蘇州北鐵路樞紐GSM-R系統網絡規劃的研究

劉盛堯，費 躍，胡金濤

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055）

1 概述

通蘇嘉甬高速鐵路，簡稱“通甬高鐵”，是國內“八縱八橫”高速鐵路網沿海通道的重要組成部分、長江三角洲城市群的重要城際通道與紐帶。通甬高鐵自蘇州北站小里程方向引入蘇州北站至蘇州東隧道入口，在該區段與既有京滬高鐵存在近17 km的并線/臨近區段；在既有蘇州北站北側新建超10萬m2的大型站房，新建站房預留如通蘇湖城際鐵路的引入條件；在蘇州北站大里程方向約4 km處新建動車所及動車所走行線。未來蘇州北站區域將成為京滬高鐵、通甬高鐵、如通蘇湖城際鐵路交匯以及動車檢修作業的綜合鐵路樞紐，如圖1所示。

該區域既有京滬高鐵為CTCS-3等級鐵路，GSM-R系統網絡冗余覆蓋[1]，考慮到通甬高鐵（CTCS-3等級鐵路）、如通蘇湖城際鐵路（CTCS-2+ATO）線路的引入以及動車所檢修作業的需求，需對該區域的GSM-R系統網絡進行優化調整。

2 網絡規劃

2.1 規劃分析

經過對調查資料的整理分析，蘇州北鐵路樞紐GSM-R系統網絡規劃需重點解決如下問題。

1）蘇州北站GSM-R系統網絡規劃設計：通甬高鐵計劃在既有蘇州北站北側新建超10萬m2的大型站房，與既有蘇州北站均為高架車站，站房結構及站臺雨棚對GSM-R系統網絡信號有遮擋屏蔽，需制定針對性的解決方案。

2）多條線路交叉/并線/臨近區段網絡規劃設計：如圖1所示，該區域除既有京滬高鐵，擬建的通甬高鐵、如通蘇湖城際鐵路，周邊還有既有滬寧鐵路、京滬鐵路，其中，滬寧城際鐵路為CTCS-3等級鐵路（GSM-R系統網絡冗余覆蓋），京滬鐵路為450 MHz無線列調系統的普速鐵路，該區段無線網規劃應以高等級線路的小區規劃為基礎，兼顧低等級線路的運用需要[2]。

3）網絡設備選型：目前，GSM-R系統網絡覆蓋的主要設備為BTS基站設備、分布式基站設備（BBU、RRU）、數字直放站設備。其中，數字直放站設備作為無線信號中繼設備[3]，憑借組網靈活、造價較低等優點廣泛地應用于山區、隧道等弱場區段，但是數字直放站設備的網管功能和設備檢測功能遠不如基站設備，對于多條高速鐵路交匯鐵路樞紐地區，數字直放站設備不利于運維過程中的故障定位及問題分析，因此在鐵路樞紐GSM-R系統網絡規劃中優先考慮使用基站設備[4]。

2.2 蘇州北站GSM-R系統網絡規劃

蘇州北站擬規劃建設10萬m2以上的大型站房，采用高架結構，如按常規設計方案在車站設置基站鐵塔。由于鐵塔距離站房很近，站房結構（最高點超過40 m）及雨棚會對GSM-R信號造成遮擋，導致站臺下的本站GSM-R基站信號場強低，與相鄰基站信號場強無法拉開“差距”，易造成乒乓切換、呼叫失敗等問題，會對CTCS-3等級鐵路GSM-R系統網絡服務質量（QoS）指標造成影響，嚴重的會導致列控系統降級[5]，這種問題在上跨站舍下方區域尤為明顯。對于高速通過的列車，由于車載終端在站臺范圍內駐留時間短，上述問題不易顯現，但是在實際運營中，尤其是車站上跨站舍下方停靠列車時，這些問題卻層出不窮。另外，在車站設置基站鐵塔也會影響車站站房以及市政設施的整體美觀性。

蘇州北站既有基站（SuZhouBei）為京滬高鐵既有基站，設置在既有車站站房附近，天線掛高38 m，鑒于上述問題，無法滿足新建站場的覆蓋需求，因此，需要對車站區域內的基站設置進行優化設計。在車站通信機房設置分布式基站BBU設備，綜合考慮站房結構的遮擋及正線覆蓋的需求，在車站站臺外兩側位置設置車站鐵塔及分布式基站RRU設備，替換蘇州北站既有基站，車站站臺外兩側的鐵塔天線通過合理的設置天線掛高降低入射角、充分利用定向天線主瓣角的寬度實現站場范圍的GSM-R系統網絡覆蓋。

