既有鐵路450 MHz無線列調改造GSM-R系統簡析

王 芳

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070 2．北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070）

1 概述

既有鐵路450 MHz無線列調系統服役年限越來越長，故障率逐年升高，給運輸生產指揮通信帶來不同程度的影響。目前，中國鐵路總公司對于已到更新改造期限的各大干線鐵路無線列調系統實施改造，而因鐵路下一代移動通信系統的頻率、標準、制式等尚處于研究和試驗階段，所以，450 MHz無線列調系統改造的方向仍將是在高速鐵路中發揮重要作用的鐵路數字移動通信系統（GSM-R）。但是既有鐵路在車站設置、設計時速、線路走向、運輸組織等方面都與高速鐵路存在差異，隨著GSM-R系統的發展，出現各式各樣的無線覆蓋設備，這給廣大工程設計人員在進行工程設計時造成困惑。本文對GSM-R系統無線設備的選擇進行分析，供工程設計人員參考。

2 GSM-R系統無線設備應用現狀

目前已開通運營GSM-R系統的線路，根據覆蓋場景的需要，主要采用宏基站、模擬光纖直放站、分布式基站等無線設備。在正線平原、高架橋等區段，主要采用發射功率高的宏基站進行覆蓋；在隧道等弱場區段主要采用宏基站+模擬光纖直放站結合漏泄同軸電纜進行覆蓋；在一些鐵路樞紐，考慮頻率規劃緊張、切換復雜等因素，采用分布式基站進行覆蓋。

3 既有鐵路特點及GSM-R系統覆蓋需求

既有鐵路車站設置較多，凡是人口密集的城鎮都要顧及到，車站間距從幾公里到幾十公里不等；設計速度一般在160 km/h及以下；受當時建設條件的限制，在山區線路比較曲折，即彎道較多；既有鐵路維修時間有限，因此在條件允許的情況下，GSM-R系統應盡量提供安全可靠的覆蓋。

4 GSM-R系統無線設備選擇

下面就平原區段和山區兩種典型覆蓋場景，分析GSM-R系統無線設備的選擇。

4.1 平原區段

平原區段線路一般較直，無線信號傳播不易受地形、地物、建筑物等的影響，考慮維護便利、基礎設施齊全，以及滿足基于位置尋址的呼叫需要，首先宜在車站設置基站。如果車站間距不是很長，只在車站設置基站，就可滿足區間場強覆蓋需要。如果根據鏈路預算，車站基站無法滿足區間場強覆蓋需求，則需在區間增加無線設備。以下從覆蓋距離、投資兩個方面對宏基站和分布式基站進行比較。

4.1.1 覆蓋距離

目前，宏基站產品支持的發射功率主要包括40、60、80 W等，分布式基站的發射功率主要包括20、30、50 W等。根據Okumura-Hata模型:

其中:

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，取4m；

a(hm)——移動臺天線高度校正因子，按中小城市取值，a(hm)=[1.1lg(f)-0.7]hm-1.56lg(f)+0.8；

d——覆蓋距離，km。

以宏基站發射功率40 W、分布式基站發射功率20 W為例，從公式（1）可以推算出，在相同基站天線高度下，宏基站比分布式基站的覆蓋距離長，具體計算公式如下:

工程中，基站天線高度一般為30～60 m，帶入公式（4），可計算出宏基站的覆蓋距離約是分布式基站覆蓋距離的1.2倍。當分布式基站采用共小區時，為避免產生多徑時延，分布式基站射頻拉遠單元（RRU）間距目前只能做到4.5 km以內。因此，從覆蓋距離來看，宏基站比分布式基站有優勢。

4.1.2 投資

區間新建基站節點，主要包括通信、電力和房建投資。對于區間宏基站，通信設備主要包括基站、傳輸、電源、動環、鐵塔、光纜線路，電力設備主要為箱式變電站或桿架變電臺，房建主要為機房、空調。對于區間分布式基站，通信設備主要包括RRU、鐵塔、光纜線路，電力設備主要為箱式變電站或桿架變電臺，房建主要為機房。

目前宏基站傳輸設備組網，一般需要4芯光纖，而RRU與基帶控制單元（BBU）之間通信也需要4芯光纖。鐵路局基礎網改造一般建有32芯或48芯干線光纜，宏基站傳輸設備組網可利用既有光纜，如果既有干線光纜不允許用于分布式基站組網，則需從RRU向BBU敷設短段光纜。宏基站與分布式基站RRU單節點投資比較如表1所示。

從表1可以看出，宏基站單節點高于分布式基站RRU單節點的投資，而當既有光纜可以利舊時，分布式基站RRU節點投資更低，約為宏基站投資的50%。

4.1.3 比較結論

綜合以上覆蓋距離、投資兩方面的比較，根據鏈路預算，當區間需要增加一處無線設備時，分布式基站投資低；當車站間距較大，需要增加多處無線設備時，因為宏基站覆蓋距離遠，較少的宏基站節點就能滿足覆蓋需求，分布式基站在投資方面不一定有優勢，需要結合工程具體情況進行比較。

4.2 山區

山區隧道較多，一般采用光纖直放站+漏泄同軸電纜方式進行無線覆蓋，而分布式基站射頻單元可拉遠安裝，且為室外型設備，可應用于隧道等環境部署，因此分布式基站也可用于山區場景覆蓋。中國鐵路總公司發布了鐵路數字移動通信系統（GSM-R）數字光纖直放站技術要求，行業標準也已實施，在直放站應用方面，數字光纖直放站將逐步取代模擬光纖直放站占主導地位。以下從覆蓋距離、投資兩個方面對分布式基站和數字直放站進行比較。

