西成客運專線部分特殊地段GSM-R網絡覆蓋方案研究

楊玉修

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司通號處,西安 710043)

西安至成都客運專線北起陜西省西安市,設計速度目標值為250 km/h,陜西省境內線路全長343 km,橋梁占線路全長的38.3%,隧道占線路全長的55.4%。沿線公網覆蓋率低,鐵路通信在多數地段成為唯一通信手段；加之鐵路沿線交通不便,設備維護存在一定困難。工程設計時需要對特殊地段的覆蓋方案做仔細推敲,以保證沿線GSM-R移動通信系統(tǒng)可靠安全運行,下面就西安至成都客運專線GSM-R移動通信系統(tǒng)工程設計中在部分特殊地段覆蓋方案做一探討。

1 新建線路與既有線路并行一段后雙繞

1.1 西成客運專線與客北環(huán)線概況

西成客運專線自西安北站引出后,與客北環(huán)線并行13 km后上跨客北環(huán)線,向西南方向延伸?？捅杯h(huán)線GSM-R移動通信系統(tǒng)采用單網交織方式覆蓋,與西成客運專線并行地段基站位置已固定,設置于A、B、C、D、E處(圖1)。

西成客運專線正線移動通信系統(tǒng)采用普通單網方式覆蓋,但在西安北車站14 km范圍之內需要按CTCS-3級列控系統(tǒng)設計,在此范圍之內需要采用單網交織方式覆蓋。

1.2 設計思路

西成客運專線的引入既不能影響既有客北環(huán)線交織網絡結構,又需要滿足本線移動通信的要求。

西成客運專線與客北環(huán)線并行地段間距最大為120 m,長度約為1 km,其余12 km與客北環(huán)線間距為50 m,根據OH模型分析,西成客運專線在客北環(huán)線基站覆蓋范圍之內,在并行地段不新設基站。

交叉區(qū)段內要保證各基站之間信號切換位置相對固定,不出現誤切換情況,須盡量將切換區(qū)遠離交叉區(qū)段。西成客運專線上跨客北環(huán)線后沿西南方向延伸,其與客北環(huán)線交叉位置處最近的基站為D。

在客北環(huán)線D基站處同站址增設1套基站及1套傳輸設備,新增基站的優(yōu)先級按低于原基站設置。鐵塔上層平臺增加1幅朝西成客運專線方向的定向天線,鐵塔下層平臺設置1幅朝西成客運專線方向的定向天線和兩幅朝客北環(huán)線方向的定向天線,原基站連接上層平臺的3幅天線,增設基站連接下層平臺的3幅天線,基站饋線通過串接3口功率分配器與平臺上的3幅定向天線相連。將西成客運專線繞開段與客北環(huán)線切換位置向分支方向移動,并相對固定。

西成客運專線第一個基站F位置選址于距D基站約5 km左右處,降低天線鐵塔的高度,并調整下傾角,使覆蓋范圍不與C、E基站覆蓋范圍有重疊區(qū)域。當D基站其中的1套基站故障或1套傳輸設備故障,均不影響切換區(qū)的位置。西成客運專線增加的第1處F基站與C、E處基站不會發(fā)生信號切換,滿足在并線及交叉區(qū)客北環(huán)線與西成客運專線GSM-R移動通信系統(tǒng)交織覆蓋的要求,不需遷改客北環(huán)線既有的基站。

客北環(huán)線A基站和咸陽西車站基站為3載頻,區(qū)間基站為2載頻,沿線頻率采用7小區(qū)帶狀復用模式,根據表1客北環(huán)線頻率劃分表,可將小區(qū)內富余頻點1015、1018調配至D基站處新增的基站,不影響既有客北環(huán)線的頻率規(guī)劃。

表1 客北環(huán)線頻率劃分

D處基站同站址增設的1套基站歸屬于客北環(huán)線的基站控制器BSC,GSM-R接口監(jiān)測系統(tǒng)在A接口信令的采集上可以采集到所有A接口的信令時隙。在路局核心網的2處BSC中只需增加客北環(huán)線D處基站與西成客運專線F處基站的臨區(qū)關系,即可完成西成客運專線與客北環(huán)線發(fā)生的一次跨BSC之間切換。

西成客運專線與客北環(huán)線并線及交叉區(qū)段無線覆蓋方案見圖1。

圖1 并線及交叉區(qū)段無線覆蓋方案

2 隧道輔助坑道GSM-R覆蓋方案

西成客運專線全線大于10 km隧道有7座,其中東梁山隧道長14.834 km,在該隧道的一側出口處與正線平行修建1條輔助坑道,輔助坑道長為6.8 km,與正線水平間距為50 m,與正線隧道之間通過橫通道聯(lián)絡。

