鐵路大型站房GSM-R室內覆蓋系統設計研究

■ 趙留俊 江凌翔

1 概述

隨著我國高速鐵路的快速建設，鐵路大型樞紐一般會新建或擴建適合高鐵運營需要的客運站房。這些站房規模都比較大，建筑質量也比較高。由于新建站房普遍采用鋼筋框架結構和新型墻體材料，對無線電波有較強的屏蔽和吸收效果，造成GSM-R信號在傳輸過程中產生較大的衰耗，在站房內及站房地下建筑物（地下中轉大廳、出站通道等）內形成了無線通信的盲區和陰影區，導致這些區域出現單向通話或通話時斷時續，甚至不在服務區的現象，影響了車站值班員和維修人員的正常使用，在一定程度上危害鐵路運營安全。因此需要在大型站房設計GSM-R室內覆蓋系統，解決站房內的覆蓋和通話問題。

我國GSM-R網絡只有4 MHz頻率，共19個頻點，而大型車站所在的樞紐地區話務量較大，GSM-R頻率資源緊缺嚴重制約這些區域的系統容量，給樞紐地區的頻率規劃帶來極大的困難。因此需要確定合理的大型站房室內覆蓋方案，提高頻率資源的使用效率。

目前一般在面積大于1萬m2的站房新設GSM-R室內覆蓋系統。

2 GSM-R室內覆蓋系統方案

鐵路大型站房GSM-R室內覆蓋系統由信號源和信號分布系統兩部分組成，根據信號源的不同，主要有以下3個設計方案。

2.1 微蜂窩有線接入（方案1）

室內新建微蜂窩基站作為信號源（見圖1）。根據站房的面積和結構，該方案需要配置一定數量的光纖直放站近端機和遠端機。

方案1的優點：微蜂窩基站能分擔室外宏蜂窩覆蓋基站的話務量，增加網絡容量，且對室外宏蜂窩基站干擾小。其缺點是要為微蜂窩基站配置相應的傳輸和電源系統，解決基站至交換機間的傳輸通道，投資比較大。另外，在車站進出口處需做宏蜂窩和微蜂窩的切換，網絡優化指標要求較高。

2.2 宏蜂窩無線接入（方案2）

在室外基站容量富余的情況下，室內新建射頻直放系統，通過施主天線接收室外宏蜂窩大站射頻信號，經放大后轉發至室內天線陣，覆蓋室內弱場區（見圖2）。

方案2對室外基站影響小，不需要專用的傳輸通道引入，但是通過空中接口接收室外大站信號，信源不穩定，易受干擾，可靠性低，因此目前鐵路站房的室內覆蓋基本不采用此方式。

圖1 微蜂窩有線接入方案

圖2 宏蜂窩無線接入方案

2.3 宏蜂窩有線接入（方案3）

在室外基站容量富余的情況下，在基站所在處設置光纖直放站近端機，在站房內的通信機械室或弱電設備間設置一定數量的光纖直放站遠端機，由此將室外信號引入室內的覆蓋盲區（見圖3）。

方案3成本較方案1低，施工方便，避免了室內覆蓋與站場覆蓋小區切換帶來的影響，缺點是光纖直放站會降低基站的接收靈敏度，減小基站的覆蓋范圍。

目前，全路已GSM-R做室內覆蓋的站房都采用方案1或方案3。

3 信號源設計

方案1和方案3的主要區別在于信號源不同，即新設基站與正線共用基站。信號源的選擇應該從站房室內用戶的業務量推算出相關的信道需求，進而決定是否新設基站。

室內覆蓋系統的用戶主要有：車站值班員、運營管理人員、通信檢修人員、信號檢修人員和供電、電力檢修人員等。根據目前鐵路局GSM-R網絡數據維護報表分析可知，一個省會、直轄市或路局所在地的大型站房約有50個用戶，具體分類見表1。

3.1 新設基站信道需求

站房室內GSM-R覆蓋系統新設基站專門給站房室內用戶使用，車站停靠的列車及其用戶使用正線的基站。為避免列車、用戶誤切換，正線基站與室內覆蓋基站只做單向切換關系，即室內用戶可以切換到正線基站，室外用戶不能從正線基站切換到室內覆蓋的基站。新設室內覆蓋基站的載頻配置應根據站房話務量需求確定。

