包西鐵路GSM-R系統(tǒng)單繞區(qū)段弱場解決方案

■ 李慶

包西鐵路大保當—何寨車站，線路全長約561 km，全線設25個車站，延安以南為速度200 km/h新建雙線，延安以北為速度160 km/h新建單線，區(qū)間隧道達201 km，最長的冒天山隧道長為14.9 km，全線地形復雜，GSM-R基站子系統(tǒng)按單層網(wǎng)絡覆蓋設計，沿線弱場區(qū)段覆蓋針對具體的地形條件采用光纖直放站空間波直接覆蓋和光纖直放站加漏泄電纜/天線等方案加以處理。

1 GSM-R系統(tǒng)概述

采用GSM-R系統(tǒng)為列車調度、維修人員等提供無線話音通道，為調度命令傳送、無線車次號校核提供無線數(shù)據(jù)傳輸通道。

GSM-R系統(tǒng)主要新設基站子系統(tǒng)（BSS）、運行與維護子系統(tǒng)（OMC）及終端子系統(tǒng)，其他子系統(tǒng)利用西安既有本地網(wǎng)。

無線場強覆蓋指標是在滿足95%的時間地點概率條件下，機車頂部天線處（距軌面4 m）所需的最小接收電平不低于-95 dBm，沿線按場強覆蓋要求設置基站。

網(wǎng)絡結構：GSM-R系統(tǒng)采用900 MHz頻段，鐵路沿線設置基站構成鏈狀通信網(wǎng)，基站控制器與基站之間利用2M通道環(huán)形連接。

2 弱場解決方案

包西鐵路集合了平原、山區(qū)、丘陵等地形，因此GSM-R系統(tǒng)需要解決路塹、隧道等多種地形地貌的無線覆蓋問題。

沿線隧道及區(qū)間弱場強區(qū)的覆蓋采用光纖直放站＋漏泄電纜的方式解決。

光纖直放站近、遠端機間光纖采用星型連接，即一臺光直放站遠端機用一根光纖，基站至光纖直放站遠端機的光傳輸利用有線通信敷設的光纜。

以蟠龍鎮(zhèn)—瓦窯堡區(qū)間為例說明設計思路。

2.1 線路方案

蟠龍鎮(zhèn)—瓦窯堡站間距為27.849 km（上行）和27.355 km（下行），瓦窯堡站是越行站，包西線在出站端雙線繞行，爾后新建二線（左線單線）逆羊馬河而上，為繞避不良地質，線跨羊馬河，以14 915 m長隧道翻越冒天山，順蟠龍川而下，雙線繞行進新設蟠龍鎮(zhèn)站。既有神延線（單線）從瓦窯堡站通過羊馬河隧道（3 810 m）、關路坡隧道（3 159 m）、翅膀溝隧道（1 722 m）、長山梁隧道（678 m）、石咀隧道（579 m）到達蟠龍鎮(zhèn)站。

2.2 設計思路

為便于運營維護方便，隧道內不設置基站。蟠龍鎮(zhèn)—瓦窯堡站的設計思路見圖1。

場強覆蓋指標按機車頂部95%概率、-95 dBm考慮。蟠龍鎮(zhèn)基站與基站A、基站A與基站D、基站C與瓦窯堡基站、基站C與基站E的切換在空間完成。

2.2.1 鏈路傳播模型

采用Okumura-Hata模型。Okumura-Hata模型的市區(qū)的路徑損耗中值為：

式中：f ——工作頻率（按930 MHz計算）；

hb——基站天線高度（m）；

hm——機車臺天線高度（4 m）；

a（hm）——移動臺天線高度校正因子，按中小城市取值，對于中小城市：

d ——傳播距離（km）；

S（a）——建筑物密度修正因子，a為建筑物密度，市區(qū)S（a）=0.6 dB，郊區(qū)S（a）=0.6 dB，鄉(xiāng)村S（a）=-4.95 dB。

對于郊區(qū)環(huán)境（丘陵），需要在市區(qū)模型基礎上進行修正：

對于農村準開闊地形（開闊地），需要在市區(qū)模型基礎上進行修正：

2.2.2 基站上下行鏈路預算

基站上下行鏈路預算見表1。

2.2.3 重疊覆蓋區(qū)計算

對于采用蜂窩式覆蓋的GSM-R系統(tǒng)而言，當列車從一個小區(qū)跨越到另一個小區(qū)時，為保證通話的連續(xù)性，需要在2個小區(qū)之間進行切換。在計算兩小區(qū)切換所需的重疊覆蓋距離時，需要考慮列車在跨區(qū)時進行2次切換所需要的距離，這樣當?shù)?次切換不成功時，還可以有足夠的距離嘗試第2次切換。

