李寶

GSM-R系統(tǒng)作為鐵路通信網中重要的一環(huán)，根據鐵路運輸需要，提供普通電話、調度電話等語音通信業(yè)務，以及列車運行控制信息、行車指揮信息、行車安全信息、監(jiān)測檢測信息、運營管理信息傳送等數(shù)據通信業(yè)務。近年來，隨著高速鐵路的不斷建設，現(xiàn)有鐵路的運營里程已超過15萬km，路網密度的不斷加大，意味著GSM-R無線通信系統(tǒng)方案的設計難度越來越大，特別是交叉并線區(qū)段的網絡覆蓋方案已成為設計工作的重中之重［1］。網絡規(guī)劃要符合實際，根據線路不同列控等級，結合現(xiàn)有的鐵路資源以及預留鐵路的情況［2］，統(tǒng)籌考慮鐵路局界、GSM-R切換區(qū)域、無線閉塞中心（RBC）切換區(qū)域等因素，確定小區(qū)覆蓋范圍［3］。

以溫玉鐵路溫嶺站附近與甬臺溫線、杭紹臺動走線交叉并線區(qū)段，溫嶺線路所附近與甬臺溫線、杭紹臺線、甬臺溫至杭紹臺上/下行聯(lián)絡線交叉并線區(qū)段為例，結合重疊覆蓋區(qū)、時延等因素，針對不同類型交叉并線區(qū)段，充分利用Atoll無線網絡規(guī)劃仿真軟件進行模擬計算，基于得出的基站覆蓋有效電平、基站覆蓋重疊區(qū)域示意圖，研究分析確定GSM-R網絡無線覆蓋方案［4］。

1 溫玉鐵路概況

新建杭紹臺鐵路溫嶺至玉環(huán)段位于浙江省臺州市南部，行經溫嶺、玉環(huán)兩市。線路自在建杭紹臺鐵路溫嶺站杭紹臺場引出后，在大溪鎮(zhèn)境內跨甬臺溫鐵路至溫嶠鎮(zhèn)設溫嶺西站，出站后向東自塢根鎮(zhèn)、城南鎮(zhèn)、清港鎮(zhèn)、楚門鎮(zhèn)、龍溪鎮(zhèn)境內通過，跨漩門灣止于玉環(huán)市蘆蒲鎮(zhèn)隔嶺村設玉環(huán)站，線路長度為37.172 km。在溫嶺站同步建設甬臺溫鐵路至杭紹臺鐵路上行聯(lián)絡線，長度為4.683 km。

作為杭臺高鐵的延伸線，溫玉鐵路自杭臺高鐵溫嶺站引出，止于玉環(huán)市蘆浦鎮(zhèn)玉環(huán)站，向南預留跨樂清灣引入溫州條件。該條線路在溫嶺站附近與甬臺溫線、杭紹臺動走線存在交叉并線區(qū)段，在溫嶺線路所附近與甬臺溫線、杭紹臺線、甬臺溫至杭紹臺上/下行聯(lián)絡線存在交叉并線區(qū)段。溫玉鐵路交叉并線區(qū)段線路走向示意見圖1。

圖1 溫玉鐵路交叉并線區(qū)段線路走向示意

2 GSM-R網絡覆蓋設計原則及相關標準

2.1 設計原則

GSM-R系統(tǒng)的設置原則主要有以下幾點［5-6］。

1）應根據鐵路統(tǒng)籌規(guī)劃的原則，實現(xiàn)與既有系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

2）無線覆蓋及頻率配置應統(tǒng)籌考慮，優(yōu)先保證高等級鐵路的業(yè)務需求。

3）設計應根據系統(tǒng)服務質量要求及技術經濟合理性，采用必要的冗余方案。系統(tǒng)可靠性、可用性、可維修性和安全性應符合使用管理和設備維護要求。

4）充分利用現(xiàn)有鐵路通信設施，結合RBC、移動交換中心（MSC）小區(qū)切換區(qū)域，統(tǒng)籌考慮基站小區(qū)覆蓋范圍［2］。

2.2 網絡覆蓋方式及電平要求

溫玉鐵路設計速度為350 km/h，根據設計時速及列車控制等級，采用單網交織網絡覆蓋，基站設置在車站，區(qū)段按需設置區(qū)間基站，利用新設數(shù)字光纖直放站并結合漏纜或定向天線方式覆蓋隧道等弱場區(qū)域，數(shù)字光纖直放站近端機及遠端機采用環(huán)型組網方式［7］。機車接收天線最小可用接收電平見表1。

