鐵路并線區(qū)段GSM-R系統(tǒng)無線覆蓋方案探討

胡昌桂

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

目前，在我國鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)過程中，存在不同鐵路線路在地理位置上相隔很近、并行或相互交越的情況，例如正在建設(shè)的京滬高速鐵路與滬寧城際鐵路的江蘇、上海區(qū)段，昌九城際鐵路與既有京九鐵路的南昌、九江區(qū)段，合武鐵路湖北段與京九鐵路麻漢聯(lián)絡(luò)線區(qū)段等。在這些區(qū)段存在以下問題。

*由于鐵路線路地形比較復(fù)雜，線路并行間距或近或遠(yuǎn)，線路之間可能還有山體或樓體阻擋，造成GSM-R無線覆蓋困難。

*由于鐵路線路等級不同，有高速客運(yùn)專線、城際鐵路以及客貨混跑鐵路等，各條鐵路對GSM-R無線覆蓋和性能指標(biāo)要求也不同。

*由于中國鐵路GSM-R系統(tǒng)有限的頻率資源，使得在此類區(qū)域的無線小區(qū)規(guī)劃、頻率分配和切換設(shè)置成為難題。

因此，在這些鐵路區(qū)段進(jìn)行GSM-R系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，必須統(tǒng)籌考慮GSM-R系統(tǒng)的無線覆蓋建設(shè)方案。

1 并線區(qū)段覆蓋方案

1.1 并線區(qū)段定義

當(dāng)兩條或兩條以上的鐵路線路采用GSM-R網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線覆蓋時(shí)，在≥95%概率條件下，信號場強(qiáng)覆蓋值同時(shí)能達(dá)到《GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》場強(qiáng)覆蓋要求的鐵路區(qū)段，都可以當(dāng)作并線區(qū)段。

或者說當(dāng)兩條或兩條以上的鐵路線路采用GSM-R網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線覆蓋時(shí)，在一些區(qū)域無法避免相互干擾時(shí)，可以認(rèn)為這樣的鐵路在地理位置上屬于并線區(qū)段。

當(dāng)然，也可以根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和工程建設(shè)需要對并線區(qū)段采用量化手段進(jìn)行定義，比如當(dāng)兩條或兩條以上的鐵路在地理位置上相隔多大距離時(shí)就當(dāng)作并線區(qū)段處理。

1.2 設(shè)計(jì)原則

在GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及方案設(shè)計(jì)時(shí)，并線區(qū)段的鐵路等級可能是新建200～250 km/h、300～350 km/h客運(yùn)專線或既有長大干線。在采用同時(shí)能達(dá)到場強(qiáng)覆蓋要求的“并線區(qū)段”定義時(shí)，首先應(yīng)考慮不同線路運(yùn)營速度等級對基站間的最小距離、切換重疊區(qū)域及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量等方面有不同要求，原則上對于并線區(qū)段網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化應(yīng)“就高不就低”。

其次，不同鐵路線路在并線區(qū)域可能是線路平行、交叉或有的線路間距比較近、有的間距比較遠(yuǎn)等，這些區(qū)域的覆蓋可根據(jù)不同線路之間的間距和地理環(huán)境等因素采用相應(yīng)的解決方案。

1.3 覆蓋方案選擇

并線區(qū)段的完全平行區(qū)域，根據(jù)工程實(shí)際情況合理選取線路間距，優(yōu)先考慮共建基站。這種情況下，需要評估1個(gè)基站同時(shí)覆蓋多條線路的容量是否能滿足；其他并線區(qū)段可以考慮分別建基站以覆蓋各自線路，在這種情況下需要統(tǒng)籌進(jìn)行頻率規(guī)劃。并線區(qū)段采用單網(wǎng)交織冗余覆蓋方案，與單條線路的建設(shè)方案類似，這里不再討論。

根據(jù)“就高不就低”原則，只要在并線區(qū)段GSM-R網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和質(zhì)量滿足CTCS-3（以下簡稱C3）列控系統(tǒng)要求，則并線區(qū)段的鐵路等級無論哪種情況，都可參照C3線路等級的覆蓋方案。在GSM-R網(wǎng)絡(luò)承載C3列控系統(tǒng)時(shí)，其無線覆蓋必須采用冗余方式，在工程設(shè)計(jì)上有兩種覆蓋方案：單網(wǎng)交織冗余覆蓋和同址雙網(wǎng)覆蓋。

