高尚

【摘要】既有鐵路在改建過程中將采用GSM-R通信系統(tǒng)，取代原有的450MHz無線列調(diào)通信。既有線新建GSM-R系統(tǒng)，在無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選型、容量配置、頻率規(guī)劃、無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及動(dòng)態(tài)檢測(cè)等方面會(huì)遇到新的問題。文章以寧西增建二線工程新建GSM-R系統(tǒng)為例，對(duì)新建GSM-R系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及動(dòng)態(tài)檢測(cè)中的問題進(jìn)行分析、測(cè)算，提出了解決措施，可以為今后既有線新建GSM-R系統(tǒng)提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】GSM-R；同站址雙網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃；無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化；寧西增建二線

一、引言

隨著我國(guó)鐵路技術(shù)水平的不斷提高，GSM-R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)得到迅速發(fā)展。根據(jù)鐵路總公司的要求，新建、改建鐵路不再安排450MHz無線列調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，全面采用GSM-R系統(tǒng)。GSM-R系統(tǒng)將逐漸在既有鐵路得到應(yīng)用，取代原有的450MHz無線調(diào)度系統(tǒng)。

由于既有鐵路途經(jīng)市區(qū)、平原、丘陵等各種地形，沿線電磁環(huán)境復(fù)雜，又與高鐵客運(yùn)專線交匯、并線區(qū)域較多，加上樞紐地區(qū)GSM-R頻點(diǎn)規(guī)劃緊張，因此既有線建設(shè)GSM-R系統(tǒng)，在無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選型、容量配置、頻率規(guī)劃、無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及動(dòng)態(tài)檢測(cè)等方面都提出了新的要求。

上海鐵路局寧西增建二線工程采用GSM-R系統(tǒng)，寧西增建二線工程上海局管段共122.827km，線路自西向東依次經(jīng)過安徽省六安市葉集實(shí)驗(yàn)區(qū)、霍邱縣、金寨縣、裕安區(qū)、金安區(qū)，合肥市肥西縣和高新區(qū)。沿途地形有郊區(qū)、平原、丘陵，有大量區(qū)段與滬蓉線合武段（簡(jiǎn)稱合武線，已建GSM-R線路）并線，是既有線改造采用GSM-R系統(tǒng)較為典型的案例。本文結(jié)合寧西增建二線工程，研究既有線新建GSM-R系統(tǒng)中的問題及采取的措施。

二、既有線新建GSM-R系統(tǒng)規(guī)劃思路：

既有鐵路新建GSM-R系統(tǒng)，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及優(yōu)化方面思路如下：

1.確定既有線新建GSM-R系統(tǒng)無線覆蓋的區(qū)域范圍，包括正線、聯(lián)絡(luò)線、機(jī)車回庫線等。

2.根據(jù)GSM-R系統(tǒng)所提供的業(yè)務(wù)類型，確定基站覆蓋方式及無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3.根據(jù)選擇的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和無線覆蓋場(chǎng)強(qiáng)指標(biāo)及小區(qū)切換指標(biāo)等設(shè)計(jì)參數(shù)要求，進(jìn)行基站規(guī)劃。根據(jù)理論計(jì)算、仿真，合理地在所需要無線覆蓋的區(qū)域設(shè)置基站及直放站，并確定天線桿塔的高度。

4.根據(jù)業(yè)務(wù)需求，對(duì)基站進(jìn)行容量預(yù)測(cè)，確定所配置的載頻數(shù)量。

5.根據(jù)線路所處的區(qū)域及現(xiàn)網(wǎng)資源，確定如何設(shè)置BSC或如何接入到既有BSC，以及接入到核心網(wǎng)MSC的問題。

6.對(duì)各個(gè)基站的無線參數(shù)如載頻頻點(diǎn)、天線方位、天線掛高等進(jìn)行規(guī)劃和無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，滿足動(dòng)態(tài)檢測(cè)的指標(biāo)要求。

以下結(jié)合寧西增建二線工程，重點(diǎn)對(duì)既有鐵路新建GSM-R系統(tǒng)在無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選型、基站覆蓋、頻率規(guī)劃、無線網(wǎng)優(yōu)及動(dòng)態(tài)檢測(cè)中的問題及采取的措施進(jìn)行研究探討。

三、無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選型

1.常用的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：

GSM-R系統(tǒng)根據(jù)其提供業(yè)務(wù)的可靠性要求不同，目前常用的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有以下普通單網(wǎng)、單網(wǎng)交織、同站址雙網(wǎng)三種方式。