表1 機車接收天線最小可用接收電平

基站控制器通過E1環(huán)的形式（帶寬2 Mbit/s）與每個基站設備（BTS）連接，一般來說每個環(huán)內基站的數(shù)量為3～5個［8］。

2.3 場強覆蓋及時延計算

本文主要對溫玉鐵路正線場強覆蓋及時延進行分析［9］。

2.3.1 重疊覆蓋區(qū)的計算

溫玉鐵路列車控制等級為CTCS-3級，設計速度為350 km/h，采用單網交織冗余覆蓋方案，當任意一座無線基站出現(xiàn)故障，相鄰的基站承擔該基站小區(qū)范圍的無線場強覆蓋，這就要求最小無線信號重疊區(qū)域滿足規(guī)范要求。根據計算，10 s完成2次切換的最小無線信號覆蓋重疊區(qū)域為972 m［10］。本線范圍內無跨BSC的小區(qū)切換，不存在BSC切換區(qū)與RBC切換區(qū)重疊的情況。

2.3.2 時延計算

溫玉鐵路作為杭紹臺鐵路的延長線，采用數(shù)字光纖直放站+漏泄電纜解決弱場區(qū)域信號覆蓋的問題。相比模擬直放站，數(shù)字光纖直放站具有數(shù)字傳輸、自動時延調整、非工作頻點抑制好、支持多種方式、易于擴展等特點。本工程采用環(huán)型組網。

最大時間提前量（Time Advanced，TA），是指移動臺信號到達基站的實際時間和假設該移動臺與基站距離為0時移動臺信號到達基站的時間的差值。TA值會影響小區(qū)的無線覆蓋范圍，受GSM-R定時提前量編碼碼位限制，TA包含6位二進制碼元，數(shù)值范圍為0～63，每個碼元傳輸時間為3.69 μs，TA所有碼元傳輸時間最大值為TTA-MAX=63×3.69≈233 μs，可計算得出基站最大覆蓋半徑為TTA-MAX×V光速≈35 km，相當于電波傳輸35 km的往返時間，故GSM-R基站所在小區(qū)傳輸?shù)臅r延最大不能超過233 μs的二分之一，即116.5 μs?？紤]工程余量等因素，時延極限值按照不大于100 μs考慮。

根據《鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）數(shù)字光纖直放站》（TB/T 3367—2016）數(shù)字光纖直放站射頻指標要求，單機時延≤18 μs，系統(tǒng)時延≤25 μs［11］；根據《鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）數(shù)字光纖直放站系統(tǒng)技術要求》（TJDW 185—2016）數(shù)字光纖直放站傳輸時延要求，單機時延≤18 μs，遠端機中繼轉發(fā)時延≤1.5 μs（不含光纖時延）［12］。

環(huán)型組網條件下，一個環(huán)內數(shù)字光纖直放站時延T需要包含工程預留時延T0、光纜時延T1、設備本身時延T2和空中無線傳輸時延T3，即

式中：L1為最壞情況下距離數(shù)字光纖直放站近端機最近的遠端機與近端機間光纜終端引起的最長光纜長度，km；N為環(huán)內所帶數(shù)字光纖直放站遠端機的數(shù)量；L3為空中無線傳輸距離，km?？紤]到工程預留時延的不穩(wěn)定性，本次T0取固定值6.5 μs。環(huán)內數(shù)字光纖直放站最壞情況下的時延T不能超過主基站所在小區(qū)傳輸?shù)淖畲髸r延，因此T≤100 μs［10］。

