特殊CTCS-3級(jí)區(qū)段GSM-R方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化

■ 劉立海 劉建宇

GSM-R網(wǎng)絡(luò)是我國鐵路綜合無線通信平臺(tái)，為鐵路提供無線、有線相統(tǒng)一的調(diào)度通信、區(qū)間無線通話等語音通信業(yè)務(wù)及調(diào)度命令無線傳送、無線車次號(hào)校核等通用分組無線服務(wù)業(yè)務(wù)（GPRS），為CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)（簡稱C3）提供電路域數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)。隨著我國鐵路建設(shè)的發(fā)展，GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)呈現(xiàn)網(wǎng)狀格局，網(wǎng)絡(luò)化、區(qū)域化越來越明顯，形成了一些特殊的C3區(qū)段，如引入樞紐的C3線路、C3線路與非C3線路并行或共線、樞紐內(nèi)開通C3的聯(lián)絡(luò)線、預(yù)留升級(jí)至C3的區(qū)段等。在這些特殊C3區(qū)段內(nèi)GSM-R系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)施存在一些問題。下面將對(duì)其中一些主要問題如覆蓋方案、干擾、頻率資源分配、接口監(jiān)測(cè)、土建及配套預(yù)留等進(jìn)行研究，提出解決方案與建議。

1 特殊C3區(qū)段GSM-R方案設(shè)計(jì)

1.1 特殊C3區(qū)段的形成

（1）新建C3線路引入既有大型車站和樞紐。新建鐵路與既有樞紐內(nèi)各線路速度等級(jí)、列控方式可能不同。

（2）新建C3線路沿既有鐵路并行、或相近并行、或跨越、或岔行。

（3）低速C3線路，特別是曲線半徑小按C3方式運(yùn)行的低速聯(lián)絡(luò)線。

（4）時(shí)速250 km的CTCS-2級(jí)列控（簡稱C2）線路升級(jí)至?xí)r速350 km的C3線路，或按C2標(biāo)準(zhǔn)開通、預(yù)留C3的線路。

（5）C3線路在既有C2線路上延伸。

將以上區(qū)段稱為特殊C3區(qū)段，這些區(qū)段有個(gè)共同特點(diǎn)，均需要建設(shè)GSM-R網(wǎng)絡(luò)并承載C3列控信息無線傳送業(yè)務(wù)。

1.2 GSM-R方案設(shè)計(jì)遇到的問題

1.2.1 覆蓋方案選擇困難

覆蓋方案是選擇加密基站實(shí)現(xiàn)單網(wǎng)交織，還是在原站址增加基站實(shí)現(xiàn)同址雙覆蓋，需要進(jìn)行選擇。在特殊C3區(qū)段，通常存在既有的450 M Hz無線列調(diào)系統(tǒng)或非冗余覆蓋的GSM-R系統(tǒng)。由于受地形限制，如彎道、城區(qū)等地形因素，通過新建和增加基站方式難以實(shí)現(xiàn)冗余覆蓋。特

別是既有GSM-R站址位置和間距難以滿足冗余覆蓋的要求，可能需要遷改既有基站。

1.2.2 干擾及相互影響

在既有GSM-R網(wǎng)絡(luò)區(qū)段附近增建C3線路時(shí)，新增基站或直放站設(shè)備將面臨GSM-R網(wǎng)內(nèi)干擾，即來自既有GSM-R網(wǎng)絡(luò)的干擾及相互干擾。聯(lián)絡(luò)線一般速度較低，冗余覆蓋容易造成基站過密或乒乓切換，頻繁地切換可導(dǎo)致無差錯(cuò)傳輸指標(biāo)[1]不能滿足要求，可能需要調(diào)整既有網(wǎng)絡(luò)。但由于是運(yùn)營系統(tǒng)，既有鐵路的GSM-R網(wǎng)絡(luò)調(diào)整顯得非常困難。

