特殊CTCS-3級區段GSM-R方案設計與優化

■ 劉立海 劉建宇

GSM-R網絡是我國鐵路綜合無線通信平臺，為鐵路提供無線、有線相統一的調度通信、區間無線通話等語音通信業務及調度命令無線傳送、無線車次號校核等通用分組無線服務業務（GPRS），為CTCS-3級列控系統（簡稱C3）提供電路域數據傳輸等業務。隨著我國鐵路建設的發展，GSM-R無線網絡已經呈現網狀格局，網絡化、區域化越來越明顯，形成了一些特殊的C3區段，如引入樞紐的C3線路、C3線路與非C3線路并行或共線、樞紐內開通C3的聯絡線、預留升級至C3的區段等。在這些特殊C3區段內GSM-R系統設計及實施存在一些問題。下面將對其中一些主要問題如覆蓋方案、干擾、頻率資源分配、接口監測、土建及配套預留等進行研究，提出解決方案與建議。

1 特殊C3區段GSM-R方案設計

1.1 特殊C3區段的形成

（1）新建C3線路引入既有大型車站和樞紐。新建鐵路與既有樞紐內各線路速度等級、列控方式可能不同。

（2）新建C3線路沿既有鐵路并行、或相近并行、或跨越、或岔行。

（3）低速C3線路，特別是曲線半徑小按C3方式運行的低速聯絡線。

（4）時速250 km的CTCS-2級列控（簡稱C2）線路升級至時速350 km的C3線路，或按C2標準開通、預留C3的線路。

（5）C3線路在既有C2線路上延伸。

將以上區段稱為特殊C3區段，這些區段有個共同特點，均需要建設GSM-R網絡并承載C3列控信息無線傳送業務。

1.2 GSM-R方案設計遇到的問題

1.2.1 覆蓋方案選擇困難

覆蓋方案是選擇加密基站實現單網交織，還是在原站址增加基站實現同址雙覆蓋，需要進行選擇。在特殊C3區段，通常存在既有的450 M Hz無線列調系統或非冗余覆蓋的GSM-R系統。由于受地形限制，如彎道、城區等地形因素，通過新建和增加基站方式難以實現冗余覆蓋。特

別是既有GSM-R站址位置和間距難以滿足冗余覆蓋的要求，可能需要遷改既有基站。

1.2.2 干擾及相互影響

在既有GSM-R網絡區段附近增建C3線路時，新增基站或直放站設備將面臨GSM-R網內干擾，即來自既有GSM-R網絡的干擾及相互干擾。聯絡線一般速度較低，冗余覆蓋容易造成基站過密或乒乓切換，頻繁地切換可導致無差錯傳輸指標[1]不能滿足要求，可能需要調整既有網絡。但由于是運營系統，既有鐵路的GSM-R網絡調整顯得非常困難。

1.2.3 頻率資源緊張

由于樞紐內各鐵路相互獨立運行，無線用戶較多，無線通信信道需求量大。樞紐內基站較多，載頻需求量大，很容易導致頻率資源緊張、頻率分配困難。

1.2.4 GSM-R接口監測系統數據采集范圍

按照目前的標準和規范要求[2-3]，C3區段需要配備GSM-R接口監測系統，通過監測Abis接口、A接口及PRI接口的信令和數據追蹤C3用戶，監測網絡質量，協助故障分析和定位。由于這些C3區段可能由歸屬于不同基站控制器（BSC）的基站覆蓋，而且這些BSC可能還接入其他非C3線路的基站。在A接口信令采集上，如果不采集所有A接口的信令時隙，則可能跟蹤不到用戶，如果采集所有A接口信令，則代價較大。如果Ab is接口監測范圍不夠全面，C3用戶提前呼叫時可能不能被跟蹤。

1.2.5 配套系統設計

由于C3區段的GSM-R網絡對傳輸要求較高，一般相鄰或同址的2個基站不能利用同一套傳輸設備，不能利用同路徑的光纜。在既有線增加基站時要考慮如何解決傳輸系統設置和既有基站的傳輸通道調整等問題。

如果鐵路建設方案是在C2標準基礎上升級或預留升級C3標準，要考慮新增基站所需的傳輸光纜過軌、光纜從橋梁上引下及隧道內設備安裝條件等問題。

特殊C3區段還存在列車調度通信地面系統、車載系統與信號接口系統配套及一致性問題，詳見文獻[5]。

2 特殊C3區段GSM-R方案設計優化

2.1 無線覆蓋方案

C3區段的無線覆蓋方案包括無線覆蓋冗余方式、站址及天線掛高選擇、設備連接、設備選型等，其方案還受既有基站設置、頻率資源分配、干擾容忍度等因素影響。

樞紐內的無線覆蓋規劃在文獻[4]中進行了詳細討論，提出無線覆蓋方案設計要聯合進行、統籌規劃、分批建設。《高速鐵路設計規范》和《鐵路客運專線通信技術裝備標準》均有C3區段無線覆蓋冗余的要求。但是低速C3線路是否需要執行這2個規范，值得商榷；若運營維護管理上有規定另當別論。另外，在樞紐內由于彎道和城區房屋阻擋，難以實現單網交織覆蓋，若采用同址雙基站覆蓋方式比較方便，而且采用后者還可以減少這些特殊地段的征地和電力配套，能有效地控制投資。

