談重載鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

孫傳斌

（北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073）

以GSM-R為基礎(chǔ)通信平臺的機(jī)車同步操控技術(shù)在我國鐵路重載運(yùn)輸過程中發(fā)揮著巨大作用，以大秦線、北同蒲線、云崗支線、遷曹線等最為明顯。隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，鐵路貨物運(yùn)能大幅度提高，重載技術(shù)的推廣使用將是提升鐵路貨物運(yùn)能的有效手段，也是未來鐵路貨物運(yùn)輸發(fā)展的必然趨勢。因此，高可靠性GSM-R系統(tǒng)設(shè)計是確保重載安全的關(guān)鍵。

1 中國重載鐵路發(fā)展

我國當(dāng)前重載運(yùn)輸指列車載重在5 000 t以上，按每節(jié)車載重60、70、80 t計算（外加自重20～23 t），約需50、54、60節(jié)車廂，列車長度達(dá)650 m、700 m、780 m長（車廂長度為13 m左右），1萬t列車長度則分別為1 300 m、1 400 m、1 560 m；2萬t列車更長。列車載重量和長度增加，單機(jī)車將無法牽引，須由多臺機(jī)車牽引。

多臺機(jī)車牽引首先需要解決如何編組，其次解決多臺機(jī)車同步加速牽引、減速制動。2004年初，2萬t重載組合列車試驗在大秦線拉開，先后以450 M數(shù)字電臺和800 M數(shù)字電臺作為機(jī)車同步操控系統(tǒng)中LOCOTROL技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸平臺、4臺韶山4型機(jī)車分別牽引5 000 t列車組成的2萬 t組合列車實驗成功。由于是點對點通信，其可靠性較差，傳輸距離受限。2005年11月，以GSM-R為機(jī)車同步操控LOCOTROL技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸平臺，由2列單元萬噸列車組成的2萬 t列車試驗成功。2006年3月，由4臺韶山4型機(jī)車以“1＋2＋1”方式牽引的2萬 t列車成功開行。后來陸續(xù)成功實現(xiàn)“1+1+可控列尾”組合2萬 t（和諧號機(jī)車牽引+C80貨車）、“1+1+可控列尾”組合1.5萬 t（C70貨車）、“1+1+列尾”組合萬噸（S4機(jī)車牽引+C80貨車）、“1+列尾”單元萬噸（和諧號機(jī)車牽引+C80貨車）等編組方式。這是世界重載鐵路領(lǐng)域中，率先將LOCOTROL技術(shù)與GSM-R平臺進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的成功典范。

目前貨運(yùn)的線路多為既有鐵路，建設(shè)時間較早、標(biāo)準(zhǔn)低，路況差、彎道多、坡度大，開行2萬 t重載列車需對站場、線路、電力、機(jī)車、車輛等配套改造，工程投資較大。因此，近期大量開行2萬t列車可能性較小，部分重點線路開行2萬 t、多數(shù)線路開行萬噸以下重載列車將是鐵路貨運(yùn)的近期發(fā)展方向。當(dāng)前，采用C70系列貨車、S4機(jī)車（或同級別機(jī)車）牽引的較多，并未大量采用和諧號機(jī)車。因此，“1+1+可控列尾”的2萬 t組合列車（和諧號機(jī)車牽引）、“1+列尾”（和諧號機(jī)車牽引）或“1+1+列尾”（S4或同級別機(jī)車牽引）的萬噸及萬噸以下組合列車將是重載鐵路的主要編組方式。

2 GSM-R機(jī)車同步操控和可控列尾系統(tǒng)原理

機(jī)車同步操控系統(tǒng)由車載通信單元（OCU）、地面應(yīng)用節(jié)點（AN）和GSM-R網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，如圖1所示。通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)和地面應(yīng)用節(jié)點完成的OCU的注冊、注銷、安全認(rèn)證、鏈路連接、會議編組控制和保持等功能，在主控機(jī)車和從控機(jī)車之間傳輸機(jī)車同步操控的各種數(shù)據(jù)。所有控車信息由主控機(jī)車發(fā)出，通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)和AN實現(xiàn)將控車信息傳送至從控機(jī)車，保證機(jī)車同步運(yùn)行。列車在行駛過程中，主控機(jī)車和每個從控機(jī)車的OCU均占用1個CSD無線信道。

