高速鐵路樞紐區段GSM-R系統解決方案

■ 劉盛堯 孫傳斌

1 概述

目前CTCS-3級（簡稱C3）鐵路GSM-R基站子系統主要采用單網交織覆蓋方案，隨著我國高速鐵路的建設，GSM-R全國性網絡逐漸形成，無線通信場景也變得越來越復雜，因此，對GSM-R網絡規劃設計提出了更高的要求。

C3鐵路的GSM-R網絡不僅需要保證正常情形下的場強覆蓋及服務質量，而且需保證傳輸無差錯時間（傳輸恢復時間）大于20 s，尤其是樞紐、大型車站及編組站等特殊區段，由于業務多、話務量大，一直是方案設計、頻率規劃中的難點。

2 樞紐區段解決方案

目前高速鐵路樞紐地區有C3，C2線路、既有普速線路等交匯。這些線路共同的特點是線路岔口多，因此，線路岔口的組網方案一直困擾著工程設計技術人員。下面以長春樞紐為例，分析不同組網方案的應用。

2.1 傳統單網交織方案

長春樞紐地區匯聚哈大高速鐵路、長吉城際、長白城際、哈大既有線、長白既有線、長吉既有線等，無線通信場景十分復雜。C3鐵路采用傳統的單網交織覆蓋，在正線區段通過深度交織冗余覆蓋來保證場強覆蓋及服務質量，但在分岔區域卻有以下問題：

（1）頻率規劃。在楊家粉坊附近的三岔區域內涉及到3個方向上的6個小區，在這6個小區中配置的頻率不能同頻/鄰頻，其中長春西、長春站由于業務需求分別需采用O 4和O 3站型，其余區間基站按O 2型考慮，在該區段的同頻/鄰頻干擾將十分嚴重，各小區無法實現正常的頻率分配（見圖1）。

（2）小區切換。正常情況下在三岔區域內至少有6個基站信號，這些信號的強弱難以控制，容易造成乒乓切換，對列控數據業務20 s傳輸無差錯時間影響較大，給后期網絡優化帶來極大的難度。

因此，在分岔區域采用傳統的單網交織方案難以滿足場強覆蓋及服務質量要求。

2.2 同址雙網覆蓋方案

C3鐵路的正線區段采用傳統的單網交織覆蓋，在楊家粉坊附近的三岔區域中間位置設置一處基站，采用同址雙網方式。為保障安全性，同址雙網方式的傳輸等配套設施均按2套考慮，且2套基站組環時須在不同的基站環上。采用該方案有如下特點：

（1）頻率規劃。同址雙網方式采用全向站型定向天線覆蓋，減少該區域的頻率需求，能實現正常的頻率分配。

傳統的基準電壓通過帶隙基準電路產生，即一個正溫度系數的電壓和一個負溫度系數的電壓相互補償得到。負溫度系數電壓通常由一個雙極型晶體管基極發射極電壓得到，而正溫度系數電壓則由兩個雙極型晶體管基極發射極電壓差得到[3]。文獻[4]基于傳統帶隙基準電路，采用亞閾值設計方法，設計了一款溫漂系數僅為14.8 ppm/℃，功耗為68 nW的電壓源，但是該電路包含三極管和電阻，工藝兼容性較差，面積較大。文獻[5]取消了電阻，大大降低了版圖面積，但是依然具有三極管，工藝兼容性較差。文獻[6-9]是利用亞閾值MOS管的特性設計的全CMOS基準電壓源電路，功耗在百nW級。

（2）小區切換。將三角區域設置在1個小區內，延伸了基站覆蓋范圍，避免了乒乓切換，減少了切換次數，拉大了2次切換時間間隔，更易滿足20 s傳輸無差錯時間的要求。

（3）覆蓋距離。通過采用高增益天線、調整站距、適當增加天線掛高等手段，保證同址雙網的基站與相鄰基站的深度交織冗余覆蓋。

目前，該方案在武廣、京滬高速鐵路等C3線路上得到應用。

2.3 分布式基站覆蓋方案

2.3.1 分布式基站簡介

分布式基站概念來自于3G通信，采用模塊化設計，將控制和射頻分離，并通過光纖資源將射頻部分拉遠，從而擴大基站覆蓋范圍。分布式基站基于分布式安裝的理念，與傳統基站的區別見圖2。