普通單網(wǎng)根據(jù)覆蓋指標(biāo)的要求沿鐵路線鏈狀設(shè)置基站，在兩相鄰基站之間設(shè)置一定的覆蓋重疊區(qū)，以保證小區(qū)切換，基站和BSC之間的傳輸采用環(huán)形連接。此方案工程實(shí)施投資小，頻率利用率高，但是系統(tǒng)可靠性較低，抗干擾能力比較弱。

單網(wǎng)交織是指鐵路沿線兩相鄰基站的場(chǎng)強(qiáng)相互覆蓋到對(duì)方站，這樣可保證在非連續(xù)基站故障的情況下，GSM-R網(wǎng)絡(luò)仍能夠正常工作。這種無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，基站單點(diǎn)故障時(shí)不會(huì)出現(xiàn)覆蓋盲區(qū)，因而系統(tǒng)可靠性較高，同時(shí)由于基站加密，覆蓋電平較高，抗干擾能力也較強(qiáng)。

同站址雙網(wǎng)是在同一站址設(shè)置兩套基站，形成雙層網(wǎng)絡(luò)，兩層網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域基本重疊。雙層網(wǎng)絡(luò)可以采用主備用的工作方式，正常情況下，業(yè)務(wù)由主用基站提供，在主用層基站故障時(shí)，由備用基站來提供服務(wù)。同站址雙網(wǎng)方案基站子系統(tǒng)全冗余設(shè)計(jì)，區(qū)間設(shè)施較少，可以降低配套工程成本，但系統(tǒng)抗干擾能力低于交織單網(wǎng)。

2.寧西線GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選型方案：

在寧西線新建基站單獨(dú)覆蓋的區(qū)段，綜合考慮業(yè)務(wù)類型、可靠性及工程投資，首選單網(wǎng)覆蓋方式。

在寧西線與合武線并線區(qū)段，根據(jù)總公司相關(guān)指導(dǎo)意見，在滿足場(chǎng)強(qiáng)覆蓋和話務(wù)量條件下，利用既有基站實(shí)現(xiàn)各線的覆蓋。面臨的問題有：一是需要對(duì)合武線基站在寧西線上的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋和話務(wù)量進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估，根據(jù)分析結(jié)果，確定具體區(qū)段是否有條件利用既有基站覆蓋。二是日常維護(hù)中，兩天線的維護(hù)模式和天窗點(diǎn)不一致，如果采用合武線基站覆蓋，在合武線天窗點(diǎn)中關(guān)閉合武線基站檢修時(shí)，將會(huì)影響寧西線運(yùn)營(yíng)中GSM-R業(yè)務(wù)的正常使用。

針對(duì)以上的問題，采取的辦法及措施：一是利用測(cè)試車對(duì)合武線基站在寧西線的覆蓋進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)分析當(dāng)接收電平-80dBm以上時(shí)，說明覆蓋很好，可利用合武線基站覆蓋；當(dāng)接收電平為[-85，-80]dBm范圍時(shí)，覆蓋較好，可利用合武線基站，要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化；當(dāng)接收電平為[-90，-85]dBm范圍內(nèi)時(shí)，需要調(diào)整合武線基站的天線角度、高度以及增加天線來解決覆蓋問題；當(dāng)接收電平為-90dBm以下時(shí)，說明寧西線與合武線距離較遠(yuǎn)，覆蓋較差，考慮寧西線新建基站。二是對(duì)并線區(qū)段話務(wù)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，評(píng)估合武基站容量配置是否滿足兩條線的需求。三是在并線區(qū)域考慮采用同站址雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，設(shè)置主備基站解決寧西線與合武線天窗點(diǎn)不一致帶來的問題。

根據(jù)以上分析，寧西線GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選型方案為：

（1）寧西線新建基站單獨(dú)覆蓋的區(qū)段，采用普通單網(wǎng)覆蓋。

（2）寧西線與合武線并線區(qū)段，在滿足場(chǎng)強(qiáng)覆蓋和話務(wù)量條件下，采用同站址雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)。同站址中，合武線基站作為主用，為A基站，寧西線新建基站作為備用，為B基站。正常情況下A基站工作，B基站冷備；A基站故障或關(guān)閉時(shí)，B基站工作。同站址的A、B基站可采用同一頻點(diǎn)配置，節(jié)省頻率資源。

四、基站覆蓋預(yù)測(cè)