可控列尾系統(tǒng)由機(jī)車部分、列尾主機(jī)、GSM-R網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，如圖2所示。當(dāng)司機(jī)需要制動時，操縱機(jī)車制動機(jī)減壓，這時均衡風(fēng)缸壓力及主風(fēng)管壓力通過機(jī)車運(yùn)行監(jiān)控裝置（LKJ）送到列尾司機(jī)控制盒，經(jīng)過判斷后，司機(jī)控制盒將減壓信息（包括減壓起始時間及減壓量等），通過OCU→GSM-R網(wǎng)絡(luò)→AN→GSM-R網(wǎng)絡(luò)→列尾主機(jī)GSM-R數(shù)據(jù)處理模塊（TCU），TCU將相關(guān)數(shù)據(jù)通過RS-422接口送到列尾主機(jī)的控制單元里，控制單元根據(jù)機(jī)車傳輸?shù)臏p壓信息通過可控電磁閥進(jìn)行排風(fēng)、減壓，完成機(jī)車與可控列尾裝置同步減壓，達(dá)到列車頭尾同時制動的目的。列車在行駛過程中，可控列尾主機(jī)占用1個CSD無線信道。

3 GSM-R系統(tǒng)冗余設(shè)計

機(jī)車同步操控系統(tǒng)由OCU、AN、GSM-R網(wǎng)絡(luò)組成；可控列尾系統(tǒng)由機(jī)車部分、列尾主機(jī)、GSM-R網(wǎng)絡(luò)組成。OCU的GSM-R信道機(jī)、控制單元、記錄單元和電源部分都各自包含兩套獨(dú)立工作且互為熱備的單元；AN節(jié)點的編組控制單元采用了A、B雙機(jī)備份，與GSM-R網(wǎng)絡(luò)中MSC之間接口板采用“1+1”備份；可控列尾主機(jī)的主控單元和GSM-R數(shù)據(jù)模塊采用“1+1”熱備方式；均提升了系統(tǒng)可靠性和可用性。因此，采用冗余的GSM-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)計就成了提升機(jī)車同步操控系統(tǒng)和可控列尾系統(tǒng)可靠性和可用性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.1 正線線路GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計

與客運(yùn)專線不同的是重載線路LOCOTROL對頻率資源需求量較大和可控列尾業(yè)務(wù)場強(qiáng)電平要求較高，滿足重載頻率資源和場強(qiáng)需求，保證各種GSM-R業(yè)務(wù)可用，也是GSM-R網(wǎng)絡(luò)可靠性和冗余設(shè)計需要考慮的問題。

3.1.1 GSM-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)計電平需求

GSM-R系統(tǒng)設(shè)計暫行規(guī)定，機(jī)車頂部天線最小可用接收電平應(yīng)為-95 dBm，由于電平值越低抗干擾能力越弱，通信質(zhì)量越差，工程設(shè)計時一般考慮9～12 dB設(shè)計余量。如果有可控列尾設(shè)備，列尾主機(jī)安裝在列車尾部車廂掛鉤處，離地面1.5 m左右，天線增益0 dBi，當(dāng)列車靠近GSM-R基站行駛時，受車廂（金屬材質(zhì)）的阻擋造成衰減約3～5 dB。因此，有LOCOTROL+可控列尾業(yè)務(wù)的GSM-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)計最小可用接收電平至少大于-81 dB。

3.1.2 GSM-R頻率資源需求

1）區(qū)間GSM-R頻率資源需求

2萬 t列車需要3個無線信道（同步操控2、列尾1），雙向會車時則需要6個無線信道，因此2.7 km（2萬 t列車長度）范圍內(nèi)單基站覆蓋至少需要11個業(yè)務(wù)信道（6個CSD信道+1個固定GPRS信道+3個動態(tài)GPRS信道+1個語音信道）。如果出現(xiàn)事故，雙向列車均只隔1個閉塞分區(qū)（2 km估算）緊密追蹤，則7.4 km范圍（2列萬噸+1個閉塞分區(qū)）內(nèi)有4列車，需要17個業(yè)務(wù)信道（12個CSD信道+1個固定GPRS信道+3動態(tài)GPRS信道+1語音信道），考慮其他語音用戶，所需信道數(shù)更多，因此至少需要3個頻點資源。

