南沿江城際鐵路滆湖大橋GSM-R覆蓋方案

魏 旻，胡雪旸 ，葛偉濤

（1．中國鐵路上海局集團有限公司南京樞紐建設指揮部，南京 210042；2．中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308）

國內鐵路的高速發展，鐵路跨江（河、湖、海）大橋的場景越來越多，這些特殊區域的鐵路專用移動通信系統覆蓋方案已經成為鐵路通信專業建設的難點。根據橋梁的結構形式，跨江（河、湖、海）大橋主要分為兩種：一種鐵路橋橋面有遮擋物，如公鐵兩用橋或鋼桁梁橋。公鐵兩用橋一般為公路在上，鐵路在下，公路會對鐵路橋面的無線信號有較強的遮擋，鋼桁梁形式的鐵路橋橋面有鋼結構，也會對鐵路橋面的無線信號有明顯的遮擋。鐵路專用移動通信系統不僅承載語音調度信息，還可能承載列車控制信息，因此對無線信號傳輸質量要求較高。為保證鐵路專用移動通信系統的覆蓋質量，此類場景的鐵路橋一般采用全程掛設漏纜的方式對鐵路橋面進行弱場補強。如杭臺高鐵椒江特大橋、滬蘇通鐵路長江公鐵大橋、鄭濟高鐵鄭州黃河特大橋等；另一種鐵路橋橋面無遮擋物，但橋梁跨越水面較長，一般大于兩端基站覆蓋距離，如南沿江城際鐵路滆湖大橋、福廈高鐵湄洲灣跨海大橋和泉州灣跨海大橋等，此種情況下鐵路專用移動通信系統采用宏基站覆蓋、或全程掛設漏纜或在橋面增加天線進行弱場補強，值得深入研究。本文以南沿江城際鐵路滆湖大橋為例，研究長大水面鐵路專用移動通信系統覆蓋方案。

南沿江城際鐵路在常州市武進區設滆湖大橋，以簡支梁的形式跨越滆湖，湖面段長約8.5 km。滆湖段鐵路與常合高速并行，鐵路與常合高速垂直方向最近距離約為65 m，最遠距離約為340 m。常合高速在DK112+500左右設有1處湖心島，分別距水面兩端4.15 km和4.35 km。線路示意如圖1所示。

圖1 滆湖大橋示意Fig.1 Sketch of Gehu bridge

1 難點分析

南沿江城際鐵路專用移動通信系統采用GSM-R系統?？紤]到南沿江城際鐵路建設標準、滆湖段地理環境等因素，滆湖段GSM-R系統覆蓋具有以下難點。

1）鐵路GSM-R系統傳送列控信息，可靠性要求較高。南沿江鐵路列車設計速度為350 km/h，信號列控系統采用CTCS-3列控制式，根據相關規范，GSM-R系統應采用冗余覆蓋。

2）湖面距離寬，通信基站無法設置。南沿江鐵路跨越滆湖段水面約8.5 km，350 km/h高速鐵路GSM-R基站若采用單網交織方案，基站站間距一般為3.5 km左右，若采用同站址雙網覆蓋，一般為7 km左右。南沿江滆湖段水面區域過寬，常規宏基站方案很難滿足鐵路無線通信覆蓋需求。

3）湖面反射電磁波嚴重，滆湖區域無線電信號復雜。湖面對于電磁波如同一面鏡子，無線信號從湖邊向湖中心覆蓋，會被湖水反射，有用的覆蓋信號與湖面反射信號疊加；水面地形平坦，電磁波衰耗很小，同時也造成有用覆蓋信號與反射信號強度都很強。

4）滆湖周邊經濟活躍，周邊無線電信號干擾多。滆湖位于常州武進開發區，開發區內工廠眾多，無線電背景噪聲比普通人員活動少的區域復雜，結合水面反射作用，其他無線電信號被水面反射后將加強湖面及附近的無線場強環境情況，將進一步影響高鐵列車接收列控信息質量。

5）建設運維難度大、風險高。滆湖段水面長約8.5 km，水面段雖然采用高架橋形式通過，但GSM-R系統若在水面橋梁上設置通信弱場補強設備，建設難度、施工成本及風險均比較高，后期運維難度也比較大。

2 覆蓋方案

南沿江城際鐵路滆湖段GSM-R覆蓋主要有4種覆蓋方案，分別為橋頭兩端基站方案、湖心島增設基站方案、橋上漏纜補強方案和橋上天線補強方案。

1）方案一：橋頭兩端基站方案

在滆湖段橋頭兩端DK108+350、DK116+800處各設置2套GSM-R基站組成同站址雙網覆蓋滆湖段鐵路，其中A網基站為2載頻，B網基站為1載頻。由于橋頭兩端距離為8.5 km，大于常規同站址雙網7 km的間距，為了增強覆蓋距離，鐵塔可設置為60 m鐵塔。通過Atoll軟件進行仿真，仿真結果如圖2所示。

圖2 方案一仿真結果Fig.2 Simulation results of scheme 1

從圖2中看到橋面全部區域場強大于-60 dBm，遠大于列控機車臺CTCS-3建議場強值-83 dBm。但Atoll仿真時無法對滆湖周邊無線電波干擾進行模擬，因此與真實覆蓋效果還有一定差距。

滆湖大橋跨越水面，不管有用信號還是無用信號，信號的場強一般都比較強，為解決長大水面覆蓋無用信號被反射加強影響有效信號的情況，可考慮在湖心島增設基站、或在橋面掛設漏纜或安裝天線進行補強。