根據(jù)“地理環(huán)境不同”原則，在“就高不就低”的前提下，針對并線區(qū)段的完全平行區(qū)域，可采用單網(wǎng)交織冗余覆蓋方案；而在并線區(qū)段的三叉/十字交叉等特殊區(qū)域，采用同址雙網(wǎng)覆蓋方案。

2 典型區(qū)段解決方案

以在建的京滬高速鐵路和滬寧城際鐵路為例，在同為C3線路等級的情況下，某三叉型區(qū)段的解決方案：包括兩種覆蓋方案的場強(qiáng)仿真、C/I仿真、技術(shù)分析以及基站容量測算、頻率規(guī)劃等。

2.1 覆蓋方案仿真及分析

2.1.1 交織冗余覆蓋方案

采用單網(wǎng)交織冗余覆蓋方案時(shí)，滬寧城際鐵路與京滬高速鐵路在高資南站附近并線區(qū)段往寶華站方向分岔口的規(guī)劃基站和相應(yīng)的場強(qiáng)覆蓋，如圖1所示。通過仿真圖可以看出，場強(qiáng)覆蓋沒有問題。但在并線分叉點(diǎn)Cell1故障后，由于滬寧城際鐵路的Cell2與京滬高速鐵路的Cell3的主覆蓋區(qū)，必須向并線區(qū)段延伸至Cell1并指向Cell0方向。而在該區(qū)域無法通過網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化參數(shù)的調(diào)整讓車載終端選擇正確的切換小區(qū)Cell2或Cell3，從而根本無法實(shí)現(xiàn)車載臺在分岔口處的正確切換。

采用該覆蓋方案時(shí)，為了達(dá)到分岔區(qū)域交織冗余的場強(qiáng)電平要求，在頻率規(guī)劃時(shí)需考慮圖1中標(biāo)記的6個(gè)小區(qū)的同頻與鄰頻。如果每個(gè)小區(qū)配置兩個(gè)頻點(diǎn)，在只有19個(gè)頻率資源的前提下，鄰頻不可避免，可能導(dǎo)致該覆蓋區(qū)域的載干比下降。載干比仿真結(jié)果如圖2所示，存在滬寧城際線上有一段C/I低于18 dB。

2.1.2 同站址雙網(wǎng)覆蓋方案

采用同站址宏基站覆蓋方案時(shí)，在該區(qū)域京滬線上離交叉點(diǎn)最近的基站取消，而滬寧城際鐵路上接近交叉點(diǎn)的基站使用3副定向天線，分別對分岔點(diǎn)的3個(gè)方向進(jìn)行覆蓋，其場強(qiáng)覆蓋仿真如圖3所示。圖3中可以看出，兩條鐵路線的覆蓋電平均達(dá)到-75 dBm以上，可以滿足C3場強(qiáng)指標(biāo)要求。

該方案下的分岔區(qū)段主小區(qū)場強(qiáng)覆蓋仿真如圖4所示。圖4中可以看出，在分支線上的HN13基站與JH337基站十分明顯地成為了交叉區(qū)段各條線路上的主覆蓋小區(qū)，并且與交叉點(diǎn)共站址小區(qū)的重疊區(qū)也落在了相應(yīng)線路上，此方案可以保證車載臺出并線區(qū)域后的正確切換。

在同站址覆蓋方案中，滬寧城際鐵路HN13基站和京滬線JH337基站在宕機(jī)后的場強(qiáng)覆蓋仿真結(jié)果如圖5所示。圖5中可以看出，HN14基站場強(qiáng)值在-75 dBm以上，并與HN13基站和JH336基站形成連續(xù)覆蓋，保證了分岔口分支線段在一個(gè)基站故障情況下，仍能為各條線路提供良好覆蓋，從而與各條線路的下一個(gè)小區(qū)覆蓋形成重疊區(qū)，滿足切換需要。

同站址覆蓋方案C/I仿真結(jié)果如圖6所示，由于分支線小區(qū)覆蓋控制在較小范圍，頻率分配相對容易，均在25 dB以上。

2.1.3 仿真結(jié)論

通過對以上三叉型區(qū)段GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)基于電子地圖的仿真和技術(shù)分析可以得出：同站址雙網(wǎng)覆蓋解決方案，無論是在覆蓋、頻率規(guī)劃和C/I等各方面，均能符合C3列控系統(tǒng)對GSM-R系統(tǒng)的要求。