1.2.3 頻率資源緊張

由于樞紐內(nèi)各鐵路相互獨(dú)立運(yùn)行，無線用戶較多，無線通信信道需求量大。樞紐內(nèi)基站較多，載頻需求量大，很容易導(dǎo)致頻率資源緊張、頻率分配困難。

1.2.4 GSM-R接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集范圍

按照目前的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求[2-3]，C3區(qū)段需要配備GSM-R接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過監(jiān)測(cè)Abis接口、A接口及PRI接口的信令和數(shù)據(jù)追蹤C(jī)3用戶，監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，協(xié)助故障分析和定位。由于這些C3區(qū)段可能由歸屬于不同基站控制器（BSC）的基站覆蓋，而且這些BSC可能還接入其他非C3線路的基站。在A接口信令采集上，如果不采集所有A接口的信令時(shí)隙，則可能跟蹤不到用戶，如果采集所有A接口信令，則代價(jià)較大。如果Ab is接口監(jiān)測(cè)范圍不夠全面，C3用戶提前呼叫時(shí)可能不能被跟蹤。

1.2.5 配套系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于C3區(qū)段的GSM-R網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳輸要求較高，一般相鄰或同址的2個(gè)基站不能利用同一套傳輸設(shè)備，不能利用同路徑的光纜。在既有線增加基站時(shí)要考慮如何解決傳輸系統(tǒng)設(shè)置和既有基站的傳輸通道調(diào)整等問題。

如果鐵路建設(shè)方案是在C2標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上升級(jí)或預(yù)留升級(jí)C3標(biāo)準(zhǔn)，要考慮新增基站所需的傳輸光纜過軌、光纜從橋梁上引下及隧道內(nèi)設(shè)備安裝條件等問題。

特殊C3區(qū)段還存在列車調(diào)度通信地面系統(tǒng)、車載系統(tǒng)與信號(hào)接口系統(tǒng)配套及一致性問題，詳見文獻(xiàn)[5]。

2 特殊C3區(qū)段GSM-R方案設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 無線覆蓋方案

C3區(qū)段的無線覆蓋方案包括無線覆蓋冗余方式、站址及天線掛高選擇、設(shè)備連接、設(shè)備選型等，其方案還受既有基站設(shè)置、頻率資源分配、干擾容忍度等因素影響。

樞紐內(nèi)的無線覆蓋規(guī)劃在文獻(xiàn)[4]中進(jìn)行了詳細(xì)討論，提出無線覆蓋方案設(shè)計(jì)要聯(lián)合進(jìn)行、統(tǒng)籌規(guī)劃、分批建設(shè)?！陡咚勹F路設(shè)計(jì)規(guī)范》和《鐵路客運(yùn)專線通信技術(shù)裝備標(biāo)準(zhǔn)》均有C3區(qū)段無線覆蓋冗余的要求。但是低速C3線路是否需要執(zhí)行這2個(gè)規(guī)范，值得商榷；若運(yùn)營維護(hù)管理上有規(guī)定另當(dāng)別論。另外，在樞紐內(nèi)由于彎道和城區(qū)房屋阻擋，難以實(shí)現(xiàn)單網(wǎng)交織覆蓋，若采用同址雙基站覆蓋方式比較方便，而且采用后者還可以減少這些特殊地段的征地和電力配套，能有效地控制投資。

在低速C3區(qū)段或既有C2普通單網(wǎng)基礎(chǔ)上改建高速C3區(qū)段，推薦在原站址增加基站，形成雙覆蓋或雙網(wǎng)。特別是既有線升級(jí)方面，由于在2個(gè)既有基站間插入一個(gè)基站，基站間距可能較密，切換次數(shù)較多，采用同址雙覆蓋方案比較合適。但考慮主用、備用層及用戶監(jiān)測(cè)跟蹤，有條件時(shí)，建議此區(qū)段的基站統(tǒng)一接入C3區(qū)段的BSC。若難以實(shí)現(xiàn)，應(yīng)將主要服務(wù)C3用戶的基站設(shè)置為主用層，連接到C3區(qū)段的BSC。