3 交叉并線區(qū)段網絡覆蓋方案

3.1 溫嶺站附近與甬臺溫線、杭紹臺動走線交叉并線區(qū)段

溫玉鐵路在溫嶺站附近與甬臺溫線、杭紹臺動走線存在交叉并線區(qū)段，線路關系示意見圖2。圖2中，紅色為溫玉鐵路，黑色為甬臺溫線，藍色為杭紹臺動走線。

圖2 線路關系示意（溫嶺站附近）

甬臺溫線是時速為200 km的CTCS-2級列控線路，采用普通單網覆蓋方案。在甬臺溫K489+756（溫嶺站）、甬臺溫K493+671、甬臺溫K498+481設有基站，完成無線信號覆蓋。小區(qū)切換順序為甬臺溫K489+756（溫嶺站）小區(qū)→甬臺溫K493+671小區(qū)→甬臺溫K498+481小區(qū)。

杭紹臺動走線采用普通單網信號覆蓋，在杭紹臺K3+977（溫嶺存車場）設基站，覆蓋溫嶺存車場；關閉甬臺溫線溫嶺站基站，并在溫嶺站設置基站，接入杭紹臺線BSC；在杭紹臺K1+418、杭紹臺K1+662、杭紹臺K2+279設有數(shù)字直放站，連接溫嶺站基站，覆蓋動走線線路。小區(qū)切換順序為杭紹臺K3+977（溫嶺存車場）小區(qū)→溫嶺站小區(qū)。

甬臺溫線、杭紹臺動走線列控等級均低于溫玉鐵路，交叉并線區(qū)段可利用甬臺溫線、杭紹臺動走線的基站或直放站（方案1），或新設直放站設備（方案2），確保交叉并線區(qū)段前后區(qū)域組成同址小區(qū)，滿足溫玉鐵路信號覆蓋要求。兩種方案優(yōu)缺點對比見表2。

表2 兩種方案優(yōu)缺點對比

結合工程投資及網絡覆蓋方案對既有線影響因素的考慮，最終采用方案1進行覆蓋。在DK4+750設置基站；利用動走線K1+662、K1+418處光纖直放站，分別增設1副溫玉方向天線。暫按在K1+418處設置1座50 m鐵塔，后期進一步根據場坪情況研究鐵塔設置方案。K1+662、K1+418處光纖直放站主信號引自溫嶺站，從信號引自DK4+750基站；將甬臺溫K493+671基站改為數(shù)字直放站，鐵塔高度、天線方位角不變，DK4+750處、溫嶺站基站分別作為主備基站信源。小區(qū)切換順序為DK0+000（溫嶺站）小區(qū)（圖2黑色圈區(qū)域）→DK4+750小區(qū)（圖2紅色圈區(qū)域）。

根據時延計算公式，L1取值3.528，N取值3，L3取值1.156，可得出杭紹臺K1+418處數(shù)字光纖直放站時延T≈43.95 μs；L1取值3.915，N取值1，L3取值3.915，可得出甬臺溫K493+671處數(shù)字光纖直放站時延T≈51.99 μs；L1取值4.4，N取值3，L3取值2.9，可得出杭紹臺K2+279處數(shù)字光纖直放站時延T≈54.07 μs；因此本方案最大時延為54 μs，滿足時延不大于100 μs的要求。

溫嶺站附近基站覆蓋有效電平示意見圖3。溫嶺站附近基站覆蓋重疊區(qū)域示意見圖4。

圖3 溫嶺站附近基站覆蓋有效電平示意

圖4 溫嶺站附近基站覆蓋重疊區(qū)域示意

從圖3可以看出，杭紹臺K3+977（溫嶺存車場）、溫玉DK4+750、溫嶺站等3處基站信號覆蓋電平在-72 dBm左右，信號電平值滿足設計時速350 km時，最小電平容量大于-92 dBm的要求；從圖4可以看出，溫嶺站小區(qū)與杭紹臺K3+977（溫嶺存車場）切換區(qū)在溫嶺存車場及K2+279之間（圖4中青色區(qū)域），溫嶺站小區(qū)與溫玉DK4+750切換區(qū)在甬臺溫K493+671與三岔段之間（圖4中青色區(qū)域）。

3.2 溫嶺線路所附近與甬臺溫線、杭紹臺線、甬臺溫至杭紹臺上/下行聯(lián)絡線交叉并線區(qū)段

溫玉鐵路在溫嶺線路所至溫嶺站間區(qū)段與甬臺溫線、杭紹臺線以及甬臺溫至杭紹臺下行聯(lián)絡線存在交叉并線區(qū)段，線路關系示意見圖5。圖5中，紅色為杭紹臺線，藍色為杭紹臺線以及甬臺溫至杭紹臺下行聯(lián)絡線，黑色為甬臺溫線。