《GSM-R數字移動通信系統工程設計暫行規定》對車站地區移動用戶忙時話務量規定見表2。

根據表2推算出站房室內用戶忙時話務總量為：

根據《GSM-R數字移動通信系統工程設計暫行規定》，GSM-R無線信道呼損應不大于0.5%。查愛爾蘭B表可知，站房室內覆蓋系統新設基站時需要有12個業務信道。2載頻基站能提供15個業務信道、1個控制信道，即站房室內覆蓋系統新設2載頻基站才可滿足室內用戶業務需求。

車站室外用戶的忙時話務量需要根據車站的大小規模而定。設鐵路大型車站忙時有8列列車停靠，2列列車通過。

車站通過列車忙時話務量為：

圖3 宏蜂窩有線接入方案

表1 大型站房移動用戶數量統計分類

表2 車站地區移動用戶忙時話務量

車站停靠列車忙時話務量為：

車站室外用戶的忙時話務總量為：

設呼損率為0.5%，查愛爾蘭B表可知，車站室外用戶語音業務需要有12個業務信道。

對于CTCS-3級列控業務，設同一時間在車站內有10列CTCS-3級列控系統的列車與地面RBC通信，則需要10個業務信道。

車站室外用戶共需要22個業務信道，再加上1個控制信道，1個GPRS信道，則覆蓋車站的室外基站至少應配置3載頻。

3.2 共用基站信道需求

站房室內覆蓋系統與正線共用基站時，車站的忙時話務總量為室內覆蓋用戶忙時話務量加上車站停靠、通過列車及其用戶的忙時話務量。

根據2.1節的分析，在同樣的設定條件下，共用基站時車站的忙時話務總量為：

設呼損率為0.5%，查愛爾蘭B表可知，站房室內覆蓋系統與正線共用基站時語音業務需要有19個業務信道。對于CTCS-3級列控業務，也需要10個業務信道。

以上29個信道，再加上2個控制信道和1個GPRS信道，共計需要32個信道。即站房室內覆蓋系統與正線共用基站時，共用基站應為4載頻。

以上分析僅對較大型站房粗略估算，在實際設計中，應根據車站的實際情況和規模，合理估算站房室內覆蓋和車站站場通信的信道需求，進而明確共用基站的載頻配置。

3.3 方案對比及建議

室內覆蓋新設基站時，室內用戶和室外用戶共需要5個載頻，頻率使用率低，也增加了頻率規劃的難度。為了保證新設基站盡可能吸收話務，同時保證小區邊界通話的連續性，必須設置好小區重選和切換參數，以避免停靠和通過列車誤切換和重選。做系統設計時，應嚴格控制室內覆蓋基站的信號強度，避免對正線其他基站形成干擾。新設基站需要相應的傳輸系統，因此投資也較高。

室內覆蓋與正線共用基站需要4個載頻，頻率利用率較新設基站高，基站也無需特殊的參數設置，室內信號泄露不會對其他基站造成影響，投資也比較低。缺點是站房內用戶較多時會占用外部站場的業務信道，導致站場話務擁塞率提高，降低了調度通信的可靠性。

從頻率利用率、基站設置、頻率規劃和投資方面對2個方案的對比分析見表3。

根據以上分析，建議室內覆蓋系統與正線共用基站。但需要說明的是，因為樞紐地區情況復雜，有的樞紐地區兩個大型車站相距較近，如沈陽站和沈陽北站僅相距3.8 km，這2個站之間還有皇姑屯站，GSM-R有限的頻率資源根本不能滿足3個車站各4載頻的規劃，還需要考慮新設室內覆蓋基站的方案。

4 信號分布系統設計

信號分布系統的設計主要是選擇合適的饋線、耦合器、功分器和天線，使得GSM-R信號覆蓋站房內部盡可能多的地方，同時天線的功率要滿足國家《電磁輻射防護規定》（GB 8702—1988）和《環境電磁衛生標準》（GB 9175—1988）的要求。

以共用基站為例，信號分布系統的設計以信號源所處位置為中心，應先找通信機械室或弱電設備間，確定每個直放站遠端機的位置及覆蓋區域。再分別對每個遠端機覆蓋區域的實際情況確定天線的布放位置和類型，根據覆蓋距離估算單個天線需要的入口功率，確定天線的布放和饋線的路由，計算該區域的總功率要求，確定系統的結構。整個方案以最少的天線數目、最少的有源器件達到最佳的覆蓋效果為目的。同時應考慮到特殊區域的特殊覆蓋方式，如高架候車廳頂棚不能安裝天線，要考慮選擇壁掛天線或美化天線等。