1.基站覆蓋半徑預(yù)測(cè)

既有鐵路GSM-R業(yè)務(wù)為語音及非列控業(yè)務(wù)，無線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋標(biāo)準(zhǔn)要求（95%的統(tǒng)計(jì)概率）最小可用接收電平為-98dBm。GSM-R系統(tǒng)在鐵路的覆蓋可選用Okumura-Hata模型進(jìn)行電波傳播預(yù)測(cè)。

Okumura-Hata模型是在大量不規(guī)則地形條件實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上所總結(jié)出來的經(jīng)驗(yàn)公式，以市區(qū)準(zhǔn)平坦地形地形的中值路徑衰耗為參考，其他傳播環(huán)境和地形環(huán)境用校正因子進(jìn)行修正。

Hata模型市區(qū)準(zhǔn)平坦地形中值電波傳播路徑損耗如下：

其中，LP：市區(qū)準(zhǔn)平坦地形電波傳播損耗；f：載頻工作頻率（MHz）；hb：基站天線有效高度（m）；hm：移動(dòng)臺(tái)天線有效高度（m）；d：移動(dòng)臺(tái)與基站間距（Km）；a（hm）：移動(dòng)臺(tái)天線高度因子。

式中：對(duì)于中小城市： 對(duì)于大城市：

寧西線沿線為中小城市，取hm=1.5m，f=930MHz，求得a（hm）0dB。

Hata模型針對(duì)不同地形環(huán)境對(duì)電波傳播的影響，在市區(qū)中值路徑損耗上進(jìn)行修正，可以歸結(jié)為一個(gè)校正因子Q（常數(shù)）予以校正：

對(duì)不同地形的傳播路徑損耗修正因子Q的求算，可參照Hata模型給出的求算公式計(jì)算。根據(jù)寧西增建二線沿線地形及載頻頻率，可以算出寧西沿線不同地形傳播路徑損耗修正因子Q取值為：平原、農(nóng)村準(zhǔn)開闊區(qū)：Q=-14；農(nóng)村準(zhǔn)開闊區(qū)部分丘陵：Q=-8；郊區(qū)：Q=-3；丘陵山區(qū)：Q=6。

為了達(dá)到所需要的無線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋的標(biāo)準(zhǔn)要求，可進(jìn)行傳播路徑損耗預(yù)測(cè)。電波傳播路徑上的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)公式為：

其中：Pi為基站發(fā)射機(jī)輸出功率；L為電波傳播損耗；Gb為發(fā)射天線增益；Lb為基站饋線損耗，Ld為合分路單元等損耗；Ls為陰影衰落余量；Lm為設(shè)計(jì)余量。根據(jù)寧西線的相關(guān)參數(shù)，取 Pi=46dBm，Gb=17dB，Lb=3dB，Ld=3dB，陰影衰落余量Ls取值為：平原、農(nóng)村準(zhǔn)開闊區(qū)為5dB，農(nóng)村準(zhǔn)開闊區(qū)部分丘陵為7dB，郊區(qū)為7dB，丘陵地區(qū)為10dB；設(shè)計(jì)余量Lm與電氣化干擾、網(wǎng)絡(luò)老化、天氣變化等因素有關(guān)，工程中進(jìn)行修正，根據(jù)寧西線GSM-R網(wǎng)絡(luò)狀況，取值8dB。

由上述公式測(cè)算得寧西線平原、農(nóng)村準(zhǔn)開闊區(qū)允許傳播路徑損耗為142dB； 農(nóng)村準(zhǔn)開闊區(qū)部分丘陵地區(qū)為140dB；郊區(qū)為140dB；丘陵地區(qū)為137dB。根據(jù)Hata模型公式及不同地形的校正因子，由寧西線不同地形的允許傳播路徑損耗，可以算出基站的覆蓋半徑，要計(jì)算基站的間距還要考慮基站覆蓋重疊區(qū)。

2.基站覆蓋重疊區(qū)的計(jì)算

兩個(gè)相鄰小區(qū)要有一定的重疊區(qū)保證通信的持續(xù)性和可靠性，對(duì)基站覆蓋預(yù)測(cè)要考慮重疊區(qū)的大小。確定重疊區(qū)的大小是一個(gè)很復(fù)雜的問題，如果重疊區(qū)太小，可能會(huì)出現(xiàn)弱場(chǎng)區(qū)；重疊區(qū)太大同頻干擾增大，越區(qū)切換時(shí)間太長(zhǎng)，不易控制。兩個(gè)小區(qū)在重疊區(qū)內(nèi)的電平都應(yīng)大于標(biāo)準(zhǔn)所要求的最小接收電平。重疊區(qū)的大小可用公式表示：