在低速C3區段或既有C2普通單網基礎上改建高速C3區段，推薦在原站址增加基站，形成雙覆蓋或雙網。特別是既有線升級方面，由于在2個既有基站間插入一個基站，基站間距可能較密，切換次數較多，采用同址雙覆蓋方案比較合適。但考慮主用、備用層及用戶監測跟蹤，有條件時，建議此區段的基站統一接入C3區段的BSC。若難以實現，應將主要服務C3用戶的基站設置為主用層，連接到C3區段的BSC。

對于沿既有線附近建設高速C3線路，有條件的還是可以盡量采用單網交織，以提高抗站址單點故障能力。

對于分叉和交越的情況，采用同址雙基站方式比較合適，此方案在京滬高鐵和滬寧城際高鐵相關區段運用較多。

無線覆蓋設備選擇方面，不一定要局限于宏基站和普通直放站模式，可以選擇分布式基站或數字直放站擴大小區，以克服頻繁的切換和普通模擬直放站由于時延差造成的多徑干擾。

此外，要控制好鐵塔高度，堅持“鐵塔應盡量低，高到滿足覆蓋即可”的原則，因為過高的天線容易與相鄰線路的GSM-R基站形成相互干擾。

2.2 干擾

網內干擾將是主要的干擾類型，干擾來源于多方面。由于GSM-R系統是一個蜂窩網絡，采用同頻復用提高頻率資源利用率，由此引入了同信道干擾（也稱同頻干擾）。由于樞紐內難以實現大的頻率復用間隔，容易造成較大的同信道干擾。鄰信道干擾（也稱鄰頻干擾）也影響通信質量。

通過聯合頻率規劃可以減小干擾，但不能完全避免。通過無線規劃覆蓋仿真可以模擬計算干擾，但不能反映干擾對C3數據傳輸的影響。實際中，通常將同信道干擾和鄰信道干擾要求按高于GSM規范要求的參考值進行設計，增加了覆蓋設計和頻率規劃的難度。如果要提高干擾要求指標，需要清楚這2個指標與最終通信質量之間的定量對應關系。這需要通過開展與實際環境和設備編解碼一致的蒙特卡羅仿真（信道仿真、GSM調制解調仿真、編解碼器仿真）進行性能估計，并通過實際測試驗證獲取定量對應關系。目前這方面還很少有較為權威的數據，難以給出定量結果。

干擾強度及影響需要在網絡優化階段通過測試數據來分析，特別是隨著GSM-R系統數量的增加，新建線路與既有線路的GSM-R網路之間很容易相互干擾，網絡優化需要有全網和面狀區域的概念，而不是局限于單條鐵路。頻率調整是網絡優化、干擾控制的一種途徑，網絡優化更重要的是需要調整天線的角度甚至高度。

2.3 頻率分配

在特殊C3區段，覆蓋方案、干擾控制與頻率資源有直接關系。通常頻點少，期望短時間內增加頻點數量非常困難，因此需要從頻率分配和信道利用率方面緩解矛盾。

首先，考慮C2線路區間，在一個基站下通常最多只有兩列車，用戶數量非常少，區間除了車次號業務和偶爾的調度命令傳送外，語音通話很少。因此建議在頻率緊張的區間將現有C2線路區間基站調整為單載頻配置，但載頻板應冗余配置。還可以考慮開通半速率業務來增加無線信道數量，從而緩解頻率資源緊張的局面。

其次，樞紐內小區盡量擴大覆蓋范圍，利用Trunking效應，匯聚話務量，提高單個小區內的信道利用率。擴大小區可以增大頻率復用因子，從而提高頻率利用率。

考慮利用GPRS進行列控信息傳輸，以解決C3通信對信道單獨占用。還可考慮利用公眾移動網絡提供非專用和非安全應用的語音和數據通信，降低鐵路GSM-R網絡的負荷。

2.4 接口監測

在特殊C3區段，部分需要利用既有C2線路基站解決覆蓋問題，需要注意接口監測系統的方案設計。如果方案選擇不當，容易造成C3用戶不能被跟蹤或用戶跟蹤丟失。下面通過一個簡單的例子說明。新建C3線路與一段既有C2線路并行，后增加的C3線路在原C2線路的基站A1—A4間增加基站B1—B4。分別接入不同BSC的方案（有來回跨BSC切換），見圖1（a）。由于C2區段一般沒有接口監測系統，為了防止用戶在C2線路基站發起呼叫無法跟蹤識別用戶，或用戶切換到C2線路基站下用戶跟蹤丟失，需要對這些C2線路的基站也進行接口監測。Ab is接口的監測數據采集還比較容易實現，增加相關的幾個基站Abis接口即可，但A接口監測數據采集比較麻煩，可能需要對BSC A下所有包含信令時隙的A接口進行監測，這樣代價較大，數據處理量很大。因此這些區段通常需要調整為圖1（b）的方案，該方案可避免接口監測用戶跟蹤數據丟失及頻繁的跨BSC切換。