對(duì)于沿既有線附近建設(shè)高速C3線路，有條件的還是可以盡量采用單網(wǎng)交織，以提高抗站址單點(diǎn)故障能力。

對(duì)于分叉和交越的情況，采用同址雙基站方式比較合適，此方案在京滬高鐵和滬寧城際高鐵相關(guān)區(qū)段運(yùn)用較多。

無線覆蓋設(shè)備選擇方面，不一定要局限于宏基站和普通直放站模式，可以選擇分布式基站或數(shù)字直放站擴(kuò)大小區(qū)，以克服頻繁的切換和普通模擬直放站由于時(shí)延差造成的多徑干擾。

此外，要控制好鐵塔高度，堅(jiān)持“鐵塔應(yīng)盡量低，高到滿足覆蓋即可”的原則，因?yàn)檫^高的天線容易與相鄰線路的GSM-R基站形成相互干擾。

2.2 干擾

網(wǎng)內(nèi)干擾將是主要的干擾類型，干擾來源于多方面。由于GSM-R系統(tǒng)是一個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，采用同頻復(fù)用提高頻率資源利用率，由此引入了同信道干擾（也稱同頻干擾）。由于樞紐內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)大的頻率復(fù)用間隔，容易造成較大的同信道干擾。鄰信道干擾（也稱鄰頻干擾）也影響通信質(zhì)量。

通過聯(lián)合頻率規(guī)劃可以減小干擾，但不能完全避免。通過無線規(guī)劃覆蓋仿真可以模擬計(jì)算干擾，但不能反映干擾對(duì)C3數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?。?shí)際中，通常將同信道干擾和鄰信道干擾要求按高于GSM規(guī)范要求的參考值進(jìn)行設(shè)計(jì)，增加了覆蓋設(shè)計(jì)和頻率規(guī)劃的難度。如果要提高干擾要求指標(biāo)，需要清楚這2個(gè)指標(biāo)與最終通信質(zhì)量之間的定量對(duì)應(yīng)關(guān)系。這需要通過開展與實(shí)際環(huán)境和設(shè)備編解碼一致的蒙特卡羅仿真（信道仿真、GSM調(diào)制解調(diào)仿真、編解碼器仿真）進(jìn)行性能估計(jì)，并通過實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證獲取定量對(duì)應(yīng)關(guān)系。目前這方面還很少有較為權(quán)威的數(shù)據(jù)，難以給出定量結(jié)果。

干擾強(qiáng)度及影響需要在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化階段通過測(cè)試數(shù)據(jù)來分析，特別是隨著GSM-R系統(tǒng)數(shù)量的增加，新建線路與既有線路的GSM-R網(wǎng)路之間很容易相互干擾，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化需要有全網(wǎng)和面狀區(qū)域的概念，而不是局限于單條鐵路。頻率調(diào)整是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、干擾控制的一種途徑，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化更重要的是需要調(diào)整天線的角度甚至高度。

2.3 頻率分配

在特殊C3區(qū)段，覆蓋方案、干擾控制與頻率資源有直接關(guān)系。通常頻點(diǎn)少，期望短時(shí)間內(nèi)增加頻點(diǎn)數(shù)量非常困難，因此需要從頻率分配和信道利用率方面緩解矛盾。

首先，考慮C2線路區(qū)間，在一個(gè)基站下通常最多只有兩列車，用戶數(shù)量非常少，區(qū)間除了車次號(hào)業(yè)務(wù)和偶爾的調(diào)度命令傳送外，語音通話很少。因此建議在頻率緊張的區(qū)間將現(xiàn)有C2線路區(qū)間基站調(diào)整為單載頻配置，但載頻板應(yīng)冗余配置。還可以考慮開通半速率業(yè)務(wù)來增加無線信道數(shù)量，從而緩解頻率資源緊張的局面。

