既有線交叉并線等特殊區段GSM-R系統方案研究

陶 巖

（中國鐵路沈陽局集團有限公司，沈陽 110001）

1 概述

近些年我國鐵路發展迅速，已形成覆蓋全國的高鐵和部分普速線的GSM-R數字移動通信系統網絡，GSM-R系統在承載列控信息傳送及公務移動通信等方面發揮了巨大作用。當前，面臨450 MHz頻率資源收回的國家政策以及無線列調設備超期使用兩大問題，既有線450 MHz模擬無線列調系統改GSM-R數字移動通信系統的建設勢在必行。由于高鐵建設形成了高速、普速鐵路交叉并線的錯綜復雜結構，且高速鐵路建設之初缺乏高普兼顧的統籌規劃，給普速鐵路的GSM-R系統方案規劃和實施帶來了極大的困難。

2 京哈、沈大、哈大客專線交叉并線概況

京哈線和沈大線縱橫貫穿東北地區，連接東北三省省會哈爾濱、長春、沈陽和東北對外開放窗口大連，是東北經濟發展的運輸大通道。京哈線運行速度160 km/h，沈大線運行速度140 km/h。

哈大客專北起黑龍江省會哈爾濱，經松原、四平、鐵嶺、沈陽、遼陽、鞍山、營口、終到濱海城市大連，故取名哈大客專。哈大客專設計速度350 km/h，目前運行最高速度310 km/h，GSM-R網絡承載CTCS-3（簡稱C3）級列控信息，基站采用單網交織冗余覆蓋方式，平均站距2.88 km。

哈大客專與沈大線位置關系：在沈陽—渾河、張臺子—首山區段，哈大客專與沈大線完全并行，長度約30 km；有4處與高鐵交叉穿越；3 km以內并線約30 km。

哈大客專與京哈線位置關系：沈陽—文官屯之間哈大客專與京哈線完全并行，長度約16 km；在昌圖—雙廟子、公主嶺—陶家嶺之間有兩次交越；3 km范圍內并線長度約50 km。

3 既有線GSM-R改造面臨的問題及解決方案

3.1 雙線交叉區段

雙線交叉是高鐵和普速線中比較常見的狀況，以大連北-普灣之間為例，DLB-PW09基站為哈大客專和沈大線交叉區域設置基站，高鐵建設之初，沿著高鐵大連方向和沈陽方向分別設置一面天線。既有線改造時，在DLB-PW09增設2面天線，分別覆蓋沈大線大連方向和沈陽方向，無需額外增設其他設備，即可解決交叉區域的無線覆蓋，如圖1所示。

圖1 雙線交叉區域覆蓋示意圖Fig.1 Coverage areas of two lines cross section

3.2 雙線并線區段

1）現狀

京哈、沈大線與哈大客專存在多處相距1～3 km的并線區段。由于高鐵為C3線路，為滿足承載列控業務的需要，基站采用交織覆蓋，間距約3 km。以沈大段高鐵對應的蓋州西至營口東區間為例，普速線與高鐵間距保持在1.3～3 km（如圖2所示，圖中帶基站的位置為高鐵）。目前按照八頻組的頻率規劃方案如表1所示，對應高鐵8個基站、24 km左右覆蓋范圍，共使用17個載頻（除1015、1017號頻點外）。如果普速線和高鐵并線區域單獨設置基站（8 km左右間距），最少4個基站需8個頻點，GSM-R只有19個頻點可用。因此，既有線鄰近高鐵，單獨設置基站將面臨無合適的頻率資源可用。

圖2 測試結果及覆蓋示意圖Fig.2 Test results and coverage diagram

2）解決方案

既有高鐵基站天線均采用波瓣寬度為65°的天線，因此平原地區高鐵兩邊2～3 km范圍內GSM-R無線信號仍然較強，測試結果如圖2所示。高鐵GZX-YKD02基站至GZXYKD08基站之間，普速線測試高鐵場強基本能夠達到-80 dB左右，但在普速線上發生頻繁切換（圖2中基站與線路的細連線表示當前位置所使用的基站信號）。例如：在垂直高鐵基站方向的普速線 上 A點（ 距 離 GZX-YKD03、 GZX-YKD04分別1.7 km、3 km），GZX-YKD03基站天線旁瓣覆蓋信號較弱，而GZX-YKD04為主瓣方向信號較強，必然切換，類似切換發生頻繁。