輔助坑道在隧道建好后作為應急避難所、逃生通道,平時維修人員在非“天窗時間”通過輔助坑道進出隧道內,進行設備維護,對隧道輔助坑道內需進行GSM-R無線信號覆蓋。

2.1 正線隧道內無線信號覆蓋情況

正線隧道內GSM-R移動通信信號采用光纖直放站加漏泄同軸電纜方式覆蓋。直放站之間的間距為2 km,為了降低直放站底噪對基站的影響,西成客運專線設計時1套基站按帶4～5臺直放站遠端機設備考慮,基站設于隧道外,東梁山正線隧道內無線覆蓋方案見圖2。

圖2 正線隧道內無線覆蓋方案

2.2 輔助坑道內信號覆蓋的設計原則

隧道輔助坑道具有特殊性,大部分時候雖沒有通信業(yè)務需求,但在應急或維修時又必須能滿足信號互通。出口平道內信號覆蓋方案不同于正線隧道,輔助坑道內信號覆蓋應滿足如下設計原則：

(1)保證輔助坑道內GSM-R信號覆蓋質量；

(2)最大程度降低投資；

(3)減少對正線GSM-R無線信號的干擾。

2.3 輔助坑道內無線信號覆蓋方案比選

方案1：采用新設直放站和漏泄同軸電纜方式覆蓋。

利用正線隧道口設置的GSM-R基站,在輔助坑道內設置光纖直放站遠端機,側壁上附掛漏泄同軸電纜。根據輔助坑道的特殊性,直放站單側所帶漏泄同軸電纜的長度根據計算確定。

直放站上下行增益可以分別調整,由于直放站噪聲限制,直放站系統(tǒng)一般是上行受限,因此下行方向的增益可以較為靈活的調整。輔助坑道內移動臺移動速度v<220 km/h,根據表2參數值對上下行做功率預算。

表2 鏈路預算各因子參數值

下行最大路徑損耗：

Lp=直放站發(fā)射功率-直放站饋線及接頭損耗-功分器損耗-移動臺饋線及接頭損耗-設計余量-移動臺設計最小接收電平=43-2-3-2-14-(-98)=120 dB。

上行最大路徑損耗：

Lp=移動臺發(fā)射功率-移動臺饋線及接頭損耗-直放站饋線及接頭損耗-功分器損耗-設計余量-直放站設計最小接收電平=39-2-2-3-14-(-102)=120 dB

上下行鏈路最大路徑損耗相等,設計取最大路徑損耗取值為120 dB。根據路徑損耗值計算的直放站單方向所帶漏泄同軸電纜的長度為1.6 km,輔助坑道采用直放站加漏泄電纜覆蓋方式,見圖3。

圖3 輔助坑道采用直放站加漏泄電纜覆蓋

取直放站上行增益與基站發(fā)射機至直放站的所有損耗相等,計算直放站對基站接收靈敏度的影響。

基站接收端噪聲

(1)

式中，N為熱噪聲,N=-121dBm；Nfbts為基站噪聲系數,Nfbts=2dB。

基站連接5臺直放站遠端機時候基站接收端的總噪聲

(2)

式中，Nprep為5個直放站的上行噪聲,Nprep=-121 dBm+4 dB-10+lg(5)。

由(1)、(2)式得基站靈敏度下降ΔNbts=Nptotal-基站接收端噪聲=-109.5-(-119)=9.5 dB。

增加2臺直放站遠端機時基站接收端的總噪聲

(3)

由(1)、(3)式得基站靈敏度下降ΔNbts=Nptotal-基站接收端噪聲=-108.2-(-119)=10.8dB。

從計算結果得知,增加2臺直放站遠端機后引起基站靈敏度下降值增加1.3dB,需要對正線隧道內直放站的上行增益重新進行調整,否則將會抑制隧道口基站的接收靈敏度,縮小隧道口基站的覆蓋范圍。但若將正線隧道內直放站上行增益設置太小的話,又可能造成正線隧道內直放站覆蓋區(qū)域的上下行不平衡,使直放站覆蓋區(qū)域范圍收縮,對正線隧道內信號覆蓋質量產生影響。

方案2：采用新設定向天線方式覆蓋。

利用正線隧道內的光纖直放站遠端機,通過耦合器從遠端機上耦合GSM-R信號在輔助坑道側壁架掛定向天線,天線掛高4m,天線水平方向與隧道壁成10°夾角,下傾角為0°,天線朝輔助坑道內輻射信號。

