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(nèi)“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)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(qū)段與既有京滬高鐵存在近17 km的并線/臨近區(qū)段；在既有蘇州北站北側(cè)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(qū)域?qū)⒊蔀榫哞F、通甬高鐵、如通蘇湖城際鐵路交匯以及動車檢修作業(yè)的綜合鐵路樞紐，如圖1所示。

該區(qū)域既有京滬高鐵為CTCS-3等級鐵路，GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)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(yè)的需求，需對該區(qū)域的GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡進行優(yōu)化調(diào)整。

2 網(wǎng)絡規(guī)劃

2.1 規(guī)劃分析

經(jīng)過對調(diào)查資料的整理分析，蘇州北鐵路樞紐GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡規(guī)劃需重點解決如下問題。

1）蘇州北站GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡規(guī)劃設計：通甬高鐵計劃在既有蘇州北站北側(cè)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(jié)構(gòu)及站臺雨棚對GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)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(qū)段網(wǎng)絡規(guī)劃設計：如圖1所示，該區(qū)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(tǒng)網(wǎng)絡冗余覆蓋），京滬鐵路為450 MHz無線列調(diào)系統(tǒng)的普速鐵路，該區(qū)段無線網(wǎng)規(guī)劃應以高等級線路的小區(qū)規(guī)劃為基礎(chǔ)，兼顧低等級線路的運用需要[2]。

3）網(wǎng)絡設備選型：目前，GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡覆蓋的主要設備為BTS基站設備、分布式基站設備（BBU、RRU）、數(shù)字直放站設備。其中，數(shù)字直放站設備作為無線信號中繼設備[3]，憑借組網(wǎng)靈活、造價較低等優(yōu)點廣泛地應用于山區(qū)、隧道等弱場區(qū)段，但是數(shù)字直放站設備的網(wǎng)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(qū)，數(shù)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(tǒng)網(wǎng)絡規(guī)劃中優(yōu)先考慮使用基站設備[4]。

2.2 蘇州北站GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡規(guī)劃

蘇州北站擬規(guī)劃建設10萬m2以上的大型站房，采用高架結(jié)構(gòu)，如按常規(guī)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(jié)構(gòu)（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(tǒng)網(wǎng)絡服務質(zhì)量（QoS）指標造成影響，嚴重的會導致列控系統(tǒng)降級[5]，這種問題在上跨站舍下方區(qū)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(nèi)駐留時間短，上述問題不易顯現(xiàn)，但是在實際運營中，尤其是車站上跨站舍下方?？苛熊嚂r，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(qū)域內(nèi)的基站設置進行優(yōu)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(jié)構(gòu)的遮擋及正線覆蓋的需求，在車站站臺外兩側(cè)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(cè)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(xiàn)站場范圍的GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡覆蓋。

1）垂直入射角測算：以車站雨棚區(qū)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(tǒng)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(qū)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(cè)的天線掛高設置在距軌面10 m，下傾角設置為4°時，可實現(xiàn)站臺雨棚區(qū)域的良好覆蓋。

2）水平入射角測算：根據(jù)現(xiàn)有規(guī)劃，站場行車區(qū)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(qū)域的覆蓋需求。

3）小區(qū)規(guī)劃：根據(jù)《鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）設計規(guī)范》（TB 10088-2015）的要求“車站至上、下行進站信號機外側(cè)宜在同一小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)”[6]，并考慮通甬高鐵CTCS-3等級列控系統(tǒng)，及如通蘇湖城際ATO系統(tǒng)對GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡冗余覆蓋的需求[7]，可將兩處鐵塔GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡按A/B網(wǎng)共小區(qū)設置，以避免站臺范圍內(nèi)的越區(qū)切換。

2.3 交叉/并線/臨近區(qū)段網(wǎng)絡規(guī)劃

2.3.1 BSC規(guī)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(qū)段與既有京滬高鐵存在近17 km的并線/臨近區(qū)段，區(qū)段內(nèi)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(jīng)調(diào)查，京滬高鐵和通甬高鐵在該區(qū)段均無RBC切換區(qū)，根據(jù)GSM-R系統(tǒng)設計規(guī)范的相關(guān)要求，在區(qū)段內(nèi)可以出現(xiàn)跨BSC切換，同時，為了給列控系統(tǒng)提供可靠的GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡，在樞紐規(guī)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(wǎng)的能力，因此，該區(qū)段內(nèi)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(qū)規(guī)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(qū)段的GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡應采用冗余覆蓋方案。在規(guī)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(chǔ)設施。根據(jù)調(diào)查情況，既有京滬高鐵區(qū)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(wǎng)，充分利用分布式基站有組網(wǎng)方式靈活、體積小、便于安裝的優(yōu)點[9]。

