山區鐵路GSM-R交織單網冗余覆蓋設計

■ 熊潔 段永奇 賀琦 吳溪橋

我國山區鐵路多處于崇山峻嶺中，大量隧道群連續出現，地形復雜，使無線電波的傳播情況更為復雜多變。在復雜的地形條件下采用GSM-R交織單網覆蓋方案，實現網絡的高性能和高可靠性是GSM-R網絡無線覆蓋設計面臨的難題和巨大挑戰。

1 設計難點

相比平原地區，山區鐵路GSM-R交織單網覆蓋面臨的主要困難有：

（1）無線覆蓋設計要根據不同的地形，尤其是各種不同長度的隧道及橋梁，制定不同的解決方案。

（2）在交織單網冗余覆蓋時，基站間距短，每個直放站遠端機需同時接入相鄰兩個基站的信號，這種方案在提供冗余覆蓋的同時增加特定地段的電磁環境復雜程度。特別是在山區樞紐地區，由于引入線路多，地形狹窄，基站信號被多重引入，大大加劇電磁干擾的程度。

（3）隧道群的非規則分布將需要無線信號連續覆蓋的地域也劃分成了非規則分布的獨立區域，在設計的時候需要將這些區域用各種解決方案貫通起來，保證無線信號冗余覆蓋的連續、一致和系統性。進行覆蓋方案設計時，既要考慮單獨個體的冗余覆蓋，也要對單獨個體之間的連續和一致性銜接進行綜合考慮，同時滿足各種網絡指標。這種非規則性的獨立區域劃分導致通常制定的短隧道、長隧道、隧道群等單獨的覆蓋方案很難作為一種通用的解決方案，而只能作為一種原則上的指導。

（4）在山區鐵路中，為保證冗余覆蓋，需大量使用光纖直放站。時延、噪聲影響，以及CTCS-3級列控系統對GSM-R的服務質量（QoS）指標要求均對基站和直放站的配置位置提出眾多限制，這些限制增加了山區鐵路交織單網冗余覆蓋設計的難度。

（5）山區鐵路地形復雜會導致基站和直放站布置的不規則和不對稱。同時，在小區重選和切換區的選擇過程中需要同時考慮正常模式和單點故障2種情況，這些因素加重了小區重選和切換區選擇的難度。

（6）山區鐵路大多處于崇山峻嶺中，橋隧比例很高，很多區域的橋隧相連和惡劣地形會給基站和直放站站址的選擇帶來較大困難；而冗余覆蓋的各種限制條件又導致基站和直放站站址的選擇有很大局限性，這給山區鐵路冗余覆蓋方案的設計加大了難度。

2 設計原則

基于山區鐵路交織單網冗余覆蓋方案的設計難度，只有正確把握設計原則才能制定全面和優化的覆蓋方案。針對山區鐵路，對交織單網冗余覆蓋方案的設計提出一些建議和解決思路，但使用時，應根據實際情況靈活應用。

2.1 技術指標對無線設備設置的影響

（1）因交織冗余覆蓋方案的需要，基站與第1個直放站一般需采用空間波覆蓋方案，對直放站多徑時延差要求為：載干比C/I不大于12 d B時，時延差不大于15μs。基站與所帶的第一個直放站一般間距為1.5 km，特殊情況下不大于2 km。

（2）由于直放站噪聲和引入的外部噪聲會增加基站的底噪，降低基站接收靈敏度，故在隧道覆蓋時直放站接入基站的配置宜按兩頭小、中間大配置，即當直放站均在隧道內時，由于電磁環境好，直放站遠端機引入的外部環境噪聲小，同時基站和直放站均無天線覆蓋，基站底噪的抬升對上行覆蓋的影響較小，此時基站所帶的主備遠端機最大可按16個考慮；而當直放站在隧道口或隧道外，或直放站帶有天線時，引入的外部噪聲較大，同時基站底噪的抬升也大大減小了天線在開闊地區的覆蓋范圍，此時，基站所帶主備遠端機最大不超過8個。

（3）山區鐵路長大隧道多，為避免隧道內潮濕、灰塵、強電磁干擾、非安全性因素的影響，可考慮將隧道內的基站設備集中放置于隧道外基站機房內，用光纖直放站拉遠進行隧道內覆蓋，同時基于交織單網的需要將偶數基站和奇數基站分開放置。需注意GSM-R系統時間提前量為0～233μs，按光纜信號傳輸速率為4.8μs/km計算，最遠光纖直放站遠端機理論距離為233μs/（2×4.8μs/km）=24 km，考慮其他延時，建議近端機和遠端機之間的光纜最大長度為20 km。同時，還需考慮直放站系統本身能容忍的光鏈路衰減程度，這需要根據不同廠家的直放站參數來計算。