1）垂直入射角測算：以車站雨棚區長度450 m計列，高架站軌面距地面15 m計列，雨棚下沿距軌面11 m計列，定向天線垂直半功率角9.3°計列，按照幾何學原理，在天線掛高一定距離的情況下，半功率角與軌面相交的點與基站間的相對距離如表1所示。

表1 半功率角與軌面交點距離統計Tab.1 Statistics of distance of intersection point of half-power angle and rail surface

可見，下傾角為0°或2°時，整個半功率角輻射出的能量并不能完全投射向軌面，部分能量向天空（水平面以上方向）輻射，不僅對基站輸出能量造成浪費，且容易導致遠處的覆蓋較強而形成越區覆蓋；當下傾角設置為6°或8°時，半功率角輻射出的全部能量投射向軌面，并且還要考慮到車載天線高度（約4.5 m）；因此，當面向站臺側的天線掛高設置在距軌面10 m，下傾角設置為4°時，可實現站臺雨棚區域的良好覆蓋。

2）水平入射角測算：根據現有規劃，站場行車區域（含京滬高鐵）寬度約300 m，定向天線水平半功率角65°計列，當鐵塔位置距車站中心里程500 m時，定向天線水平半功率角覆蓋范圍將超過500 m，足以滿足站場行車區域的覆蓋需求。

3）小區規劃：根據《鐵路數字移動通信系統（GSM-R）設計規范》（TB 10088-2015）的要求“車站至上、下行進站信號機外側宜在同一小區覆蓋范圍內”[6]，并考慮通甬高鐵CTCS-3等級列控系統，及如通蘇湖城際ATO系統對GSM-R系統網絡冗余覆蓋的需求[7]，可將兩處鐵塔GSM-R系統網絡按A/B網共小區設置，以避免站臺范圍內的越區切換。

2.3 交叉/并線/臨近區段網絡規劃

2.3.1 BSC規劃

如圖2所示，通甬高鐵自蘇州北站小里程方向引入蘇州北站至蘇州東隧道入口，在該區段與既有京滬高鐵存在近17 km的并線/臨近區段，區段內分布著既有京滬高鐵WXD-SZB05、WXD-SZB06、WXD-SZB07、SuZhouBei、SZB-KSN01、SZBKSN02、SZB-KSN03等7處既有GSM-R基站。京滬高鐵既有基站設備接入設置在上海的BSC設備，經調查，京滬高鐵和通甬高鐵在該區段均無RBC切換區，根據GSM-R系統設計規范的相關要求，在區段內可以出現跨BSC切換，同時，為了給列控系統提供可靠的GSM-R系統網絡，在樞紐規劃中也需避免頻繁的跨BSC切換[8]。由于京滬高鐵的基站設備及BSC設備都是2011年開通使用的，已投入運營11年，且不具備分布式基站組網的能力，因此，該區段內新設基站設備考慮接入通甬高鐵設置的BSC設備。

2.3.2 基站小區規劃

京滬高鐵與通甬高鐵均為CTCS-3列控等級的鐵路，蘇州北鐵路樞紐區段的GSM-R系統網絡應采用冗余覆蓋方案。在規劃過程中，還需考慮充分利用京滬高鐵既有機房及鐵塔等基礎設施。根據調查情況，既有京滬高鐵區間機房為箱式機房，空間較小，因此可使用分布式基站設備組網，充分利用分布式基站有組網方式靈活、體積小、便于安裝的優點[9]。

1）蘇州北站區段小區規劃

a.交叉并線區段

如圖3所示，通甬高鐵在蘇州北站小里程方向引入蘇州北站，在線路臨近、交叉區段內有京滬高鐵WXD-SZB06、WXD-SZB07兩處既有基站，按常規規劃方案，可在WXD-SZB06增設一套與既有BTS基站設備同型號的基站設備，與既有BTS基站設備設置同站址雙網，并在WXD-SZB06增設通甬高鐵方向的天線，對通甬高鐵進行延伸覆蓋。但是，這個方案存在很多不確定因素。