公式的推導(dǎo)可以參考GSM-R應(yīng)用基礎(chǔ)理論，其中：r為基站的覆蓋半徑；v為列車運(yùn)行速度；t為切換時(shí)間；HOMargin為小區(qū)切換容限；為電波路徑損耗指數(shù)，表明路徑損耗隨距離增長(zhǎng)的速率。

根據(jù)寧西線列車運(yùn)行速度及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，寧西線基站重疊區(qū)的大小取1.1km。

3.寧西線基站覆蓋預(yù)測(cè)結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算，得出寧西線GSM-R系統(tǒng)基站覆蓋預(yù)測(cè)結(jié)論如下：

根據(jù)總公司“一般地段鐵塔高度原則上不宜超過50米”的指導(dǎo)意見，結(jié)合以上理論估算，寧西線新建基站天線高度為45m，根據(jù)實(shí)際地形條件，基站間距為4～7km。由于影響無線電波傳播的因素較多，基站覆蓋要滿足場(chǎng)強(qiáng)覆蓋、載干比C/I及QoS指標(biāo)的要求，還要通過無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及動(dòng)態(tài)檢測(cè)來進(jìn)行優(yōu)化和修正。

五.基站容量配置與頻率規(guī)劃

1.基站容量配置

要確定每個(gè)基站所需要配置的載頻數(shù)，需要根據(jù)日常停靠及通過列車數(shù)量、地面用戶數(shù)量，建立語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸模型，進(jìn)行話務(wù)預(yù)測(cè)，得到所需的載頻數(shù)量。

寧西線無列控業(yè)務(wù)，沿線均為中小車站，根據(jù)日常列車話務(wù)量測(cè)算，加上無線調(diào)度命令傳送等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并考慮控制信道，新建基站單獨(dú)覆蓋寧西線時(shí)采用區(qū)間基站2載頻、車站基站3載頻，可以滿足通信需求。

寧西線采用合武線基站覆蓋的區(qū)段，基站容量要滿足兩條線的通信需求，需要進(jìn)行測(cè)算。根據(jù)兩條線的列車速度以及列車間隔，可以算出并線區(qū)段每個(gè)基站的列車數(shù)約為4列，假設(shè)每公里有3個(gè)用戶，取基站間距5km，話務(wù)量計(jì)算如下：

列車語音話務(wù)量：0.015Erl*8*4=0.48Erl

其他語音話務(wù)量：0.02Erl/用戶*3用戶/km*5km=0.3Erl

語音組呼話務(wù)量（設(shè)3人一組）：0.05Erl*3用戶/km*5km/3=0.25Erl

總語音業(yè)務(wù)量：0.48Erl+0.3Erl+0.25Erl=1.03Erl

根據(jù)愛爾蘭B表，在呼損率為0.5%的情況下需要5個(gè)信道，信道總需求為：

5TCH+2TCH（GPRS）+1（BCCH）+1（SDCCH）=9TCH，可以得到寧西線采用合武線基站覆蓋的區(qū)段，基站容量為2TRX，已建的合武基站容量能滿足兩條線的通信需求。

2.頻率規(guī)劃

我國(guó)GSM-R系統(tǒng)工作頻點(diǎn)序號(hào)為999～1019，扣除保護(hù)頻點(diǎn)，實(shí)際使用頻點(diǎn)序號(hào)1000～1018，采用頻率復(fù)用方式。頻率規(guī)劃要通過計(jì)算和模擬，滿足載波間隔的要求，并減少同頻干擾、鄰頻干擾、交調(diào)干擾等干擾。

寧西與合武線并線區(qū)段靠近合肥樞紐地區(qū)，附近有合福、滬蓉等高鐵線路經(jīng)過，頻點(diǎn)規(guī)劃已經(jīng)非常緊張，因此可以利用同站址雙網(wǎng)的工作特點(diǎn)，對(duì)寧西線新建基站配置與同站址合武線基站相同的頻點(diǎn)，平常只有主基站的載頻在工作，當(dāng)主基站故障或關(guān)閉時(shí)，備基站工作，這樣可以節(jié)省GSM-R頻率資源，減少同頻干擾的產(chǎn)生，最大程度的減少對(duì)已建線路GSM-R系統(tǒng)頻率配置的影響。