包西鐵路無線通信應滿足速度200 km/h的要求，兩次切換時間按10 s計取，因此兩個小區(qū)之間進行成功切換所需要的最小重疊覆蓋距離為：

重疊距離（D）＝最大車速×最大切換時間＝200×1 000/3 600×10＝555 m，本工程按560 m重疊覆蓋距離進行設計。

2.2.4 基站覆蓋范圍

根據(jù)Okumura-Hata模型的路徑損耗公式，可以計算出不同天線高度情況下基站的覆蓋范圍（見表2）。

現(xiàn)場動態(tài)測試時開通ZC-PLZ04（DK437+538），關閉ZC-PLZ03（DK435+124），可以看出ZC-PLZ03基站的信號覆蓋已過半?yún)^(qū)間（見圖2）。

2.2.5 隧道解決方案

本工程隧道區(qū)段采用光纖直放站+漏泄電纜的覆蓋方案。光纖直放站的關鍵模塊采用冗余配置方式，漏泄電纜在鐵路一側單條敷設。

表1 基站上下行鏈路預算

表2 不同天線高度的基站覆蓋范圍

圖2 基站信號覆蓋范圍

漏泄電纜覆蓋計算公式為：

式中：Pr——移動臺天線處最小接收電平，-95 dBm；

Po——光直放站下行輸出到漏泄電纜的功率（dBm）；

Lt——1-5/8”漏泄電纜傳輸損耗，每百米取2.2 dB，參考TB/T 3201—2008《鐵路通信漏泄同軸電纜》；

Lc——1-5/8”漏泄電纜耦合損耗（95%，2 m），取69 dB，參考TB/T 3201—2008《鐵路通信漏泄同軸電纜》；

Lp——附加損耗，等于連接電纜加電纜接頭的損耗，取10 dB；

Lk——寬度因子，單線隧道取8 dB，雙線隧道取14 dB；

D——漏泄電纜長度（m）。

由計算可得，在光直放站下行輸出到漏泄電纜的功率為30 dBm（1 W）的情況下，滿足最小-95 dBm的接收電平（95%的通信概率），1-5/8”漏泄電纜在單線隧道內可傳播約1 727 m，在雙線隧道內可傳播1 454 m。在光直放站下行輸出到漏泄電纜的功率為33 dBm（2 W）的情況下，滿足最小-95 dBm的接收電平（95%的通信概率），1-5/8”漏泄電纜在單線隧道內可傳播約1 863 m，在雙線隧道內可傳播1 591 m。考慮預留一定的覆蓋余量，兩相鄰直放站間距按不超過1 800 m（單線隧道）和1 500 m（雙線隧道）設計。

光直放站設置：新建的冒天山隧道長14 915 m，為單線隧道，避車洞以420 m的間距交替分布，考慮到設備的同側布置，直放站間距按840 m設計，隧道內共設置9臺。既有線隧道利用既有避車洞設置。

切換區(qū)長度：考慮到重疊覆蓋區(qū)560 m和避車洞420 m間距，切換區(qū)長度按隔3個避車洞設計，即1 260 m。

基站D帶的3號直放站（側向：左側）和基站E帶的1號直放站（側向：右側）在翅膀溝和關路坡隧道之間有切換區(qū)，兩直放站間距1 069 m，但兩光纖直放站的側向不同，考慮到重疊覆蓋區(qū)560 m，漏纜1 069 m變?yōu)?10 m×2=1 620 m。

3 實際效果

由表3可見，信號電平表征網(wǎng)絡覆蓋場強，最后測試結果顯示基站信號都在-80 dBm以上，全部達標。（排除有故障直放站區(qū)域）。

由表4可見，接收信號質量表征網(wǎng)絡質量，98.89%的信號通話質量≤2級，通話質量優(yōu)秀。

表3 漏泄電纜覆蓋預算

表4 接收信號質量

越區(qū)切換中斷時間及切換成功率見表5。測試越區(qū)切換中斷時間平均為107 ms，切換成功率為99.63%，指標達到要求。

表5 越區(qū)切換統(tǒng)計

4 結束語

包西鐵路是一條高標準的客貨運雙線電氣化鐵路，通信設計充分利用既有鐵路通信資源，在普速鐵路上使用GSM-R系統(tǒng)，對我國鐵路GSM-R系統(tǒng)的建設有重要意義。實際上，每個工程都有其獨特性，都會遇到其他工程沒有的問題，希望包西鐵路GSM-R工程能夠為其他類似工程提供一些借鑒。

[1] 鐵道部工程設計鑒定中心，北京全路通信信號研究設計院. 中國鐵路GSM-R移動通信系統(tǒng)設計指南[M]. 北京：中國鐵道出版社，2008