WXD-SZB06基站對通甬高鐵延伸覆蓋范圍不好控制，網優過程中GSM-R系統網絡QoS指標難以達標，尤其是傳輸無差錯時間（傳輸恢復時間）TREC[10]。

通甬高鐵與京哈高鐵的夾角地為非鐵路用地，如果后期建設了高大建筑物，會對GSM-R系統網絡信號傳播造成阻擋。

京滬高鐵的BTS基站設備已開通運營11年，同型號設備的采購、調試都存在著很大的不確定性。

因此，可考慮利用WXD-SZB07基站的機房及鐵塔，在WXD-SZB07基站設置兩套分布式基站RRU設備納入蘇州北站的A/B網共小區，替換既有WXD-SZB07基站的BTS基站設備，新設置的分布式基站RRU設備接入蘇州北站的分布式基站BBU設備，結合線路走向設置三方向的天線；考慮到WXD-SZB06基站對通甬高鐵覆蓋的不確定性影響，可對WXD-SZB06基站的BTS基站設備做關閉處理。

同時，為保證京滬高鐵GSM-R系統網絡的冗余覆蓋，需要對WXD-SZB05基站的BTS基站設備進行相應的調整，如補設京滬高鐵同型號的基站設備設置同站址雙網，依然存在同型號設備的采購、調試的不確定性；如采用通甬高鐵同型號基站設備，則存在基站設備跨線傳輸組網的情況，不便于后期的運維；如采用分布式基站方案，RRU設備可設置在WXD-SZB05基站的機房，但BBU設備的設置位置成為難點。

從蘇州北鐵路樞紐線路設置來看，京滬高鐵、通甬高鐵、如通蘇湖城際3條鐵路線路均為獨立線路，除蘇州北站外，在區間敷設跨線光纜沒有可行性，如在非鐵路用地內敷設光纜，則光纜線路的安全性難以保證，因此可考慮在蘇州北站集中設置分布式基站BBU設備，以便于RRU設備與BBU設備聯絡光纜的敷設。同時，考慮到容災備份的需要，可在蘇州北站及距離蘇州北站約3 km的聚金線路所兩處站點集中設置分布式基站BBU設備，A網的BBU設備集中設置在蘇州北站，B網的BBU設備集中設置在聚金線路所，實現BBU設備的異地容災，從而實現對WXD-SZB05基站設備進行相應的調整：在WXD-SZB05基站的機房設置兩套分布式基站RRU設備，在蘇州北站、聚金線路所分別設置1套分布式基站BBU設備，實現京滬高鐵GSM-R系統網絡的冗余覆蓋。

b.動車所及動車走行線

由于京滬高鐵、通甬高鐵正線的GSM-R系統網絡有冗余覆蓋需求，而動車走行線（列控等級CTCS-2）GSM-R系統網絡無冗余覆蓋需求，并綜合京滬高鐵既有BTS基站設備型號問題，因此，考慮在聚金線路所新設雙BTS基站設備替換京滬高鐵SZB-KSN01基站，實現京滬高鐵、通甬高鐵、如通蘇湖城際正線的GSM-R系統網絡覆蓋，并設置動車所方向的天線，實現對動車走行線、存車線等動車所室外場所GSM-R系統網絡的延伸覆蓋。為避免動車所基站對正線的影響，降低動車所基站正線方向天線的掛高以及BTS基站設備的發射功率，控制動車所基站正線方向的覆蓋范圍[11]。

2）跨陽澄湖區段小區規劃

如圖1所示，通甬高鐵自京滬高鐵SZB-KSN01基站至蘇州東隧道入口區段為跨陽澄湖區段，該區段與京滬高鐵臨近，最遠處距離約800 m，整個區段約7 km范圍內都不具備設置基站及鐵塔的條件，因此可考慮利用京滬高鐵基站及鐵塔實現該區段的GSM-R系統網絡覆蓋。同時，還需要考慮該區段內GSM-R系統網絡與蘇州東隧道內GSM-R系統網絡的切換問題。

如圖4所示，結合現場條件，在蘇州東隧道入口新設基站一處，新設基站與京滬高鐵SZBKSN02、SZB-KSN03分別設置兩套分布式基站RRU設備，在蘇州北站、聚金線路所分別設置1套分布式基站BBU設備，按A/B網共小區組網，實現該區段內通甬高鐵、京滬高鐵GSM-R系統網絡的冗余覆蓋。其中，蘇州東隧道入口新設基站主要負責將該區段內GSM-R系統網絡引入蘇州東隧道內，蘇州東隧道內第一個洞室內的直放站遠端按冗余設置，實現正常情況及單點設備故障情況下GSM-R系統網絡的正常切換。同時，新設置BBU設備預留如通蘇湖城際的接入條件，一并納入該區段的A/B網共小區。