2）車站GSM-R頻率資源需求

車站至少有2條正線和2條到發(fā)線（上下行），正常情況下正線不停車，到發(fā)線可?？?列2萬 t列車，則LODOTROL+可控列尾需要3個CSD信道資源。車站GSM-R信道總需求：N條到發(fā)線×[3個CSD信道（LODOTROL+可控列尾）+1個語音信道]+1個GPRS信道+其他業(yè)務(wù)信道需求。如果車站有4條到發(fā)線，則需要16個CSD信道（LODOTROL+可控列尾）+1個GPRS信道+其他業(yè)務(wù)信道需求。因此，車站2.7 km范圍內(nèi)至少需要3個頻點才能滿足需要。

3.1.3 正線GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計

合理的GSM-R網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計是重載列車電平、頻率資源需求及運(yùn)行穩(wěn)定和可靠的前提。目前GSM-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)計主要采用單網(wǎng)交織和同址雙網(wǎng)的覆蓋方式。

1）同址雙網(wǎng)

同址雙網(wǎng)采用同站點A、B網(wǎng)組網(wǎng)，采用了雙BSC/PCU和TRAU冗余組網(wǎng)設(shè)計，提高了無線網(wǎng)絡(luò)的可靠性。受到同頻、鄰頻干擾和載波間隔的限制，用7頻組、8頻組無法進(jìn)行頻率規(guī)劃，只能采用6頻組進(jìn)行頻率規(guī)劃（區(qū)間A網(wǎng)基站2個載頻、B網(wǎng)基站1個載頻），頻率復(fù)用度非常高，極易造成同頻或鄰頻干擾。因此，要求基站間距不能太過密集，應(yīng)盡量拉大基站間距，這與機(jī)車頂部天線接收處天線接收電平要求較高相矛盾。根據(jù)鏈路預(yù)算，要滿足-81 dB電平要求和雙向緊急追蹤頻率資源需求，天線掛高40 m時，基站間距不宜超過5.5 km。

2）單網(wǎng)交織

單網(wǎng)交織間距基站約3 km，區(qū)間電平能夠達(dá)到-65～70 dB,能更好克服車體阻擋對可控列尾的影響。區(qū)間基站按照2載頻設(shè)計，則最大可通過8頻組進(jìn)行頻率規(guī)劃，頻率復(fù)用度降低，出現(xiàn)鄰頻和同頻干擾的機(jī)率降低。單個基站覆蓋范圍內(nèi)有6個頻點可用，能滿足局部緊密追蹤時突發(fā)大容量頻率資源的需求?；鹃g距較密，易引起越區(qū)覆蓋，應(yīng)控制天線掛高和覆蓋范圍。單網(wǎng)交織的弱點在單個BSC/TRAU/PCU，當(dāng)BSC故障時GSM-R網(wǎng)絡(luò)不可用，因此BSC的主控版、電源板均采用“1+1”熱備。另外業(yè)務(wù)接口板采取相應(yīng)的措施提高可靠性：措施1是Abis、Ater和A接口板等業(yè)務(wù)接口板采用“1+1”熱備方式冗余設(shè)計進(jìn)行配置；措施2是將基站環(huán)形組網(wǎng)的環(huán)頭環(huán)尾接至BSC的不同Abis接口板上，TRAU的A接口板上的端口接在MSC側(cè)的不同A接口板上。

