西成客運專線部分特殊地段GSM-R網絡覆蓋方案研究

楊玉修

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司通號處,西安 710043)

西安至成都客運專線北起陜西省西安市,設計速度目標值為250 km/h,陜西省境內線路全長343 km,橋梁占線路全長的38.3%,隧道占線路全長的55.4%。沿線公網覆蓋率低,鐵路通信在多數地段成為唯一通信手段；加之鐵路沿線交通不便,設備維護存在一定困難。工程設計時需要對特殊地段的覆蓋方案做仔細推敲,以保證沿線GSM-R移動通信系統可靠安全運行,下面就西安至成都客運專線GSM-R移動通信系統工程設計中在部分特殊地段覆蓋方案做一探討。

1 新建線路與既有線路并行一段后雙繞

1.1 西成客運專線與客北環線概況

西成客運專線自西安北站引出后,與客北環線并行13 km后上跨客北環線,向西南方向延伸?？捅杯h線GSM-R移動通信系統采用單網交織方式覆蓋,與西成客運專線并行地段基站位置已固定,設置于A、B、C、D、E處(圖1)。

西成客運專線正線移動通信系統采用普通單網方式覆蓋,但在西安北車站14 km范圍之內需要按CTCS-3級列控系統設計,在此范圍之內需要采用單網交織方式覆蓋。

1.2 設計思路

西成客運專線的引入既不能影響既有客北環線交織網絡結構,又需要滿足本線移動通信的要求。

西成客運專線與客北環線并行地段間距最大為120 m,長度約為1 km,其余12 km與客北環線間距為50 m,根據OH模型分析,西成客運專線在客北環線基站覆蓋范圍之內,在并行地段不新設基站。

交叉區段內要保證各基站之間信號切換位置相對固定,不出現誤切換情況,須盡量將切換區遠離交叉區段。西成客運專線上跨客北環線后沿西南方向延伸,其與客北環線交叉位置處最近的基站為D。

在客北環線D基站處同站址增設1套基站及1套傳輸設備,新增基站的優先級按低于原基站設置。鐵塔上層平臺增加1幅朝西成客運專線方向的定向天線,鐵塔下層平臺設置1幅朝西成客運專線方向的定向天線和兩幅朝客北環線方向的定向天線,原基站連接上層平臺的3幅天線,增設基站連接下層平臺的3幅天線,基站饋線通過串接3口功率分配器與平臺上的3幅定向天線相連。將西成客運專線繞開段與客北環線切換位置向分支方向移動,并相對固定。

西成客運專線第一個基站F位置選址于距D基站約5 km左右處,降低天線鐵塔的高度,并調整下傾角,使覆蓋范圍不與C、E基站覆蓋范圍有重疊區域。當D基站其中的1套基站故障或1套傳輸設備故障,均不影響切換區的位置。西成客運專線增加的第1處F基站與C、E處基站不會發生信號切換,滿足在并線及交叉區客北環線與西成客運專線GSM-R移動通信系統交織覆蓋的要求,不需遷改客北環線既有的基站。

客北環線A基站和咸陽西車站基站為3載頻,區間基站為2載頻,沿線頻率采用7小區帶狀復用模式,根據表1客北環線頻率劃分表,可將小區內富余頻點1015、1018調配至D基站處新增的基站,不影響既有客北環線的頻率規劃。

表1 客北環線頻率劃分

D處基站同站址增設的1套基站歸屬于客北環線的基站控制器BSC,GSM-R接口監測系統在A接口信令的采集上可以采集到所有A接口的信令時隙。在路局核心網的2處BSC中只需增加客北環線D處基站與西成客運專線F處基站的臨區關系,即可完成西成客運專線與客北環線發生的一次跨BSC之間切換。

西成客運專線與客北環線并線及交叉區段無線覆蓋方案見圖1。

圖1 并線及交叉區段無線覆蓋方案

2 隧道輔助坑道GSM-R覆蓋方案

西成客運專線全線大于10 km隧道有7座,其中東梁山隧道長14.834 km,在該隧道的一側出口處與正線平行修建1條輔助坑道,輔助坑道長為6.8 km,與正線水平間距為50 m,與正線隧道之間通過橫通道聯絡。

輔助坑道在隧道建好后作為應急避難所、逃生通道,平時維修人員在非“天窗時間”通過輔助坑道進出隧道內,進行設備維護,對隧道輔助坑道內需進行GSM-R無線信號覆蓋。

2.1 正線隧道內無線信號覆蓋情況

正線隧道內GSM-R移動通信信號采用光纖直放站加漏泄同軸電纜方式覆蓋。直放站之間的間距為2 km,為了降低直放站底噪對基站的影響,西成客運專線設計時1套基站按帶4～5臺直放站遠端機設備考慮,基站設于隧道外,東梁山正線隧道內無線覆蓋方案見圖2。

圖2 正線隧道內無線覆蓋方案

2.2 輔助坑道內信號覆蓋的設計原則

隧道輔助坑道具有特殊性,大部分時候雖沒有通信業務需求,但在應急或維修時又必須能滿足信號互通。出口平道內信號覆蓋方案不同于正線隧道,輔助坑道內信號覆蓋應滿足如下設計原則：

(1)保證輔助坑道內GSM-R信號覆蓋質量；

(2)最大程度降低投資；

(3)減少對正線GSM-R無線信號的干擾。

2.3 輔助坑道內無線信號覆蓋方案比選

方案1：采用新設直放站和漏泄同軸電纜方式覆蓋。

利用正線隧道口設置的GSM-R基站,在輔助坑道內設置光纖直放站遠端機,側壁上附掛漏泄同軸電纜。根據輔助坑道的特殊性,直放站單側所帶漏泄同軸電纜的長度根據計算確定。

