鐵路樞紐GSM-R無線覆蓋方案研究

■ 趙旭 彭良勇

在鐵路樞紐區段，因不同等級、不同運行速度、不同建設工期的線路均接入樞紐內大型車站，經常出現并線、交叉及穿越編組場的情況，容易出現列車機車臺在不同GSM-R網絡間頻繁切換問題，影響GSM-R覆蓋服務質量（Qo S）。為此，應針對鐵路樞紐內既有GSM-R網絡進行調整優化，并統籌考慮不同等級、不同運行速度、不同建設工期的線路引入，提升GSM-R覆蓋QoS，滿足工程需求。

1 基站切換機制

GSM-R系統用戶在切換時需經歷采樣、判斷、觸發、執行、完畢5個過程。其中采樣時間每次為480 m s；判斷時間取決于當前接入基站的忙閑程度；觸發條件是6次采樣值的平均值滿足切換電平；執行過程時間取決于基站的忙閑程度；完畢是GSM-R基站給列車機車臺返回命令Handover Comm and Com plete，表明當前切換完成，接入新基站的無線業務信道（TCH），上一個基站的TCH業務信道釋放。

據工程測試，GSM-R系統用戶整個切換過程在300 m s內完成，但GSM-R基站切換是硬切換，切換過程中所有語音、數據業務將中斷。為保證GSM-R無線信號20 s無故障傳輸，即GSM-R系統在20 s內無切換，20 s后若切換故障，用戶仍能繼續切入或切回可用TCH，所以工程中需滿足GSM-R系統用戶2次切換成功率。對列車時速為350 km的高速鐵路，GSM-R基站布置間距需在2.5 km以上，以確保GSM-R無線信號20 s無故障傳輸。

2 鐵路樞紐內既有基站分布情況

以太原鐵路樞紐為例， 樞紐內無線系統采用GSM-R數字移動通信設備，且已開通的工程有石太高速鐵路、太中銀鐵路（見圖1），其無線覆蓋均采用單網覆蓋方式，最大基站間距為3.633 km，最小基站間距為1.94 km，（見表1）。隨著城市發展，太原鐵路樞紐內沿線環境發生較大變化，新修多處高層建筑，對GSM-R系統無線覆蓋造成了不利影響。

3 樞紐GSM-R無線子系統方案

3.1 樞紐內鐵路線位情況

樞紐地區線路主要有“人”字形交叉與“十”字形交叉2種，交叉的不同線路GSM-R基站可能連接自不同的M SC或BSC，甚至有可能屬于不同調度臺。在太原鐵路樞紐中，石太高速鐵路屬于北京客專調度所，大西高速鐵路屬于西安客專調度所；兩條線路在太原北以上區間呈“人”字形交叉，導致從太原樞紐駛出到石太、大西高速鐵路的列車機車臺原本應該向本線的GSM-R基站通信，卻連到對方基站，造成調度命令、車次號無法交互，威脅行車安全。

當樞紐線路為“十”字形交叉時，駛入相交點的列車機車臺會接入信號較強的基站，而非其本線基站，這樣也會出現線路的接入錯誤，影響行車安全。

3.2 既有GSM-R無線子系統方案調整

為防止列車機車臺誤連其他基站，在交叉點處將所有存在信號的基站整合成同一個基站。列車機車臺駛入交叉區域，接入整合基站；駛出交叉區域后，再與行使方向的下一基站作切換，以保證列車與調度的順利通信。

整合交叉點基站可將涉及的基站均遷改到交叉點處，該處新設一套同站址雙網站型基站，接入其中某一個線路的移動交換中心（M SC）、基站控制器（BSC）中，用交叉點基站與各線以遠基站做切換。若交叉點涉及的基站單網線路基站距交叉點大于2 km，交織線路基站距交叉點大于500 m，就會造成各線交叉點基站距正線基站太遠，場強不能滿足切換要求。而且遷改需要新建、調測、割接多條線的多個基站，可能影響本線其他車輛正常運行，方案可行性差。