圖4 跨陽澄湖區段基站布置示意Fig.4 Base station distribution in cross Yangcheng Lake section

2.4 基站組網

蘇州北鐵路樞紐GSM-R系統基站組網如圖5所示[12]。根據整體網絡規劃，該區段內所有新設的基站設備均接入通甬高鐵的BSC設備，對于通甬高鐵在區段內無跨BSC切換，對于京滬高鐵在進、出區段有兩處跨BSC切換（京滬高鐵BSC切通甬高鐵BSC，通甬高鐵BSC切京滬高鐵BSC），很好地避免了頻繁的跨BSC切換。

圖5 蘇州北鐵路樞紐GSM-R系統基站組網示意Fig.5 Networking of GSM-R base station in Suzhou North Railway Junction

3 驗證分析

3.1 頻率規劃分析

在京滬高鐵、通甬高鐵交叉并線的區間，按運行速度350 km/h、列車最小追蹤間隔時間3 min考慮，并考慮列車雙向行駛因素，則在一處區間基站的覆蓋范圍內，兩條鐵路最多共有4列通過列車。按話務模型測算，話音信道4個，調度命令、列尾、車次號共用1個信道，列控業務4個信道，控制信道2個，總計信道數11個，基站設置2載頻配置即可滿足需求；在京滬高鐵、通甬高鐵、如通蘇湖城際交叉并線的區間，在一處區間基站的覆蓋范圍內，3條鐵路最多共有6列通過列車，按話務模型測算，話音信道5個，調度命令、列尾、車次號共用1個信道，列控業務6個信道，控制信道2個，總計信道數13個，基站設置2載頻配置即可滿足需求；蘇州北站綜合考慮京滬高鐵、通甬高鐵、如通蘇湖城際通過接車（6列）、停靠列車（9列）以及地面用戶（20個），按話務模型測算，話音信道16個，調度命令、列尾、車次號共用1個信道，列控業務15個信道，控制信道5個，總計信道數37個，基站需按5載頻設置。綜上所述，在該區段設置11個頻點即可滿足日常的運維需求，而原京滬高鐵GSM-R系統基站自WXD-SZB05基站至SZB-KSN03基站共使用15個頻點，本次規劃采用分布式基站共小區的組網方案實現了小區頻率復用距離的增加，提升了頻率資源的利用率，比原基站小區減少4個頻點，實現該區段內的頻率優化。

考慮到GSM-R系統網絡采用高電平切換的方式，可將該處場強值最大的信號判定為載波信號，其余信號判定為干擾信號，通過仿真軟件的 C/I 指標分析，鐵路沿線的GSM-R無線信號C/I 值均滿足鄰頻C/I值大于-6 dB 的要求，如圖6所示。

圖6 蘇州北鐵路樞紐GSM-R系統C/I仿真示意Fig.6 C/I value simulation of GSR-M system in Suzhou North Railway Junction

3.2 無線場強覆蓋分析

無線場強覆蓋采用基于實地模型的 GSM-R 仿真系統[13]進行分析驗證，以修正的 Okumura-Hata 模型為理論基礎，利用三維電子地圖所提供的地理和地貌信息，通過計算機仿真實現無線場強覆蓋分析，各基站覆蓋的目標區域內最低電平值均在-90 dBm 以上，無弱場情況，覆蓋場強良好，滿足設計規范要求，如圖7所示。

圖7 蘇州北鐵路樞紐GSM-R系統覆蓋場強示意Fig.7 Coverage field strength of GSM-R system in Suzhou North Railway Junction

4 結束語

在鐵路下一代移動通信系統投入工程應用之前，GSM-R系統仍然是國內鐵路最主要的移動通信制式。隨著國內鐵路網的不斷完善，鐵路樞紐GSM-R系統網絡規劃需要解決的問題也越來越復雜，因此不僅需要規劃設計人員全面掌握現有系統設備的技術特點、詳盡調查既有線路的現狀，還要充分熟悉鐵路樞紐的整體規劃，在網絡規劃過程中，對于傳統方案無法解決的疑難問題要敢于創新，在實踐中不斷地豐富網絡規劃的方式方法。