分布式基站的特點：（1）支持射頻拉遠模塊（RRU）共小區，提升網絡性能。分布式基站支持多RRU共小區技術，擴大小區覆蓋距離，降低小區切換次數。由于小區頻率復用距離增加，提升了鐵路頻率資源的利用率。（2）基帶處理單元（BBU）備份容災技術。BBU支持主備用配置，即一組RRU分別連接到主、備兩個BBU。（3）靈活組網。分布式基站支持共站址雙網備份+共小區組網、BBU備份+RRU共小區組網，以及與傳統宏基站混合環形組網方式，具備斷環自動倒換能力，大大增強了系統的可靠性。（4）覆蓋能力強。靜態接收靈敏度可達-113 dBm；RRU提供30 W的機頂功率，可達到和宏基站一樣的覆蓋效果。（5）安裝方便。BBU僅2U高，可內嵌安裝于別的機柜內，RRU質量輕，僅17 kg，無需敷設粗重的饋線，可方便地進行塔頂、掛墻等安裝。

2.3.2 干擾分析

同頻干擾產生的條件（需同時滿足）：（1）鄰近站同頻覆蓋交疊區域信號電平差小于9 dB（工程中加3 dB后為12 d B ）；（2）鄰近站同頻覆蓋交疊區域信號時差超過15 μs（復雜電磁環境時為10 μs）。

如圖3所示，區域一用戶處于2個RRU之間，由于2個RRU同步發射，在區域一任何點，用戶接收信號的時延都小于10 μs，因此不會產生干擾； 區域二用戶由于位于RRU一端，接收信號的時延大于10 μs，但此時用戶接收到RRU1信號與RRU2信號差大于12 dB，不會產生干擾。

如圖4所示，在區域一任何點，用戶接收信號的時延都小于10 μs，因此不會產生干擾；區域二和區域三用戶接收信號的時延大于10 μs，但是用戶接收到RRU1和RRU3的信號電平差大于12 dB，因此也不會產生干擾。

2.3.3 解決方案

基于上述特點，分布式基站尤其適用于并線、樞紐區段。由于C3線路對GSM-R網絡安全級別要求較高，分布式基站組應冗余覆蓋組網，可采用BBU冗余備份和A/B網組網方式。

（1）BBU冗余備份組網。如圖5所示，異地設置雙套BBU（主、備用），由基站控制器（BSC）控制BBU間的切換；RRU通過不同光纖連接到主、備用BBU，RRU之間采用單網交織覆蓋。主、備用BBU倒換的條件：RRU到BSC的鏈路出現故障并且備用BBU的所有通用公共無線接口（CPRI）的端口均正常時；主用BBU故障通知BSC，或BSC檢測Abis鏈路故障，BSC通知備用BBU接管RRU；滿足倒換條件的主用BBU應該停止控制RRU；基站下所有RRU同時只由一個BBU控制；倒換后不主動恢復，以防止頻繁倒換。

該方案的特點：采用共小區技術擴大了覆蓋區域，減少了小區切換次數；由于覆蓋區域擴大，減少該區域內的頻率需求，并且頻率復用距離增加，方便頻率規劃；RRU之間采用深度交織冗余覆蓋，即使某一處RRU設備宕機也可很好地保證覆蓋距離。

（2）分布式基站A/B網組網。異地設置2套BBU設備（BBU 1和BBU 2），每處站址設置2套RRU（RRU1，RRU2）（見圖6）。3處RRU1均連接至BBU1，設置共小區，形成A層無線網；3處RRU2均連接至BBU2，設置共小區，形成B層無線網。正常工作時，A，B網同時開啟，當A網話務溢出或A網某個節點RRU故障時，B網可承載業務，當A網BBU故障時，B網獨立承載業務。

該方案有如下特點：保證覆蓋冗余，將切換點向各分支方向進一步延伸，且切換位置固定；減少覆蓋區域內的頻率需求，并且頻率復用距離增加，方便頻率規劃；相比宏基站同址雙網覆蓋區域更大，可以很好地保證GSM-R網絡覆蓋深度交織冗余。

