基于GSM-R的鐵路通信網絡設計研究

張健

上海局集團有限公司電務部 上海 200000

GSM-R是為鐵路通信設計的綜合專用數字移動通信系統，它是在GSM蜂窩系統的基礎上增加調度通信功能和適用于高速環境下的要素，可滿足國際鐵路聯盟提出的鐵路專用調度通信要求。基于GSM-R的鐵路通信網絡主要由無線網絡、有線傳輸網絡以及交換網絡這三個方面構成，核心網絡采用二級結構模式，通過設置移動業務大區匯接中心以及本地業務端局的方式，實現匯接中心間的網狀連接。在列車運行速率較高的情況下，基于GSM信號會導致通信質量下降，影響話音質量，造成誤碼率升高的問題。因此必須通過雙網覆蓋的方式，促進系統可靠性水平的提升。即在GSM-R網絡設計中，應用GSM-R理論，提高了鐵路通信系統的可靠性，并解決了信道擁塞率高，呼叫成功率低等問題，實現對網絡建設成本的靈活控制。

1 無線網絡

首先，從場強覆蓋的角度上來說，結合既往相關實踐經驗來看，場強覆蓋在很大程度上受到無線網絡所處地理位置分布條件的影響，因此需要參考基站實際情況以及所處地理環境特征對場強覆蓋進行相應的調整。目前技術條件支持下，可用于對下行鏈路信號覆蓋強度進行調節優化的方法包括以下幾個方面：第一是增加天線掛高水平，第二是對天線垂直角、水平角進行調節；第三是的促進基站發射功率提升；第四是增設直放站。對于鐵路通信網絡而言，考慮鐵路線路敷設需求與特征，應當優先采用基于沿線線路的帶狀覆蓋分布，基站可以優先選擇雙扇區形，各個扇區所對應覆蓋角度為180．0°，天線選用高增益定向天線（雙極化17．0dBi，水平面HPBW65°）。為確保鐵路通信網絡信號覆蓋水平有效，高增益定向天線呈背向放置，信號最大輻射方向與鐵路輻射方向保持一致。在此過程當中，針對沿線話務量低的實際情況，可以在無線網絡基站體現的配置上兼顧設備成本，優先選用低頻雙極化定向天線。

其次，從無線參數設置的角度上來說，基于GSM-R的鐵路通信網絡中，網絡服務性能會直接受到與無線設備以及無線接口相關參數量的影響，如小區選擇、無線測量參數、控制信道參數、功率控制參數等，不同程度上影響小區無線信號覆蓋、網絡業務性能以及信令流量分布情況。因此，在鐵路通信網絡設計過程當中，必須綜合對當前無線信道基本特征、信令流量承載水平以及話務量特性，對無線參數進行合理調整，將無線資源充分利用起來，通過業務量對全網業務量以及信令流量進行分配與承擔[1]。

再次，從話務量設置的角度上來說，在基于GSM-R的鐵路通信網絡系統建設中，設置話務量的核心目的是預先對通信網絡話務量進行均衡處理，平均網絡業務負荷水平，同時注意對交換機阻塞問題的合理處理，以提高話務量優化質量。

最后，從重疊區劃分的角度上來說，鐵路沿線應結合線路敷設所處地區的實際地理環境條件，對重疊區域大小進行合理設置，以免弱場區對信號覆蓋產生影響。結合既往經驗來看，可參考頻率復用方案得到重疊區所對應移動臺接收C/I（干擾保護比）值，對于n小區而言，頻率復用方案下定義重疊區寬度為a，則存在如下式（1）所示關系：

還需根據場強曲線圖以及切換關系，確定相鄰小區之間的重疊區大小，如圖1重疊區場強曲線圖所示。

圖1 重疊區場強曲線圖

此外，根據相鄰小區間的切換準則和切換Margin，確定相鄰兩個小區之間的切換重疊區。

2 頻率規劃

頻率規劃的本質是在鐵路通信網絡設計構建的過程當中，結合地區交叉并線分布情況對頻率資源進行合理分配，以最大限度確保覆蓋的有效性，目前GSM-R頻段為上行885MHZ-889MHZ下行930MHZ-934MHZ，頻點可用為1000-10018，隨時鐵路通信的發展尤其在車站樞紐及交叉并線區段頻點難以分開。在頻率規劃過程當中，必須對國家無線電管理規定與標準進行綜合考量，同時納入對頻率服用效率、同頻干擾、鄰頻干擾等相關因素的分析，尤其需要注意同一區域內不同移動網絡對頻率規劃的具體要求。頻道分布時需要突出互調干擾、鄰頻干擾、同頻干擾等因素的重要性，確保干擾保護比符合要求。一般情況下，同頻干擾保護比需要滿足≥12．0dB的要求；鄰頻干擾保護比需要滿足≥-9．0dB的要求；除此以外，還需要納入對頻率規劃方法以及基站站型因素的考量，基站站型應當參考目標阻塞率以及話務量進行設置，以上述參數為依據，結合如一定關系，對需進行配置的頻點個數進行靈活設置，同時判斷控制信號是否屬于單獨分配，以及掌握業務信道的頻率復用方式問題。還需要特別注意的一點是，在頻率規劃過程當中，針對同頻干擾可以嘗試通過對天線傾角、天線高度進行調節，并引入定向天線覆蓋技術的方式加以彌補；針對鄰頻干擾問題的處置則可以嘗試對信道進行合理分配，并對濾波器精度進行適當提升；而在相鄰小區頻率間隔問題的選擇上可以以最大值的為標準，以免出現頻率在相鄰小區連續性分配的情況，同時在必要的情況下可犧牲系統容量來避開頻率干擾問題[2]。