2.2 基站容量

京滬高速鐵路和滬寧城際鐵路同為C3線路等級，基站間距一般設(shè)置為3 km左右，并線區(qū)段按最小發(fā)車間隔時(shí)間、車速等來計(jì)算1個(gè)小區(qū)內(nèi)列控、語音等話務(wù)量。

首先計(jì)算每個(gè)基站覆蓋區(qū)域內(nèi)的列車數(shù)，采用如下公式：

其中，n為并行路軌數(shù)量；

Ltrack為覆蓋軌道長度；

Speedtrack為該段路軌列車速度范圍；

Ttrain為相鄰兩輛列車時(shí)間間隔。

根據(jù)公式計(jì)算出并線區(qū)段每基站的列車數(shù)約為4列，其話務(wù)量計(jì)算如下：

列車語音話務(wù)量：15 mE×8×4=480 mE

其他語音話務(wù)量：

20 mE×3人/km×3 km=180 mE

語音組呼話務(wù)量：

50 mE×3人/km×3 km÷3=150 mE

總語音業(yè)務(wù)量：

480 mE+180 mE+150 mE=810 mE

語音業(yè)務(wù)需要的TCH數(shù):

0.81E @ 0.5% blocking = 5TCH

CTCS-3業(yè)務(wù)：4×1 TCH=4 TCH

對TCH總需求：

5 TCH+4 TCH+2 TCH（GPRS）+1（BCCH）+1（SDCCH）=13 TCH =2 TRX

因此，可以得出并線區(qū)間兩線共用基站的容量為2 TRX；另外，可以考慮1個(gè)載頻單元的備份，由于在有限的無線頻率資源限制下，還需確保一定的頻率復(fù)用距離，來滿足CTCS-3對GSM-R服務(wù)質(zhì)量的要求，并線區(qū)段基站載頻配置可以為O（2＋ 1）。

2.3 頻率規(guī)劃

京滬高速鐵路和滬寧城際鐵路的GSM-R網(wǎng)絡(luò)均支持CTCS-3列控系統(tǒng)，它對GSM-R服務(wù)質(zhì)量提出了極高要求。GSM-R網(wǎng)絡(luò)在承載CTCS-3列控系統(tǒng)時(shí)，其C/I值比普通語音通信有更高要求，必須保證C/I至少在20 dB左右，需要至少1×6的頻率復(fù)用，其頻率分配可以采用表1。

表1 頻率復(fù)用表

根據(jù)1×6頻組復(fù)用原則，滬寧城際鐵路和京滬高速鐵路在高資南站附近并線區(qū)段往寶華站方向分岔口的頻率規(guī)劃，如圖7所示。由于使用同站址覆蓋方案，分支線上的第一個(gè)小區(qū)往交叉點(diǎn)方向只需提供交叉點(diǎn)小區(qū)的切換重疊區(qū)即可，對交叉區(qū)域的頻率規(guī)劃提供相對寬松的環(huán)境，從而獲得良好的覆蓋及載干比，模擬結(jié)果可以看出C/I值在25 dB以上。

3 結(jié)論

通過對滬寧城際鐵路與京滬高速鐵路在并線區(qū)段某三叉型區(qū)域GSM-R系統(tǒng)的無線覆蓋、C/I、頻率規(guī)劃的仿真和理論分析，GSM-R單網(wǎng)交織冗余覆蓋和同址雙網(wǎng)覆蓋方案能夠較好地解決并線覆蓋問題。

當(dāng)然，隨著技術(shù)的發(fā)展和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，將會出現(xiàn)更好的解決方案。在這些并線區(qū)段GSM-R網(wǎng)絡(luò)還存在一些問題需要進(jìn)一步研究和探討，比如在交叉地段的跨BSC切換、基于位置尋址等業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)。

[1] 鐘章隊(duì)．鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）應(yīng)用基礎(chǔ)理論[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[2] 鐵建設(shè)[2007]92號 GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)暫行規(guī)定 [S]．北京：中國鐵道出版社，2007.