若非同站址雙網站型方案，可將涉及交叉點處信號的基站一起改造為分布式基站，即將基站的基帶信號與頻帶信號分離，用基帶處理單元（BBU）設備處理基帶信號，用射頻拉遠模塊（RRU）射頻遠端站將信號通過天線發射出去。BBU與RRU間用主備2根光纖連接，兩設備光纖最遠可達18 km，同一個BBU所帶RRU共同實現1個完整基站功能，無論RRU被拉到多遠使用，它的邏輯、頻點等基站參數不變。利用分布式基站，從交叉處3或4個基站中，根據異地容災備份原則，選取不同線路的2個點放置BBU，原各線基站所在點每處新設2套RRU，接自不同的BBU。選取其中一組BBU-RRU為主用分布式基站，其余一組備用，設置備用比主用信號低6 d Bm。當主用分布式基站發生故障時，備用基站仍能完成列車通信。RRU的輸出功率為40~60 W，等同于原始基站，在不改變原始基站位置、天線掛高、機房機柜數量的前提下，可解決列車交叉區段誤接入問題。具體解決方案可根據原基站位、工程要求等選取。

3.3 弱場解決方案

太原站以北地區雖然滿足單網交織最低基站間距，但存在3.633 km的長距基站。交織覆蓋要求在單點基站故障情況下，前后2個基站可以覆蓋站區域，且保證設計場強大于92 d Bm[1]。在這個要求下，3.633 km的基站間距很難滿足單點故障要求。而且，在線路兩側已經興建了諸多高層住宅樓，勢必影響基站場強交織覆蓋。

解決方案是在該區段增加4處直放站遠端機，其中2個在弱場區間，2個與基站同址設置，靠近基站的2個遠端機主控信號均連接自本側基站，從控信號接自對側基站，中間2處直放站遠端機做切換。為抵抗更遠基站故障，將補強區間兩端基站去掉直放站側天線，保留另一側天線（見圖2）。

表1 太原鐵路樞紐既有GSM-R基站設置情況

在此區段還可通過分布式基站解決弱場問題。在基站點位處設置2處BBU，在中間2處直放站中間點位選1處放置2套RRU，連接兩側BBU。RRU屬于數字信號設備，對于光纖與空間波形成的色散時延可以通過時隙調整補償，故RRU與BBU的間距只要在光纖距離范圍內即可。又因RRU與BBU間通過主備2根光纖連接，在線路左右兩側各敷設一條8芯短段光纜，RRU的主備2芯各位于兩側的光纜中。

太原站以南主要有太原南、新鳴李站和動車段等站段。太原—太原南站間最短基站間距為1.94 km，但因該區段為大型客站間聯絡線，車輛速度等級很低，小于120 km/h，故滿足20 s無切換列控系統要求。太原站以南其他基站間距最大3.382 km，最小2.5 km，存在連續2.5，2.6，2.7 km站間距。連續2.5 km左右站間距20 s無切換要求，但是要求機車臺一次切換成功，否則一處切換延遲就會造成下一處切換距離縮短，增大20 s內切換的概率。

為解決上述問題，可通過基站

仿真軟件對連續站距2.5 km的基站覆蓋進行仿真，改變多極化天線傾角，增加或減少覆蓋區域，保證切換按時進行。在實際工程中，要進行調整后的路測，保證工程的精確度。

3.4 大型客站站場覆蓋

太原南站是綜合大型客站，包含幾十條到發線及龐大的無柱雨棚。因景觀設計要求，太原南站無法將基站放置于站房綜合樓通信機械室旁，而是在站外兩端設置基站、鐵塔、箱變，滿足站場區域GSM-R信號覆蓋。這樣，大型鋼構無柱雨棚加大了對無線場強信號的屏蔽作用。為滿足雨棚下GSM-R信號實現雙信號交織覆蓋，在雨棚外設置直放站遠端機，考慮到不影響站場景觀，設置15 m獨管塔覆蓋雨棚下區域。雨棚下遠端機接單側基站近端機的信號，將切換區設置在雨棚與從控信號基站間，這樣可以避免停靠列車在雨棚下GSM-R信號乒乓切換，降低GSM-R信號覆蓋服務質量。遠端機布設及連接方法見圖3。

4 結束語

當鐵路樞紐內既有GSM-R系統采用單網覆蓋時，GSM-R系統無線覆蓋調整為單網交織組網，滿足20 s內無切換、單點基站故障不影響既有覆蓋效果。正確連接光纖直放站主、從基站信號，合理設置GSM-R切換區，可實現信號列控系統QoS要求。研究太原鐵路樞紐為滿足信號列控系統QoS要求對既有GSM-R系統無線覆蓋方式的調整可知，鐵路樞紐GSM-R無線子系統覆蓋應按照滿足列控系統QoS要求進行基站布點和頻率規劃，條件允許時可一次建成，也可按規劃分步實施，以避免后期鐵路引入的影響，確保運營安全。