表1 八頻組規劃表Tab.1 Eight-frequency combination planning table

根據頻率使用情況和測試結果，普速線綜合利用高鐵基站進行覆蓋，可不單獨設置基站。但是為減少普速線上基站頻繁切換，在高鐵相應基站分別增設1副65°天線，加強垂直高鐵方向覆蓋。

3.3 多線匯聚區域的問題及解決方案

多線交匯區域多位于市區樞紐地區，線路錯綜復雜。以沈陽西附近為例，永安車站附近有4條鐵路6個方向交匯，秦沈客專已經實現G網覆蓋，其中秦沈基站1和秦沈基站2采用分布式基站共小區覆蓋方式如圖3所示。為保證京沈高鐵冗余覆蓋需求，基站1和基站2處分別采用（O2+O1）雙網覆蓋方式，京沈客專（C3等級線路）G網正在建設。既有線改G網時，分別在轉彎橋、于洪、沈陽西設置基站，在交匯區域則至少有6個基站12載頻信號重疊，根本無法滿足相鄰小區的控制信道及業務信道載波間隔不宜小于400 kHz的要求，頻率規劃不可實施。因此，必須對該區域進行統籌規劃。

為避免在交匯區域出現多個基站信號，應合理規劃載頻使用，減少該區域凌亂的切換關系。新的設計方案將秦沈基站2、秦沈基站3、京沈基站1改為分布式基站（均采用O2+O1的A/B雙網覆蓋），并將同一層網絡的三處分布式基站設置成共小區。同時嚴格控制各條線基站往交匯區域的天線掛高和俯仰角（5°以上），有效控制交匯區域相鄰基站的場強和覆蓋范圍，并將與各條線基站的切換點設置在三角區域共小區基站的覆蓋邊緣地帶（如圖3所示重新規劃后）。

4 需要進一步研究的問題和建議

1）3 km以內并線區域

圖3 沈陽樞紐線路走線及G網規劃示意圖Fig.3 Layout of lines and GSM-R network plan of Shenyang junction

既有線臨近或者與高鐵交叉并線（地形平坦距離3 km范圍內）時，綜合利用高鐵基站（或增設天線）實現普速線的覆蓋，既符合鐵總高速帶普速的基本指導原則，同時大量節省基站設備、房屋、電力配套、鐵塔、征地等房建的建設資金；降低了載頻的復用度，有利于減少網內的干擾，保持系統的穩定性和可靠性，避免對高鐵運營安全造成不利的影響。但需要在高鐵基站增加天線，需要更換功分器（天饋系統損耗增加）或者進行基站切換參數調整，會造成既有基站之間的切換點位置發生偏移，可能影響高鐵C3業務的服務質量不滿足要求，從而引起C3降級為C2，影響列車運行效率。因此，普速線對高鐵的網絡優化將是普速線G網建設非常重要的環節。鑒于高鐵運輸安全要求的特殊性，優化后需要在高鐵上測試GSM-R網絡的服務質量，其實施難度巨大、可實施性差。建議高鐵規劃建設時，當遇到與普速線交叉并線時，采用以下措施避免后期問題。

統籌規劃高鐵和普速線的覆蓋方案。

高鐵預留后期可實施的方案（例如采用共小區等方式并預留后期接入）

高鐵盡可能采用30等窄波瓣寬度天線，有效控制高鐵線路兩側的有效覆蓋范圍。

2）3～5 km的并線區域

在平原地區既有線與高鐵并線，但距離超過3 km范圍，需單獨設置基站時，建議采用30°窄波瓣寬度天線。同時，為減小高速和普速線基站之間的干擾，建議普速線區間基站或小站采用單載頻基站（需要基站支持載頻互助功能），并為樞紐或大型車站提供更多的頻率資源。

3）樞紐區域

樞紐問題集中在頻率資源緊張和干擾問題上，建議根據實際情況采用微蜂窩覆蓋（減小覆蓋范圍避免相互影響）或采用分布式基站拉遠擴大小區覆蓋范圍（減少相鄰小區的數量）技術手段。

5 結束語

普速線的G網改造已經拉開大幕，普速線與高鐵交叉并線區域GSM-R頻率資源匱乏、干擾嚴重、工期不同步、設備不兼容等問題已經顯現，在整體規劃和方案設計時，針對不同地區已經提出了不同的系統方案，但還需經過現場測試及工程實踐的檢驗，并進一步優化技術方案、優化設備選型、總結工程經驗，為普速線GSM-R系統全面建設提供參考。