3就是在明區(qū)間采用基站加直放站方式解決明區(qū)間覆蓋的方案,此方案和用基站覆蓋方案相比：(1)增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度；(2)增加了工程造價(jià),因?yàn)槎嗔?個(gè)直放站遠(yuǎn)端機(jī)、2個(gè)直放站近端機(jī)、1個(gè)鐵塔及基站至遠(yuǎn)端機(jī)的光纜；(3)工程實(shí)施上也更為復(fù)雜,含立鐵塔和敷設(shè)短段光纜；(4)系統(tǒng)調(diào)測(cè)更為復(fù)雜,需要對(duì)直放站進(jìn)行調(diào)測(cè)。

圖3 基站加直放站方式

所以,在明區(qū)間采用基站方式解決覆蓋問(wèn)題更顯優(yōu)勢(shì)。

(2)短隧道

武廣鐵路上的龍黃洞隧道,隧道長(zhǎng)472 m。

按照一般GSM-R系統(tǒng)的覆蓋,隧道覆蓋方案解決如圖4所示。

但是,武廣GSM-R系統(tǒng)是采用單網(wǎng)交織冗余覆蓋,需要考慮單點(diǎn)故障的情況下,GSM-R系統(tǒng)的覆蓋。在圖4中,假如光纖直放站出現(xiàn)問(wèn)題,那么隧道里面就會(huì)出現(xiàn)弱場(chǎng)區(qū),就會(huì)影響武廣鐵路客運(yùn)專(zhuān)線的列控信息傳送,可能導(dǎo)致列車(chē)事故。所以武廣鐵路客運(yùn)專(zhuān)線采用圖5的解決方案,這樣,即使在任何一個(gè)洞口的直放站出現(xiàn)問(wèn)題,另一個(gè)隧道口的直放站的信號(hào)也會(huì)對(duì)隧道進(jìn)行覆蓋。

圖4 短隧道一般解決方案

圖5 單網(wǎng)交織系統(tǒng)解決方案

探討方案：采用基站或直放站加天線方式覆蓋隧道。

采用定向天線或泄露電纜覆蓋均可達(dá)到1 km處信號(hào)強(qiáng)度大于-65 dBm覆蓋效果,泄漏電纜覆蓋強(qiáng)度稍低。但由于隧道中高低起伏,蜿蜒曲折,實(shí)際效果泄露電纜覆蓋會(huì)更加均勻。同時(shí)由于武廣鐵路客運(yùn)專(zhuān)線設(shè)計(jì)時(shí)速為350 km,所以列車(chē)通過(guò)隧道時(shí),產(chǎn)生的風(fēng)壓很大,假如采用壁掛式天線,天線的受力面積比漏泄同軸電纜大得多,所以天線容易被損壞,影響隧道內(nèi)通話。

所以,在隧道內(nèi)采用漏纜覆蓋比天線方式更佳。

(3)長(zhǎng)大隧道

在長(zhǎng)大隧道中,一般采用直放站加漏泄同軸電纜方式解決,一般GSM-R系統(tǒng)中,一個(gè)直放站一端帶1 km的漏纜,如表1所示,所以?xún)蓚€(gè)直放站間距2 km。

表1 漏纜覆蓋參數(shù)

但由于武廣鐵路客運(yùn)專(zhuān)線采用單網(wǎng)交織的GSM-R系統(tǒng),所以在考慮單點(diǎn)故障的情況下,覆蓋和切換要滿足要求,武廣鐵路客運(yùn)專(zhuān)線隧道中兩個(gè)直放站間距為1 km,且漏纜不斷開(kāi),這樣既滿足場(chǎng)強(qiáng)覆蓋要求,同時(shí)也能滿足切換要求,如圖6所示。

圖6 長(zhǎng)大隧道的單網(wǎng)交織系統(tǒng)解決方案

(4)隧道群

對(duì)于隧道群,可以看作是一個(gè)或多個(gè)長(zhǎng)隧道。

對(duì)于武廣鐵路客運(yùn)專(zhuān)線,采用GSM-R單網(wǎng)交織系統(tǒng),當(dāng)隧道口直放站出現(xiàn)故障后,需考慮隧道外基站

與隧道內(nèi)直放站之間時(shí)延問(wèn)題。

假設(shè)隧道口直放站故障,隧道口直放站帶漏纜長(zhǎng)度為D1。隧道外基站離洞口D2。則當(dāng)信號(hào)在隧道口時(shí)時(shí)延為

BTS空間波信號(hào)到達(dá)隧道口的時(shí)延為

Ta=D2×3.333 μs

BTS射頻信號(hào)經(jīng)光纖直放站、光纖和漏纜到達(dá)隧道口的時(shí)延

Tb=Dr+Df+D1×3.79 μs

其中：Df=D×5 μsD=D1+D2

Dr為光纖直放站近端機(jī)和遠(yuǎn)端機(jī)總時(shí)延,取值1 μs。

時(shí)延要求：Tb-Ta=1+(D1+D2)×5+D1×3.79-D2×3.333≤15 μs

同時(shí)直放站之間的漏纜長(zhǎng)度一般為1 km,所以可以得出,D2最大值為3.11 km。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著客運(yùn)專(zhuān)線和200 km/h以上的客貨線的建設(shè),GSM-R網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的使用將會(huì)越來(lái)越多。武廣鐵路客運(yùn)專(zhuān)線作為我國(guó)第一條山區(qū)客運(yùn)專(zhuān)線鐵路,GSM-R系統(tǒng)的成功應(yīng)用，為以后的GSM-R系統(tǒng)的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),同時(shí)合理設(shè)置基站及弱場(chǎng)區(qū)設(shè)備,不僅能保證通信的暢通,而且可以為國(guó)家節(jié)約大量的人力物力。

[1] 張 威.GSM網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化-原理與工程[M].北京：人民郵電出版社,2003．

[2] 吳浠橋，等.GSM-R系統(tǒng)的無(wú)線覆蓋理論分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2007(12)．

[3] 孫儒石，等.GSM數(shù)字移動(dòng)通信工程[M].北京：人民郵電出版社,1998.