2.4 其他等級與C3轉換區域方案

長春站為C3鐵路與C2鐵路的分界點。根據C3列控系統的GSM-R網絡需求，轉換區域主要操作所需時間約為80 s。假設轉換區段列車運行允許最高時速為200 km，則該轉換區的距離約為4.44 km，即C3鐵路的GSM-R網絡需向C2鐵路延伸4.44 km（網絡安全等級要求達到C3鐵路的要求），等級轉換區域GSM-R網絡覆蓋范圍見圖7。實際工程中可通過如下2種方式實現網絡延伸：

（1）由于C2鐵路的GSM-R網絡為單網覆蓋，因此，需在4.44 km的延伸線路上實現單網交織覆蓋。

（2）在長春站采用同址雙網方案，通過采用高增益天線、適當增加天線掛高等手段，保證4.44 km延伸線路的冗余覆蓋。

3 大型車站或編組站解決方案

目前在高速鐵路建設中，出現高速場與普速場平行、高速場與動車所平行、高速場與編組場平行、高速場與機務段平行等場景，這些地點用戶數量大，業務相對集中，對GSM-R無線頻率資源需求非常大。

以一個大型車站或編組站（可以為上述任何一種場景）為例，用戶集中在車站兩端1 km左右范圍內，經過車站C3線路，分別探討車站兩端7.5 km范圍內的不同GSM-R覆蓋解決方案（見圖8）。

3.1 單網交織解決方案

如圖8中①所示，在15 km范圍內設置7套基站，全部采用單網交織覆蓋方式，基站間距保持在2.5 km左右。所有基站正常工作時，采用8頻組進行頻率規劃，車站基站最大有5個載頻可用。該方案的特點：（1）當車站基站故障宕機，需由兩側基站通過單網交織進行冗余覆蓋，不會造成業務中斷；（2）車站基站宕機時車站處于切換帶上，容易造成低速運動用戶和靜止用戶在兩側基站上乒乓切換。

3.2 同址雙網解決方案

如圖8中②所示，在15 km范圍內設置7處基站，其中車站按同址雙網設計（作主、備使用），其余節點均采用交織單網覆蓋，采用8頻組進行頻率規劃，車站最大能配置5個頻點。根據同址雙網特點，正常工作時B網控制信道載頻工作，并不分配業務信道，為實現A網基站宕機時車站基站容量不下降，B網基站可按4載頻配置，其中3個業務信道載頻與A網基站載頻一樣（A網控制信道載頻除外），但只有在A網基站故障時B網才啟用。該方案的特點：（1）能夠有效避免當A網故障時，車站出現容量不足，網絡可靠性高；（2）當A網故障時，如需啟動B網無線業務信道（TCH）載頻，需對B網基站進行數據配置，會造成部分業務短時間中斷（分鐘級）。

該方案在大秦線有過應用，在目前高速鐵路建設中還沒有應用。

3.3 分布式基站解決方案

如圖8中③所示，在15 km范圍內設置3套宏基站，設置6套RRU和2套BBU（主、備用）。RRU之間、RRU與車站基站之間、RRU與兩端基站之間均采用交織覆蓋方式，并將6個RRU設置成共小區。該方案的特點：（1）由于采用BBU+RRU共小區方式，多個RRU擴大了覆蓋區域，實現和樞紐車站和線路資源共享，覆蓋采用類似“中區制”方式，可以減小同頻復用因子，更好利用頻率資源；（2）由于采用共小區技術，擴大了覆蓋區域，減少了切換次數（15 km范圍內切換4次），有效保證C3線路20 s無線傳輸無干擾時間的要求；（3）單個RRU覆蓋半徑在1.5～2 km，為保證RRU交織覆蓋，可設置低鐵塔天線提供冗余覆蓋，這樣可較為精確地控制每個站點天線覆蓋范圍。

4 結束語

隨著科技的不斷進步、通信設備的不斷更新，GSM-R系統特殊區段的解決方案也將不斷創新。以上是以往工程經驗的總結，在實際工程中，GSM-R系統特殊區段還有許多其他的解決方案，這需要在未來的工作中進一步研究和探討。

[1] 鐘章隊，艾渤，劉秋妍，等. 鐵路數字移動通信系統（GSM-R）應用基礎理論[M]. 北京：清華大學出版社、北京交通大學出版社，2009

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

[3] 鐵建設［2007］92號 鐵路GSM-R數字移動通信系統工程設計暫行規定[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)

[5] 科技運［2008］168號 CTCS-3級列控系統GSM-R網絡需求規范[S]