3 有線傳輸網絡

相較于PDH傳輸技術，基于SDH的傳輸技術體現出了網絡配置靈活、傳輸容量大、兼容性高、維護管理能力強等一系列應用特點與優勢。因此，在基于GSM-R的鐵路通信網設計過程當中，可以優先考慮選用基于SDH技術的傳輸技術，基于光纜線路滿足有線信號傳輸需求。目前技術條件支持下，在G652-655光纖中，ITU-T分別對4類不同單模光纖作出了基本定義，基于SDH的傳輸網絡可適用于引入G652以及G655光纖，對應關鍵參數如下：對于G652光纖而言，1550．0nm衰減對應值為≤0．25db/km，零色散波長對應值為 1300．0nm-1324．0nm，1550．0nm 色散對應值為15．0ps/nm·km-20．0ps/nm·km，偏振模色散對應值為0．5ps/nm·km，光有效面積對應值為80．0um2，模場直徑對應值為（9．5±0．5）um； 對 于 G655光 纖 而 言，1550．0nm 衰 減 對 應 值 為≤ 0．25db/km，零色散波長對應值為＜ 1530．0nm，1530．0nm-1560．0nm 色散對應值為 1．0ps/nm·km-6．0ps/nm·km，偏振模色散對應值為0．5ps/nm·km，光有效面積對應值為55．0um2-75．0um2，模場直徑對應值為（8．0-11．0）±10．0%umum。

對于G652光纖線路而言，其所對應色散系數在1550．0nm波長條件下取值為15．0ps/nm·km-20．0ps/nm·km區間內。在對10．0Gb/s的WDM以及TDM系統進行傳輸的過程當中，可以通過介入具備負色散系數光纖的方式在進行色散補償的同時促進中繼距離的增加。而對于G655光纖線路而言，其所對應色散系數在1530．0nm-1560．0nm 波長條件下取值為 1．0ps/nm·km-6．0ps/nm·km。在同樣對10．0Gb/s系統進行傳輸的過程當中，由于色散水平維持較低區間，因而無需采取色散補償措施。因此，在基于GSM-R鐵路通信網絡構建過程當中，基于對設備成本因素，建議優先選用G655光纖系統。

4 設計方案

將整套基于GSM-R的鐵路通信網設計方案應用于鹽通鐵路通信網絡設計中，正線線路全長為156．686km。全線共設車站7座，線路所2座，動車所1座，全線共設車站7座，線路所2座，動車所1座，分別為鹽城站、大豐站、東臺站、海安站、如皋南站、南通西站、南通站、國道村線路所、陳橋線路所、南通動車所，其中鹽城站、南通西站、南通站為接軌站，其余車站為中間站，敷設沿線地形條件復雜，給通信網絡規劃、運營以及后期維護等工作的開展均帶來了非常嚴格的要求。搭載GSM-R的鐵路無限列調系統能夠滿足鐵路列車無線調度、數據傳輸、應急通信以及信息服務等相關功能的實現。整套鐵路通信網絡設計方案選用雙網覆蓋工作系統，通信展設置一套BSC。采用單網交織+同站址雙網覆蓋方式，但單個基站故障時不影響C3業務，同時增加配套的傳輸和開關電源設備，確保設備可靠運行[3]。

由于鐵路GSM-R無線通信關系到列車運行的安全和效率，特別對于承載列控業務的網絡來說，對GSM-R網絡的系統可用性和服務質量要求都很高。GSM-R網絡調試和優化尤為重要，現場測試圖如圖2所示，利用場強測試系統，在關閉全線基站和直放站的情況下，對各頻點（884．8+n＊0．2MHz、929．8+n＊0．2MHz，n=0，1，……21，22）的接收電平進行掃頻測試，測試車沿鐵路線低速行駛（≤60km/h），同時記錄GPS信息。當出現干擾信號時，如果可以目測確認是來自周圍運營商基站的干擾，可以提交無委會協調；如果無法確認，則需要進行干擾的定點測試。可根據測試結果，通過無委會協調要求干擾發射單位關閉干擾源，在無法關閉干擾源時，通過在此處調整頻率規劃避開干擾。

圖2 頻率干擾測試圖

5 結語

本文嘗試基于GSM-R理論對鐵路通信網絡數字移動通信系統進行規劃與設計，并對無線網絡覆蓋、頻率規劃以及有線傳輸網絡這幾個方面的設計問題進行分析與探討，在此基礎之上對基于GSM-R的鐵路通信網絡設計方案給出具體思路，整條線路可實現雙網絡覆蓋，對解決傳統意義上GSM-R網絡存在的呼叫成功率低、以及信道擁塞率高的等問題有非常積極的作用。考慮到GSM-R系統在鐵路的運用中話務量很低的情況下，在交叉并線區域采用分布式基站或者數字直放站的覆蓋方式進行小區合并，徹底解決頻率規劃中頻點不夠用的問題同時也避免了異小區非正常越區切換的問題，值得引起業內人士的關注與重視。