2）方案二：湖心島增設基站方案

由于南沿江城際鐵路滆湖大橋與常合高速并行，鐵路與高速之間距離較近。常合高速在湖中心設有1座湖心島，島上設有臨時停車區和景觀區。為了保證民用通信暢通，中國鐵塔和運營商在湖心島設有1座民用通信基站，鐵塔高約30 m，鐵塔設有多層天線平臺。經測算，鐵塔頂端天線平臺高于湖面24 m，高于軌面約9 m。

由于湖心島距橋兩端距離分別為4.15 km和4.35 km，因此可以利用湖心島設置1處GSM-R基站和鐵塔，并在橋頭兩端各設置1套GSM-R基站，組成單網交織方案。

經現場勘察，湖心島范圍有限，無法新增鐵路鐵塔和GSM-R基站院落，可考慮利用運營商鐵塔掛設GSM-R天線，設置室外一體化機房放置鐵路通信基站、傳輸、電源等設備。由于湖心島為常合高速公路用地，需鐵路建設單位協調高速公路相關部門，租賃其土地設置鐵路設施。還需建設單位協調中國鐵塔及運營商調整鐵塔上運營商天線位置，騰出空間安裝GSM-R天線。另外，在常合高速上鐵路光電纜無法敷設至該處基站，需利用公路提供的電源和光電纜，外部供電不滿足鐵路I級負荷條件。外部電源和外部光纜產權不屬于鐵路，無法由鐵路進行維護，風險較高。

3）方案三：橋上漏纜補強方案

在滆湖段橋頭兩端DK108+350、DK116+800處各設置1套GSM-R基站、1套數字直放站近端機、1套數字直放站遠端機和2副天線，天線掛設在橋頭兩端的鐵塔上。在橋梁上間隔1 km左右各設置1套數字直放站遠端機、在兩個接觸網桿之間設立通信漏纜支撐桿，在橋面接觸網桿和通信漏纜支撐桿上沿鐵路方向距軌面4.5～4.8 m的高度掛設1條GSM-R漏纜，利用漏纜覆蓋橋面。通信漏纜支撐桿高度一般為5 m左右，設立通信漏纜支撐桿時應保證通信漏纜支撐桿和相鄰接觸網桿之間的距離不超過30 m。

該方案信源部分也可以采用“基站+數字直放站近端機+數字直放站遠端機”或“分布式基站BBU+分布式基站RRU組網”。

4）方案四：橋上天線補強方案

此方案將方案三中的漏纜支撐桿取消，在橋梁上間隔1 km左右各設置1個天線支撐桿和2副天線，天線掛設在天線支撐桿上，分別指向鐵路大小里程。天線支撐桿與接觸網桿同平面設立，支撐桿高7.5 m。根據相關要求，天線支撐桿需遠離接觸網帶電體2 m范圍以外，因此需將天線支撐桿附近的接觸網桿抬高，以滿足防護距離要求。數字直放站遠端機通過環形組網的方式分別接入橋頭兩端的數字直放站近端機，組網示意如圖3所示。

圖3 橋上天線補強方案示意Fig.3 Schematic diagram of antenna reinforcement scheme on bridge

此方案也可以采用分布式基站的方式進行組網，即在橋頭兩端基站處設置基帶處理單元（BBU），在數字直放站遠端機處設置射頻拉遠單元（RRU），BBU與RRU之間推薦采用環形組網。由于分布式基站RRU不支持關鍵板件冗余備份，因此需整機備份，所以每處需設置2套RRU，因此分布式基站方案安裝設備較數字直放站多，且耗電量偏高，推薦采用數字直放站組網。

上述4個方案優缺點如表1所示。

表1 滆湖大橋GSM-R覆蓋方案優缺點分析Tab.1 Analysis of advantages and disadvantages of GSM-R coverage scheme for Gehu bridge

南沿江城際鐵路滆湖大橋GSM-R覆蓋方案比較復雜，經建設單位、設計單位、運營單位多次開會討論，最終確定采用方案四中數字直放站+橋上天線補強方案。此方案需在橋面安裝數字直放站，由于鐵路軌道兩側設有電纜槽，若將設備安裝在電纜槽旁，將影響電纜槽內線纜的維護，因此可在橋面增設通信設備平臺，安裝通信設施。南沿江城際鐵路設置的通信平臺寬×長為0.8 m×3 m，數字直放站采用室外型機柜落地安裝，平臺上預留機柜基礎，基礎處由橋梁專業預埋4根錨栓，錨栓外露基礎面，便于與設備機柜底座固定。同時為便于設備光電纜走線，需預留強弱電電纜槽至設備平臺的預埋管。通信平臺示意如圖4所示。

圖4 橋面通信設備平臺示意Fig.4 Schematic diagram of bridge deck communication equipment platform

3 結束語

國內鐵路正處于高速發展的時期，鐵路網越來越密，場景越來越復雜，跨江、河、湖、海等長達水面的場景越來越多。此種場景下的鐵路無線通信覆蓋的建設方案雖然有多種，但考慮到建設難度、投資成本和運營維護便利性等多種因素，不同項目選擇的方案可能會有所不同。本文探討了南沿江城際鐵路滆湖大橋的GSM-R覆蓋方案，并對可能的覆蓋方案進行詳細研究和分析，可供今后類似工程借鑒參考。