直放站上下行增益可以分別調整,由于直放站噪聲限制,直放站系統一般是上行受限,因此下行方向的增益可以較為靈活的調整。輔助坑道內移動臺移動速度v<220 km/h,根據表2參數值對上下行做功率預算。

表2 鏈路預算各因子參數值

下行最大路徑損耗：

Lp=直放站發射功率-直放站饋線及接頭損耗-功分器損耗-移動臺饋線及接頭損耗-設計余量-移動臺設計最小接收電平=43-2-3-2-14-(-98)=120 dB。

上行最大路徑損耗：

Lp=移動臺發射功率-移動臺饋線及接頭損耗-直放站饋線及接頭損耗-功分器損耗-設計余量-直放站設計最小接收電平=39-2-2-3-14-(-102)=120 dB

上下行鏈路最大路徑損耗相等,設計取最大路徑損耗取值為120 dB。根據路徑損耗值計算的直放站單方向所帶漏泄同軸電纜的長度為1.6 km,輔助坑道采用直放站加漏泄電纜覆蓋方式,見圖3。

圖3 輔助坑道采用直放站加漏泄電纜覆蓋

取直放站上行增益與基站發射機至直放站的所有損耗相等,計算直放站對基站接收靈敏度的影響。

基站接收端噪聲

(1)

式中，N為熱噪聲,N=-121dBm；Nfbts為基站噪聲系數,Nfbts=2dB。

基站連接5臺直放站遠端機時候基站接收端的總噪聲

(2)

式中，Nprep為5個直放站的上行噪聲,Nprep=-121 dBm+4 dB-10+lg(5)。

由(1)、(2)式得基站靈敏度下降ΔNbts=Nptotal-基站接收端噪聲=-109.5-(-119)=9.5 dB。

增加2臺直放站遠端機時基站接收端的總噪聲

(3)

由(1)、(3)式得基站靈敏度下降ΔNbts=Nptotal-基站接收端噪聲=-108.2-(-119)=10.8dB。

從計算結果得知,增加2臺直放站遠端機后引起基站靈敏度下降值增加1.3dB,需要對正線隧道內直放站的上行增益重新進行調整,否則將會抑制隧道口基站的接收靈敏度,縮小隧道口基站的覆蓋范圍。但若將正線隧道內直放站上行增益設置太小的話,又可能造成正線隧道內直放站覆蓋區域的上下行不平衡,使直放站覆蓋區域范圍收縮,對正線隧道內信號覆蓋質量產生影響。

方案2：采用新設定向天線方式覆蓋。

利用正線隧道內的光纖直放站遠端機,通過耦合器從遠端機上耦合GSM-R信號在輔助坑道側壁架掛定向天線,天線掛高4m,天線水平方向與隧道壁成10°夾角,下傾角為0°,天線朝輔助坑道內輻射信號。

根據表3參數值對上下行做功率預算。

表3 鏈路預算各因子參數值

下行最大路徑損耗：

Lp=直放站發射功率-直放站饋線及接頭損耗-功分器損耗+發射天線增益-移動臺饋線及接頭損耗-隧道內陰影衰落-汽車車體損耗-設計余量-移動臺設計最小接收電平=43-4-3+10-2-12-20-14-(-98)=96 dB。

上行最大路徑損耗：

Lp=移動臺發射功率-移動臺饋線及接頭損耗-直放站饋線及接頭損耗-功分器損耗+接收天線增益-隧道內陰影衰落-汽車車體損耗-設計余量-直放站設計最小接收電平=39-2-4-3+10-12-20-14-(-102)=96 dB

上下行鏈路損耗值相等,取最大路徑損耗值為96 dB。

電磁波在隧道中傳播時,具有隧道效應,信號傳播是墻壁反射與直射的結果,直射為主要分量,電磁波主要是以主模的形式傳播。西成客運專線線路最小曲線半徑為7 000 m,選取GSM-R無線信號隧道內傳播模型為[5]

(4)

式中，PL為路徑損耗；f為信號頻率值930 MHz；d為天線至移動臺的距離。

通過(4)式計算可得隧道內定向天線覆蓋距離為1 127 m,考慮正線隧道內直放站的間距、輔助坑道的尺寸、側壁的結構和導電率影響,輔助坑道內天線的單方向覆蓋長度取值為1 000 m,輔助坑道采用定向天線覆蓋方式，見圖4。

以上2方案均可滿足輔助坑道內無線信號覆蓋要求,方案1在輔助坑道內的信號覆蓋質量高,但對隧道外基站有一定程度的影響,需要對正線隧道內直放站的上行增益進行調整,電力專業需配套設置輔助坑道內直放站供電電源,隧道專業需預埋通信線纜過軌管線,投資增加較高,后期維護工作量大。方案2實施簡便,對正線隧道內信號覆蓋干擾小,后期維護工作量少,方案性價比較高。

圖4 輔助坑道采用定向天線覆蓋

設計推薦方案2作為隧道輔助坑道內GSM-R無線信號覆蓋方案。

3 結語

GSM-R移動通信系統是鐵路調度通信、區間通信唯一的通信手段,同時也是防災救援的應急通信手段。對特殊地段的移動通信覆蓋方案比選優化,從源頭上控制建設質量,是系統可靠運行的重要保證。本文就新建線路與既有線路交叉區段和長大隧道輔助坑道內GSM-R信號覆蓋方案作對比分析,希望能對類似工程有所借鑒。

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