當C3線路接入原設計為C2模式控車的車站，并且按C3模式進出站，或既有C2區段改為C3區段時，也存在此類問題。采用圖1（b）方案的前提是兩條線的基站屬于同一供應商的設備，否則直接改換基站連接BSC的方案不可行。這時有以下幾種方案：

（1）將幾個與C2線路有關的基站更換為與C3線路相同類型的基站；

（2）增加監測BSC A的A接口信令和相關Ab is接口；

（3）將此區段調整為同址雙網或同址雙覆蓋，盡量將C3線路的基站調整為主用層，僅監測BSC B下的基站；少量進入BSC A的用戶，通過PRI接口跟蹤，待用戶回到BSC B下后，通過時間戳或其他方式進行模糊查詢確定用戶。

2.5 預留C3條件下的傳輸、土建預留

由于建設成本及客流量等原因，部分線路可能在建設初期按最高速度250 km/h的C2線路開通，站前不易改造的基礎設施按預留350 km/h開通C3的方案設計。在此情況下，初期列車控制采用C2模式。對于通信系統，區間不用考慮GSM-R無線信號冗余覆蓋，可減少基站數量，節省建設和維護成本，減少對土地資源的占用，降低能耗。但是為了將來提速至350 km/h、升級到C3線路時通信系統及配套系統容易實施，減少廢棄工程，避免過多增加投資，有2種較為可行的方案。

方案一：按同址雙覆蓋或雙網規劃，初期按單覆蓋建設，將來按同址雙覆蓋增建。機房空間需要考慮預留增加至少1套基站、1傳輸設備的安裝空間，如將來需要安裝直放站，還要考慮近端機、遠端機的安裝空間，光纜可待后期使用時按分歧方式引入。隧道洞室附近預留過軌，橋梁預留鋸齒孔便于雙側光纜下橋，路基地段在基站處預留過軌，便于為雙基站構造不同物理路徑的光傳輸網絡。每區間站點配套電力預留約2 kW余量。

方案二：按單網交織覆蓋規劃，初期隔站建設，靠近車站區域以及隧道區域按交織方案建設基站、按單網方式實施直放站，直放站按具備升級為冗余直放站方案配置，將來按單網交織增加基站和直放站及鐵塔等。隧道設備洞室及過軌（含電力洞室如有）、橋梁引下、路基過軌條件全部按單網交織方式預留。僅預留外電總容量，電力貫通線容量按總容量考慮，中間站點包括征地、機房、鐵塔、設備、電力箱變等均不建設。

推薦使用方案二，但是投資較大。

3 建議

對特殊C3區段GSM-R設計方案和優化建議如下：

（1）覆蓋方面可采用同址雙覆蓋或交織覆蓋方案，同時采用多種覆蓋技術，如數字直放站、分布式基站（BBU和RRU）。預留C3線路可以考慮按單網交織規劃，分步實施。

（2）開展干擾計算分析、測試驗證工作，給出干擾和應用層通信質量關系的定量分析。開展通信、信號聯合設計優化，探究C3線路具體的通信質量要求指標，將應用的需求與無線質量之間關聯起來，優化GSM-R網絡載頻和頻率設置、干擾控制。

（3）核減區間基站載頻數量，開展半速率語音通信試驗。

（4）盡量采用GPRS傳送數據，提高信道利用率。加強GSM-R演進的研究，開通分組域列控數據傳輸試驗，根據分組數據傳輸特點，通信、信號重新聯合審核C3數據傳輸的質量指標要求。

[1] 科技運［2006］120號 GSM-R數字移動通信網技術體制（暫行）[S]

[2] 鐵建設［2009］209號 TB 10621—2009 J 971—2009，高速鐵路設計規范（試行）[S]

[3] 運基通信［2010］35號 鐵路客運專線通信技術裝備標準（試行）[S]

[4] 劉立海，胡曉紅，劉建宇，等. 樞紐GSM-R無線覆蓋方案設計與討論[J]. 中國鐵路，2009(12)：41-44

[5] 劉立海. GSM-R與無線列調共存區域列車無線通信方案研究[J]. 鐵路通信信號工程技術，2011，8(1)：28-32