2.2 基站間距和切換區的選擇

（1）考慮C3系統無差錯傳輸間隔應不小于20 s的要求以及切換時間和信號飄移的影響，以350 km/h計算，基站間距應大于2.5 km。

（2）車站附近是調度通話和通用分組無線服務業務（GPRS）數據傳輸的高頻地段，為保障通話質量和數據傳輸的可靠性，在車站附近不宜設置切換區，切換區宜選在出站2 km以外區域。

（3）切換區可選在開闊區間或隧道內時，宜選在隧道內切換。以350 km/h計算，切換區域長度為800 m，由于進出車站地區車速降低，可適當縮短。規劃切換區域范圍時，需考慮由于冗余覆蓋的存在，正常工作模式下兩個基站之間的區域實際均為重疊覆蓋區域，故更需考慮在單點故障時切換區的設計和規劃。

2.3 泄漏電纜覆蓋設計

（1）兩隧道間距較短時宜用漏纜貫通覆蓋，間距較大時宜用天線覆蓋，具體根據工程情況靈活應用。

（2）山區鐵路隧道群多，隧道間常采用漏纜貫通覆蓋，直放站分布的不規則性較強，相鄰直放站間距很難按業界公認的1 km來布設，因此，掌握冗余覆蓋條件下相鄰直放站漏纜連接最大間距在工程設計時具有重要意義。隧道覆蓋采用漏纜時，直放站輸出信號中主用基站信號比備用基站信號高6 dB左右，因此連接漏纜兩側相鄰直放站的距離主要考慮備用基站信號的直放站輸出功率。其中直放站輸出功率為33 dBm（2 W）-6 dBm=27 dBm，漏纜指標按鐵道部行業標準TB/T 3201—2008規定：傳輸損耗2.2 d B/100 m，耦合損耗（95％，2 m）69 d B，遠端機的跳線加接頭損耗3 d B。表1為漏纜覆蓋預算計算表，根據計算結果，連接漏纜時相鄰直放站的距離可達1.4 km。

（3）由于交織單網組網的需要，一般在隧道兩邊各設置一個直放站，隧道采用泄漏同軸電纜覆蓋，此時需關注直放站隔離度的指標要求。如為滿足直放站設備20 d B隔離度的要求，遠端機兩端的跳線加接頭的損耗為3 dB×2=6 d B，工程余量3 d B，傳輸損耗為2.2 d B/100 m，則漏纜長度為（20-6+3）/0.022=773 m，即當兩側相鄰直放站之間連接漏泄長度小于800 m時，兩側直放站均需要設置衰減器，衰減器規格根據連接漏泄的長度和指標來確定。

3 設計思路

（1）進行覆蓋組網設計時，由于需要考慮的因素和要求太多，往往顧此失彼，設計時應根據這些要求的主次和輕重理出主線抓住重點，優化設計。

（2）交織單網GSM-R網絡最根本的是要保障正常模式下GSM-R網絡的性能要求。建議首先保障正常模式下GSM-R網絡性能（覆蓋、Qo S指標等）的要求，然后制定單點故障時的覆蓋冗余方案以提供基本的冗余保障，最后再對冗余覆蓋方案進行優化。

（3）在山區樞紐地區需加強對干擾和多路徑信號時延的考慮和控制，采取特定覆蓋設計方案、優化頻率設置，盡量避免干擾。

表1 泄漏電纜覆蓋預算計算表

4 結束語

針對山區高速鐵路，探討GSM-R交織單網冗余覆蓋方案的設計難點和設計原則，并提出一些解決思路，這些分析和討論對工程設計和實施具有一定參考作用，但在具體工程實施中，還需針對實際情況靈活應用。

[1] 胡曉紅. 武廣客專GSM-R 系統無線覆蓋方案優化設計[C]//2010鐵路通信、信號、信息系統工程設計年會論文集，2010

[2] 劉立海，劉建宇. 交織單網GSM-R 網絡覆蓋方案分析與討論[C]//2008鐵路通信、信號、信息系統工程設計論文集，2008

[3] 孫儒石. GSM數字移動通信工程[M]. 北京：人民郵電出版社，1998