根據表3參數值對上下行做功率預算。

表3 鏈路預算各因子參數值

下行最大路徑損耗：

Lp=直放站發(fā)射功率-直放站饋線及接頭損耗-功分器損耗+發(fā)射天線增益-移動臺饋線及接頭損耗-隧道內陰影衰落-汽車車體損耗-設計余量-移動臺設計最小接收電平=43-4-3+10-2-12-20-14-(-98)=96 dB。

上行最大路徑損耗：

Lp=移動臺發(fā)射功率-移動臺饋線及接頭損耗-直放站饋線及接頭損耗-功分器損耗+接收天線增益-隧道內陰影衰落-汽車車體損耗-設計余量-直放站設計最小接收電平=39-2-4-3+10-12-20-14-(-102)=96 dB

上下行鏈路損耗值相等,取最大路徑損耗值為96 dB。

電磁波在隧道中傳播時,具有隧道效應,信號傳播是墻壁反射與直射的結果,直射為主要分量,電磁波主要是以主模的形式傳播。西成客運專線線路最小曲線半徑為7 000 m,選取GSM-R無線信號隧道內傳播模型為[5]

(4)

式中，PL為路徑損耗；f為信號頻率值930 MHz；d為天線至移動臺的距離。

通過(4)式計算可得隧道內定向天線覆蓋距離為1 127 m,考慮正線隧道內直放站的間距、輔助坑道的尺寸、側壁的結構和導電率影響,輔助坑道內天線的單方向覆蓋長度取值為1 000 m,輔助坑道采用定向天線覆蓋方式，見圖4。

以上2方案均可滿足輔助坑道內無線信號覆蓋要求,方案1在輔助坑道內的信號覆蓋質量高,但對隧道外基站有一定程度的影響,需要對正線隧道內直放站的上行增益進行調整,電力專業(yè)需配套設置輔助坑道內直放站供電電源,隧道專業(yè)需預埋通信線纜過軌管線,投資增加較高,后期維護工作量大。方案2實施簡便,對正線隧道內信號覆蓋干擾小,后期維護工作量少,方案性價比較高。

圖4 輔助坑道采用定向天線覆蓋

設計推薦方案2作為隧道輔助坑道內GSM-R無線信號覆蓋方案。

3 結語

GSM-R移動通信系統(tǒng)是鐵路調度通信、區(qū)間通信唯一的通信手段,同時也是防災救援的應急通信手段。對特殊地段的移動通信覆蓋方案比選優(yōu)化,從源頭上控制建設質量,是系統(tǒng)可靠運行的重要保證。本文就新建線路與既有線路交叉區(qū)段和長大隧道輔助坑道內GSM-R信號覆蓋方案作對比分析,希望能對類似工程有所借鑒。

[1] 吳克非,謝宏,曾祥兵,等.中國鐵路GSM-R移動通信系統(tǒng)設計指南[M].北京：中國鐵道出版社,2008.

[2] 鐘章隊,李旭,蔣文怡.鐵路綜合數字移動通信系統(tǒng)(GSM-R)[M].北京：中國鐵道出版社,2003．

[3] 孫儒石.GSM數字移動通信工程[M].北京：人民郵電出版社,1998．

[4] 中華人民共和國鐵道部.鐵路GSM-R數字移動通信系統(tǒng)工程設計暫行規(guī)定[S]. 北京：中國鐵道出版社,2007.

[5] 中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設計規(guī)范(試行)[S].北京：中國鐵道出版社,2009．

[6] 李慶.包西鐵路GSM-R網絡跨BSC切換方案研究[J].中國鐵路,2011(10)：35-37．

[7] 劉立海,劉建宇.特殊CTCS-3級區(qū)段GSM-R方案設計與優(yōu)化[J].鐵路技術創(chuàng)新,2011(2)：13-16．

[8] 余晨輝.高速鐵路隧道無線傳播損耗模型校正[J].移動通信,2007,31(12)：73-76．

[9] 鄭國莘,張文海,張躍平,盛劍桓.鐵道隧道中無線電波傳播特性的研究[J].鐵道工程學報,1999(1)：92-97．

[10] 沈吟.合蚌客運專線特殊區(qū)段GSM-R方案研究與探討[J].鐵道標準設計，2011(8)：105-107.

[11] 張會清,劉林,王普,任明榮,高學金.隧道中無線電波多徑傳播特性及仿真[J].電子測量與儀器學報,2008(S)：273-278.