4.2.1 覆蓋距離

目前，分布式基站產品支持的發射功率主要包括20、30、50W等，數字光纖直放站單端口發射功率主要包括2、5、20W及以上。根據漏泄同軸電纜區段鏈路預算:

其中:

Pr——機車臺天線處最小可用接收電平，既有線取-98 dBm；

Po——分布式基站或數字光纖直放站發射功率，分別取43 dBm（每載波20 W）和40 dBm（每載波10W，雙端口）；

Lt——1-5/8〞漏泄同軸電纜傳輸損耗，取2.4 dB/100 m；

表1 宏基站與分布式基站RRU單節點投資比較Tab.1 RRU single note invests comparison of macro base station and distributed base station

Lc——1-5/8〞漏泄同軸電纜耦合損耗（95%，2 m），取69 dB；

Lp——附加損耗，為連接電纜加電纜接頭的損耗，取6 dB；

La——寬度因子，取20 lg (8/2) =12 dB；

M——設計儲備量，取6 dB，其中分布式基站或數字光纖直放站發射功率下降3 dB，漏泄同軸電纜老化3 dB；

D——漏纜長度，m。

計算結果如表2所示。

表2 分布式基站和數字光纖直放站覆蓋距離Tab.2 Coverage distances of distributed base station and digital fiber repeater

4.2.2 投資

分布式基站BBU與數字光纖直放站信源基站處均需設置傳輸、電源、動環等通信設備及配套的電力、房建設施。區間分布式基站RRU與數字光纖直放站遠端機類似，除無線設備外，主要包括鐵塔、光纜線路及配套的電力、房建設施。在分布式基站BBU所在地，需設置分布式基站RRU進行覆蓋；為避免多徑時延干擾，作為數字光纖直放站信源的基站設備不能做空間覆蓋，基站處需設置直放站遠端機進行覆蓋。

目前，分布式基站RRU與BBU之間可采用星型、鏈型和環形組網，鏈型組網對于鐵路專網應用來說，可靠性較低，上級RRU故障會影響后續RRU工作，所以工程中宜采用星型或環型組網方式。對于星型組網，每處RRU需要4芯光纖；對于環型組網，每個環需要4芯光纖。環型組網比星型組網節省光纖資源。

與分布式基站類似，數字光纖直放站遠端機與近端機之間可采用星型、鏈型、環型和混合型組網，就可靠性而言，宜采用星型或環型組網方式。對于星型組網，每處遠端機需要2芯光纖；對于環型組網，每個環需要2芯光纖。環型組網比星型組網節省光纖資源。

從以上分析可以看出，分布式基站與數字光纖直放站在傳輸、電源、動環等通信設備，以及電力、房建等配套設施方面的需求類似，前者對于短段光纜的需求是后者的2倍，從無線設備的投資方面對兩者進行比較，如表3所示。

表3 分布式基站與數字光纖直放站投資比較Tab.3 Invests comparison between distributed base station and digital fiber repeater

從表3可以看出，當分布式基站RRU或數字光纖直放站遠端機節點數量小于等于3個時，分布式基站投資較低；當節點數量達到4個及以上時，數字光纖直放站在投資方面比較有優勢。

4.2.3 比較結論

綜合以上分析，分布式基站因發射功率較高，覆蓋距離稍遠。結合投資，當區間需要增加的無線設備節點數量較少（1～2個）時，可考慮設置分布式基站，節點數量較多（3個及以上）時，宜設置數字光纖直放站。

5 其他建議

從目前的分布式基站產品來看，還存在一些改進空間，以更好的適應既有鐵路450 MHz無線列調改造GSM-R系統的需求。

1）GSM-R系統相關鐵路行業標準要求基站的核心處理器或主控板應冗余熱備；載波單元應分板設置，任一單板故障時，基站仍能提供服務。部分產品需要設置雙套BBU和雙套RRU，BBU與基站控制器（BSC）之間需要組雙環網，需要較多的傳輸和光纜資源。

2）部分產品的RRU與BBU之間不支持環型組網，需要較多的光纜資源。

3）RRU與BBU通過通用無線公共接口（CPRI）采用光纖連接時，部分產品收發光纖分開，不支持收發共用光纖，因此需要較多的光纖資源。

4）部分產品的RRU對電源及環境監控信息傳輸支持較弱，因RRU處一般不設置傳輸設備，因此需要占用更多的光纖資源回傳動環信息和/或電力遠動信息。

[1]國家鐵路局.TB10088-2015鐵路數字移動通信系統（GSM-R）設計規范[S].北京:中國鐵道出版社，2016.

[2]國家鐵路局.TB/T3367-2016鐵路數字移動通信系統（GSM-R）數字光纖直放站[S].北京:中國鐵道出版社，2016.

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[4]國家鐵路局.TB/T3201-2015鐵路通信漏泄同軸電纜[S].北京:中國鐵道出版社，2015.

[5]中國鐵路總公司.鐵總運[2017]91號關于印發《鐵路數字移動通信系統（GSM-R）分布式基站設備及組網暫行技術要求》的通知[S].北京:中國鐵路總公司，2017.

[6]中華人民共和國鐵道部.鐵計[2008]24號鐵路更新改造工程設計概（預）算編制辦法[S].北京:中華人民共和國鐵道部，2008.

[7]鐘章隊，吳昊，李翠然，等.鐵路數字移動通信系統（GSM-R）無線網絡規劃與優化[M].北京:清華大學出版社，2012.

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