其次，樞紐內(nèi)小區(qū)盡量擴(kuò)大覆蓋范圍，利用Trunking效應(yīng)，匯聚話務(wù)量，提高單個(gè)小區(qū)內(nèi)的信道利用率。擴(kuò)大小區(qū)可以增大頻率復(fù)用因子，從而提高頻率利用率。

考慮利用GPRS進(jìn)行列控信息傳輸，以解決C3通信對(duì)信道單獨(dú)占用。還可考慮利用公眾移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)提供非專用和非安全應(yīng)用的語音和數(shù)據(jù)通信，降低鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。

2.4 接口監(jiān)測(cè)

在特殊C3區(qū)段，部分需要利用既有C2線路基站解決覆蓋問題，需要注意接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。如果方案選擇不當(dāng)，容易造成C3用戶不能被跟蹤或用戶跟蹤丟失。下面通過一個(gè)簡單的例子說明。新建C3線路與一段既有C2線路并行，后增加的C3線路在原C2線路的基站A1—A4間增加基站B1—B4。分別接入不同BSC的方案（有來回跨BSC切換），見圖1（a）。由于C2區(qū)段一般沒有接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為了防止用戶在C2線路基站發(fā)起呼叫無法跟蹤識(shí)別用戶，或用戶切換到C2線路基站下用戶跟蹤丟失，需要對(duì)這些C2線路的基站也進(jìn)行接口監(jiān)測(cè)。Ab is接口的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集還比較容易實(shí)現(xiàn)，增加相關(guān)的幾個(gè)基站Abis接口即可，但A接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集比較麻煩，可能需要對(duì)BSC A下所有包含信令時(shí)隙的A接口進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這樣代價(jià)較大，數(shù)據(jù)處理量很大。因此這些區(qū)段通常需要調(diào)整為圖1（b）的方案，該方案可避免接口監(jiān)測(cè)用戶跟蹤數(shù)據(jù)丟失及頻繁的跨BSC切換。

當(dāng)C3線路接入原設(shè)計(jì)為C2模式控車的車站，并且按C3模式進(jìn)出站，或既有C2區(qū)段改為C3區(qū)段時(shí)，也存在此類問題。采用圖1（b）方案的前提是兩條線的基站屬于同一供應(yīng)商的設(shè)備，否則直接改換基站連接BSC的方案不可行。這時(shí)有以下幾種方案：

（1）將幾個(gè)與C2線路有關(guān)的基站更換為與C3線路相同類型的基站；

（2）增加監(jiān)測(cè)BSC A的A接口信令和相關(guān)Ab is接口；

（3）將此區(qū)段調(diào)整為同址雙網(wǎng)或同址雙覆蓋，盡量將C3線路的基站調(diào)整為主用層，僅監(jiān)測(cè)BSC B下的基站；少量進(jìn)入BSC A的用戶，通過PRI接口跟蹤，待用戶回到BSC B下后，通過時(shí)間戳或其他方式進(jìn)行模糊查詢確定用戶。

2.5 預(yù)留C3條件下的傳輸、土建預(yù)留

由于建設(shè)成本及客流量等原因，部分線路可能在建設(shè)初期按最高速度250 km/h的C2線路開通，站前不易改造的基礎(chǔ)設(shè)施按預(yù)留350 km/h開通C3的方案設(shè)計(jì)。在此情況下，初期列車控制采用C2模式。對(duì)于通信系統(tǒng)，區(qū)間不用考慮GSM-R無線信號(hào)冗余覆蓋，可減少基站數(shù)量，節(jié)省建設(shè)和維護(hù)成本，減少對(duì)土地資源的占用，降低能耗。但是為了將來提速至350 km/h、升級(jí)到C3線路時(shí)通信系統(tǒng)及配套系統(tǒng)容易實(shí)施，減少廢棄工程，避免過多增加投資，有2種較為可行的方案。