綜合比較，單網(wǎng)交織更適應(yīng)重載線路LOCOTROL和可控列尾業(yè)務(wù)的需要。

3.2 大型貨運(yùn)編組站GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計

大型貨運(yùn)編組站容量需求較大、頻率規(guī)劃復(fù)雜，是工程設(shè)計中的重點和難點。樞紐編組站的覆蓋方案在不斷的研究和探討，隨著新技術(shù)、新產(chǎn)品的出現(xiàn)，無線覆蓋手段越來越豐富，其中以分布式基站最為明顯。分布式基站是一種廣泛應(yīng)用于3G的技術(shù)，近年在GSM-R系統(tǒng)中也在逐漸推廣和使用。分布式基站摒棄了傳統(tǒng)模式，將基站基帶和射頻部分分離，并通過光纖將射頻部分拉遠(yuǎn)，擴(kuò)大基站覆蓋范圍。以1個編組站為例，用戶集中在兩端2～3 km范圍內(nèi)，編組站兩端7.5 km范圍內(nèi)覆蓋解決方案如圖3所示。

在15 km范圍內(nèi)設(shè)置3套宏基站，設(shè)置6套RRU（設(shè)置成共小區(qū)）和2套BBU（主備用）。RRU之間、RRU與編組站基站之間、RRU與兩端基站之間均采用交織覆蓋方式，避免了單點故障出現(xiàn)覆蓋真空。采用了類似于“中區(qū)制”方式，實現(xiàn)編組站大容量需求（編組站中心基站最大有6個頻點）及樞紐車站和線路資源共享；采用BBU+RRU共小區(qū)和冗余覆蓋方式，既擴(kuò)大了覆蓋區(qū)域，減小同頻復(fù)用因子，又實現(xiàn)了冗余覆蓋，提高了網(wǎng)絡(luò)可靠性。

3.3 MSC冗余備份設(shè)計

MSC是GSM-R網(wǎng)絡(luò)的核心，冗余備份設(shè)計是提高GSM-R網(wǎng)絡(luò)整體可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，不同廠家的MSC還不能相互冗余備份，可采用MSC pool技術(shù)和雙歸屬技術(shù)兩種方案。

3.3.1 MSC pool技術(shù)

MSC pool（MSC池）的技術(shù)是在3GPP R5版中引入的，其概念同時適用于GSM R99網(wǎng)絡(luò)，具體是指，多個MSC組成一個資源池，每個MSC同等地管轄區(qū)內(nèi)所有BSC，每個BSC與池內(nèi)每個MSC都相連（采用A-Flex功能后一個BSC可以接入多個MSC）。一旦某一MSC發(fā)生不可用（線纜斷開、MSC故障、MSC升級等）時，BSC可將其信令和業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)至MSC池中的其他MSC上，從而實現(xiàn)多個MSC間的業(yè)務(wù)備份。

鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)如果采用MSC pool技術(shù)，由于進(jìn)行屬地化管理，每個路局的MSC只能管轄本路局范圍內(nèi)移動用戶，不能管理其他路局的用戶，故彼此之間不能組成一個池。只能選擇一個獨(dú)立MSC，與各個路局MSC分別組成池，以實現(xiàn)MSC的冗余備份，實際組網(wǎng)時有“1+1”備份方式和“N+1”備份方式，如圖4所示。

3.3.2 雙歸屬技術(shù)

雙歸屬是軟交換架構(gòu)下采用的一種MSC冗余備份技術(shù)，即為主用MSC server設(shè)置一套備用MSC server，同一個媒體網(wǎng)關(guān)（MGW）歸屬于兩個MSC server，正常運(yùn)行情況下，MGW只注冊到主用MSC server上，而當(dāng)該MSC server發(fā)生故障時，MGW可注冊到備用MSC server上，繼續(xù)為此MGW下管理的用戶提供業(yè)務(wù)。

鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)采用雙歸屬技術(shù)實現(xiàn)MSC備份時，有兩種方式，“1+1”備份方式和“N+1”備份方式，如圖5所示。

兩種技術(shù)冗余備份方式均可行，采用何種備份方式主要取決于工程投資規(guī)模和網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀。

4 結(jié)束語

隨著我國鐵路貨物運(yùn)能的提高，重載列車的組合方式和控車技術(shù)也將不斷發(fā)展和演進(jìn)，在設(shè)計工作中經(jīng)常都會遇到新的問題，需在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營基礎(chǔ)上不斷總結(jié)和更加深入的研究，探索更好的冗余設(shè)計解決方案，以提高重載GSM-R系統(tǒng)的可靠性，確保鐵路運(yùn)行安全和穩(wěn)定。

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