4.1 理論分析

根據ITU-R P.138室內覆蓋模型和Keenan-Motley室內傳播模型，結合工程設計和測試經驗，在鐵路大型站房可以使用以下模型來預測天線的覆蓋范圍。

式中：f為頻率，MHz；n為室內路徑損耗因子，取值為3.14；d為移動臺到天線的距離，m；Lf為穿過一面墻的損耗；x為隔墻的數量，根據經驗，GSM-R網絡的信號穿過一層普通磚墻約損耗8～10 dB，穿過鋼筋承重墻約損耗15～25 dB；Xδ為慢衰落余量，取值與覆蓋概率要求和室內慢衰落標準差有關，一般取6 dB。

表3 信號源選擇方案對比

根據公式（5），可以計算出，設一個吸頂全向天線出口功率為10 dBm時，相隔一道普通墻，離天線15 m的地方，無線信號邊緣場強為：

4.2 饋線選型

饋線的選型根據最后各個天線入口功率而定。建議主干路饋線先采用1/2饋線（每百米損耗7.3 dB）設計，若最后天線入口功率不能滿足覆蓋的要求，再考慮將主干路饋線部分或全部換為7/8（每百米損耗4.5 dB）饋線，7/8饋線主要用于長距離信號傳輸。室內覆蓋系統在站房大部分區域與鐵路信息專業合用槽道，只有在無信息槽道時才專門布設走線槽。

4.3 漏泄同軸電纜

漏泄同軸電纜可有效減小信號陰影及遮擋，且信號波動范圍小。在一些狹長覆蓋區域，如地下通道，可采取漏泄同軸電纜進行覆蓋。需要說明的是，漏泄同軸電纜的成本較高，同時掛在地下通道的墻壁上也破壞了站房的整體環境，而頂棚能否掛設也受房建和施工的影響，所以實際設計中大型站房室內覆蓋使用漏泄同軸電纜的情況較少。

4.4 天線選型

天線是室內覆蓋系統最后的環節，選用的天線是否合適直接影響無線信號的覆蓋質量及站房整體環境。大型站房室內覆蓋系統最常用的天線是全向吸頂天線，主要用于站房內辦公區域覆蓋。其次是定向吸頂天線，主要用于解決狹長通道或電梯間的覆蓋問題。

根據公網室內覆蓋經驗，對于一些不具備吊掛吸頂天線的地方要考慮安裝壁掛天線。室內壁掛天線主要用于室內防信號外泄；八木天線、對數周期天線主要用于電梯內覆蓋。

對于新設基站的室內覆蓋系統，一般在站房入口處布設天線，以保證室內覆蓋系統的基站與室外基站正常切換，控制切換區域，同時防止信號泄漏到室外，造成干擾。

隨著人們對電磁輻射的關注，在鐵路站房旅客較多的候車廳、售票廳和出站通道等地方也需要考慮布設美化天線，或者與房建專業協調做一些偽裝的設備來遮擋天線，提高旅客和鐵路用戶的滿意度。

5 需要進一步研究的方案

GSM-R網絡4 MHz的頻率資源制約了樞紐地區的頻率規劃。對于樞紐車站站房的室內覆蓋系統來說，有2個解決頻率資源不足問題的方案值得研究。（1）新設室內覆蓋基站時，在部分樞紐地區，可以將室內覆蓋基站的頻率設為與正線某小區的頻率相同或相鄰，但該小區必須要與車站相隔至少2個小區，同時要防止室內覆蓋的信號泄露對對正線基站造成干擾。（2）當室內覆蓋與正線共用基站時，是否可以設定CTCS-3級列控系統的呼叫為高優先級，這樣在頻率資源被占滿的情況下，CTCS-3級列控系統列車可以強拆低優先級的呼叫，保證列車的安全運營。

6 結束語

隨著當前我國高速鐵路的大面積建設，需要做室內覆蓋的大型站房將會越來越多。室內覆蓋系統設計方案是否合理在一定程度上影響鐵路的安全運營，尤其對于要求高安全性和高可靠性的鐵路通信網絡更是如此。鐵路大型站房所處的樞紐區域環境復雜，應根據站房所處的環境，因地制宜地設計合理的室內覆蓋系統方案，以達到既能覆蓋站房內部關鍵區域又不影響正線行車的目的。

[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移動通信系統設計指南[M]. 北京：中國鐵道出版社，2008

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

[3] 華為技術有限公司. 室內覆蓋設計技術，2009

[4] 馬君. 鐵路客運專線GSM-R室內覆蓋系統的設計應用[J]. 中國鐵路，2009(7)

[5] 林誠. 淺談鐵路GSM-R中的室內覆蓋系統[J]. 鐵道勘測與設計，2005(4)