圖5 線路關系示意（溫嶺線路所附近）

甬臺溫線在甬臺溫K485+699、甬臺溫K489+756（溫嶺站）設基站；在甬臺溫K486+876設模擬光纖直放站，連接甬臺溫K485+699基站，完成其線路信號覆蓋。小區(qū)切換順序為甬臺溫K485+699小區(qū)→甬臺溫K489+756（溫嶺站）小區(qū)。

杭紹臺線為時速350 km的CTCS-3級列控線路，采用單網交織冗余信號覆蓋方案。在杭紹臺K0+058（溫嶺線路所）設基站；在杭紹臺K321+483、杭紹臺K321+805設數(shù)字直放站，連接杭紹臺K0+058（溫嶺線路所）、溫嶺站基站，分別作為主備基站信源；將甬臺溫K485+699基站、甬臺溫486+876模擬光纖直放站改為數(shù)字光纖直放站，并連接溫嶺線路所、溫嶺站基站，分別作為主備基站信源，完成交叉并線區(qū)段信號覆蓋。小區(qū)切換順序為溫嶺線路所小區(qū)→溫嶺站小區(qū)。

甬臺溫至杭紹臺下行聯(lián)絡線與杭紹臺正線并行，無線網絡覆蓋標準及方案與杭紹臺正線一致。

甬臺溫至杭紹臺上行聯(lián)絡線在BSDK0+650處有CTCS-2與CTCS-3級間轉換，故無線網絡覆蓋方案按單網交織考慮。在BSDK1+638、BS?DK2+352設直放站，連接溫嶺線路所、溫嶺站基站分別作為主備基站信源，完成其軌面無線信號覆蓋。小區(qū)切換順序為溫嶺線路所小區(qū)（圖5黑色圈區(qū)域）→溫嶺站小區(qū)（圖5紅色圈區(qū)域）。

根據時延計算公式，L1取值2.38，N取值2，L3取值0.94，可得出溫玉BSDK1+638處數(shù)字光纖直放站時延T≈36.00 μs；L1取值4.39，N取值2，L3取值2.95，可得出溫玉BSDK2+352處數(shù)字光纖直放站時延T≈52.69 μs；因此本方案最大時延為53μs，滿足時延不大于100 μs的要求。

溫嶺線路所附近基站覆蓋有效電平示意見圖6，重疊區(qū)域示意見圖7。

圖6 溫嶺線路所附近基站覆蓋有效電平示意

圖7 溫嶺線路所附近基站覆蓋重疊區(qū)域示意

從圖6可以看出，溫嶺線路所、溫嶺站等2處基站信號覆蓋電平在-72 dBm左右，信號電平值滿足設計時速350 km時，最小電平容量大于-92 dBm的要求；從圖7可以看出，溫嶺線路所小區(qū)及溫嶺站小區(qū)切換區(qū)在溫嶺站往小里程及三岔段之間（圖7中青色區(qū)域）。

4 結束語

本文對溫玉鐵路在溫嶺站附近與甬臺溫線、杭紹臺動走線交叉并線區(qū)段，在溫嶺線路所附近與甬臺溫線、杭紹臺線、甬臺溫至杭紹臺上/下行聯(lián)絡線的交叉并線區(qū)段GSM-R無線網絡覆蓋情況進行了深入分析，并結合溫玉鐵路設計中遇到的問題，提出幾點建議：①設計中應統(tǒng)籌考慮現(xiàn)有鐵路資源、新建及既有鐵路線路列控系統(tǒng)等級、預留鐵路等因素，合理設置基站小區(qū)；②涉及到既有鐵路GSM-R網絡改造時，充分利用既有通信設施及資源，綜合考慮工程成本及方案復雜度；③涉及到既有鐵塔加高的情況，實施時重點關注，進一步根據場坪情況研究鐵塔設置方案；④數(shù)字光纖直放站具有組網靈活、時延補償、調試方便等優(yōu)點，實際工程中需結合設備造價、光纖資源利用等綜合考慮設置數(shù)字光纖直放站［13-14］。