方案一：按同址雙覆蓋或雙網(wǎng)規(guī)劃，初期按單覆蓋建設(shè)，將來按同址雙覆蓋增建。機(jī)房空間需要考慮預(yù)留增加至少1套基站、1傳輸設(shè)備的安裝空間，如將來需要安裝直放站，還要考慮近端機(jī)、遠(yuǎn)端機(jī)的安裝空間，光纜可待后期使用時(shí)按分歧方式引入。隧道洞室附近預(yù)留過軌，橋梁預(yù)留鋸齒孔便于雙側(cè)光纜下橋，路基地段在基站處預(yù)留過軌，便于為雙基站構(gòu)造不同物理路徑的光傳輸網(wǎng)絡(luò)。每區(qū)間站點(diǎn)配套電力預(yù)留約2 kW余量。

方案二：按單網(wǎng)交織覆蓋規(guī)劃，初期隔站建設(shè)，靠近車站區(qū)域以及隧道區(qū)域按交織方案建設(shè)基站、按單網(wǎng)方式實(shí)施直放站，直放站按具備升級(jí)為冗余直放站方案配置，將來按單網(wǎng)交織增加基站和直放站及鐵塔等。隧道設(shè)備洞室及過軌（含電力洞室如有）、橋梁引下、路基過軌條件全部按單網(wǎng)交織方式預(yù)留。僅預(yù)留外電總?cè)萘?，電力貫通線容量按總?cè)萘靠紤]，中間站點(diǎn)包括征地、機(jī)房、鐵塔、設(shè)備、電力箱變等均不建設(shè)。

推薦使用方案二，但是投資較大。

3 建議

對(duì)特殊C3區(qū)段GSM-R設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化建議如下：

（1）覆蓋方面可采用同址雙覆蓋或交織覆蓋方案，同時(shí)采用多種覆蓋技術(shù)，如數(shù)字直放站、分布式基站（BBU和RRU）。預(yù)留C3線路可以考慮按單網(wǎng)交織規(guī)劃，分步實(shí)施。

（2）開展干擾計(jì)算分析、測(cè)試驗(yàn)證工作，給出干擾和應(yīng)用層通信質(zhì)量關(guān)系的定量分析。開展通信、信號(hào)聯(lián)合設(shè)計(jì)優(yōu)化，探究C3線路具體的通信質(zhì)量要求指標(biāo)，將應(yīng)用的需求與無線質(zhì)量之間關(guān)聯(lián)起來，優(yōu)化GSM-R網(wǎng)絡(luò)載頻和頻率設(shè)置、干擾控制。

（3）核減區(qū)間基站載頻數(shù)量，開展半速率語音通信試驗(yàn)。

（4）盡量采用GPRS傳送數(shù)據(jù)，提高信道利用率。加強(qiáng)GSM-R演進(jìn)的研究，開通分組域列控?cái)?shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)，根據(jù)分組數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)，通信、信號(hào)重新聯(lián)合審核C3數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量指標(biāo)要求。

[1] 科技運(yùn)［2006］120號(hào) GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)技術(shù)體制（暫行）[S]

[2] 鐵建設(shè)［2009］209號(hào) TB 10621—2009 J 971—2009，高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范（試行）[S]

[3] 運(yùn)基通信［2010］35號(hào) 鐵路客運(yùn)專線通信技術(shù)裝備標(biāo)準(zhǔn)（試行）[S]

[4] 劉立海，胡曉紅，劉建宇，等. 樞紐GSM-R無線覆蓋方案設(shè)計(jì)與討論[J]. 中國鐵路，2009(12)：41-44

[5] 劉立海. GSM-R與無線列調(diào)共存區(qū)域列車無線通信方案研究[J]. 鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2011，8(1)：28-32