1）蘇州北站區(qū)段小區(qū)規(guī)劃

a.交叉并線區(qū)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(qū)段內(nèi)有京滬高鐵WXD-SZB06、WXD-SZB07兩處既有基站，按常規(guī)規(guī)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(wǎng)，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(wǎng)優(yōu)過程中GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)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(tǒng)網(wǎng)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(diào)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(wǎng)共小區(qū)，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(jié)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(guān)閉處理。

同時，為保證京滬高鐵GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)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(diào)整，如補設京滬高鐵同型號的基站設備設置同站址雙網(wǎng)，依然存在同型號設備的采購、調(diào)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(wǎng)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(qū)間敷設跨線光纜沒有可行性，如在非鐵路用地內(nèi)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(lián)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(wǎng)的BBU設備集中設置在蘇州北站，B網(wǎng)的BBU設備集中設置在聚金線路所，實現(xiàn)BBU設備的異地容災，從而實現(xiàn)對WXD-SZB05基站設備進行相應的調(diào)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(xiàn)京滬高鐵GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)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(tǒng)網(wǎng)絡有冗余覆蓋需求，而動車走行線（列控等級CTCS-2）GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)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(xiàn)京滬高鐵、通甬高鐵、如通蘇湖城際正線的GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡覆蓋，并設置動車所方向的天線，實現(xiàn)對動車走行線、存車線等動車所室外場所GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)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(fā)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(qū)段小區(qū)規(guī)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(qū)段為跨陽澄湖區(qū)段，該區(qū)段與京滬高鐵臨近，最遠處距離約800 m，整個區(qū)段約7 km范圍內(nèi)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(xiàn)該區(qū)段的GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡覆蓋。同時，還需要考慮該區(qū)段內(nèi)GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡與蘇州東隧道內(nèi)GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡的切換問題。

如圖4所示，結(jié)合現(xiàn)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(wǎng)共小區(qū)組網(wǎng)，實現(xiàn)該區(qū)段內(nèi)通甬高鐵、京滬高鐵GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)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(qū)段內(nèi)GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡引入蘇州東隧道內(nèi)，蘇州東隧道內(nèi)第一個洞室內(nèi)的直放站遠端按冗余設置，實現(xiàn)正常情況及單點設備故障情況下GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)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(qū)段的A/B網(wǎng)共小區(qū)。

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

2.4 基站組網(wǎng)

蘇州北鐵路樞紐GSM-R系統(tǒng)基站組網(wǎng)如圖5所示[12]。根據(jù)整體網(wǎng)絡規(guī)劃，該區(qū)段內(nèi)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(qū)段內(nèi)無跨BSC切換，對于京滬高鐵在進、出區(qū)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(tǒng)基站組網(wǎng)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(guī)劃分析

在京滬高鐵、通甬高鐵交叉并線的區(qū)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(qū)間基站的覆蓋范圍內(nèi)，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(diào)度命令、列尾、車次號共用1個信道，列控業(yè)務4個信道，控制信道2個，總計信道數(shù)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(qū)間，在一處區(qū)間基站的覆蓋范圍內(nèi)，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(diào)度命令、列尾、車次號共用1個信道，列控業(yè)務6個信道，控制信道2個，總計信道數(shù)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）、?？苛熊嚕?列）以及地面用戶（20個），按話務模型測算，話音信道16個，調(diào)度命令、列尾、車次號共用1個信道，列控業(yè)務15個信道，控制信道5個，總計信道數(shù)37個，基站需按5載頻設置。綜上所述，在該區(qū)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(tǒng)基站自WXD-SZB05基站至SZB-KSN03基站共使用15個頻點，本次規(guī)劃采用分布式基站共小區(qū)的組網(wǎng)方案實現(xiàn)了小區(qū)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(qū)減少4個頻點，實現(xiàn)該區(qū)段內(nèi)的頻率優(yōu)化。

考慮到GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)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(tǒng)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(tǒng)[13]進行分析驗證，以修正的 Okumura-Hata 模型為理論基礎(chǔ)，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(xiàn)無線場強覆蓋分析，各基站覆蓋的目標區(qū)域內(nèi)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(guī)范要求，如圖7所示。

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

4 結(jié)束語

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