六、GSM-R網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)組網(wǎng)

按照鐵路總公司的指導(dǎo)原則，既有普速鐵路與高速鐵路宜分設(shè)BSC。根據(jù)上海局GSM-R系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)資源現(xiàn)狀，寧西增建二線新建基站接入既有普速鐵路阜陽BSC，上海核心網(wǎng)MSC。系統(tǒng)組網(wǎng)圖如下：

七、無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及動(dòng)態(tài)檢測(cè)

1、無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

既有鐵路新建GSM-R 的無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化以場(chǎng)強(qiáng)覆蓋和QoS指標(biāo)為主，滿足系統(tǒng)開通及驗(yàn)收要求。根據(jù)寧西線的基站分布特點(diǎn)，無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化需要解決的問題：

（1）需要正確的配置新建寧西線基站與已建合武線基站的鄰區(qū)關(guān)系，保證長(zhǎng)呼測(cè)試時(shí)的切換成功率。

（2）在寧西與合武并線區(qū)段采用合武線基站作為主用基站，需要對(duì)合武線基站在寧西線的覆蓋進(jìn)行優(yōu)化。

經(jīng)過添加鄰區(qū)配置、進(jìn)行無線覆蓋優(yōu)化，以上問題得到解決。在無線覆蓋優(yōu)化上采取主要措施有：在合武線上的NFL-LA05A、NFL-LA04A、NFL-LA03A、NFL-LA02A基站分別增加一面90o天線來覆蓋寧西線；在線路交越處的NFL-LA01A基站增加兩面 的天線，分別沿寧西線方向覆蓋；在合武線的CAJ-NFL02基站增加一面65o天線覆蓋寧西線；在合武線CAJ-NFL01基站增加一面90o天線朝向?qū)幬骶€覆蓋，解決寧西線的覆蓋弱場(chǎng)區(qū)。

2、動(dòng)態(tài)檢測(cè)

既有線的GSM-R系統(tǒng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)主要是對(duì)GSM-R系統(tǒng)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋、服務(wù)質(zhì)量等項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)，判斷是否滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，為動(dòng)態(tài)驗(yàn)收提供依據(jù)。

因?yàn)閷幬骶€基站在并線區(qū)段采用同站址雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在動(dòng)態(tài)檢測(cè)中，對(duì)并線區(qū)段指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試時(shí)需要分成四種運(yùn)用情境來開展：

情境一：將并線區(qū)段的A基站開啟，B基站關(guān)閉。

情境二：將并線區(qū)段的A基站關(guān)閉，B基站開啟。

情境三：將并線區(qū)段的A、B基站以AB交替方式開啟。

情境四：將并線區(qū)段的A、B基站以BA交替方式開啟。

以上情境二、三、四要關(guān)閉合武線相關(guān)基站，檢測(cè)工作要安排在合武線天窗點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行，對(duì)檢測(cè)列車的開行時(shí)間、交路安排以及通信配合工作都提出了新的要求，也為同類型基站的動(dòng)態(tài)檢測(cè)提供了方法和經(jīng)驗(yàn)。

根據(jù)寧西新增二線工程通信系統(tǒng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)結(jié)論，寧西新增二線工程上海局管內(nèi)GSM-R場(chǎng)強(qiáng)覆蓋、服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。檢測(cè)結(jié)果也說明了寧西線GSM-R系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等各方面采取的措施是有效的。

八、總結(jié)

既有線新建GSM-R系統(tǒng)，第一，在無已建GSM-R線路并線的區(qū)段，可以采用普通單網(wǎng)覆蓋方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。第二，在與已建GSM-R線路并線的區(qū)段，在測(cè)算滿足條件的前提下，盡量利用已建GSM-R基站覆蓋。第三，利用已建GSM-R基站覆蓋的區(qū)段可以采用同站址雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，設(shè)置主備基站來適應(yīng)不同線路維護(hù)模式及天窗點(diǎn)的不同，通過增加天線等方式進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。第四，主備基站可以配置完全相同的頻點(diǎn)，節(jié)省頻率資源，減少對(duì)已建GSM-R系統(tǒng)的影響。第五，在動(dòng)態(tài)檢測(cè)中，要對(duì)主備基站分多種運(yùn)用情境進(jìn)行檢測(cè)。

寧西線新建GSM-R系統(tǒng)采取的方法和措施，可以為后續(xù)既有線新建GSM-R系統(tǒng)提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

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