鐵路大型站房GSM-R室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

■ 趙留俊 江凌翔

1 概述

隨著我國(guó)高速鐵路的快速建設(shè)，鐵路大型樞紐一般會(huì)新建或擴(kuò)建適合高鐵運(yùn)營(yíng)需要的客運(yùn)站房。這些站房規(guī)模都比較大，建筑質(zhì)量也比較高。由于新建站房普遍采用鋼筋框架結(jié)構(gòu)和新型墻體材料，對(duì)無(wú)線電波有較強(qiáng)的屏蔽和吸收效果，造成GSM-R信號(hào)在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生較大的衰耗，在站房?jī)?nèi)及站房地下建筑物（地下中轉(zhuǎn)大廳、出站通道等）內(nèi)形成了無(wú)線通信的盲區(qū)和陰影區(qū)，導(dǎo)致這些區(qū)域出現(xiàn)單向通話(huà)或通話(huà)時(shí)斷時(shí)續(xù)，甚至不在服務(wù)區(qū)的現(xiàn)象，影響了車(chē)站值班員和維修人員的正常使用，在一定程度上危害鐵路運(yùn)營(yíng)安全。因此需要在大型站房設(shè)計(jì)GSM-R室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)，解決站房?jī)?nèi)的覆蓋和通話(huà)問(wèn)題。

我國(guó)GSM-R網(wǎng)絡(luò)只有4 MHz頻率，共19個(gè)頻點(diǎn)，而大型車(chē)站所在的樞紐地區(qū)話(huà)務(wù)量較大，GSM-R頻率資源緊缺嚴(yán)重制約這些區(qū)域的系統(tǒng)容量，給樞紐地區(qū)的頻率規(guī)劃帶來(lái)極大的困難。因此需要確定合理的大型站房室內(nèi)覆蓋方案，提高頻率資源的使用效率。

目前一般在面積大于1萬(wàn)m2的站房新設(shè)GSM-R室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)。

2 GSM-R室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)方案

鐵路大型站房GSM-R室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)由信號(hào)源和信號(hào)分布系統(tǒng)兩部分組成，根據(jù)信號(hào)源的不同，主要有以下3個(gè)設(shè)計(jì)方案。

2.1 微蜂窩有線接入（方案1）

室內(nèi)新建微蜂窩基站作為信號(hào)源（見(jiàn)圖1）。根據(jù)站房的面積和結(jié)構(gòu)，該方案需要配置一定數(shù)量的光纖直放站近端機(jī)和遠(yuǎn)端機(jī)。

方案1的優(yōu)點(diǎn)：微蜂窩基站能分擔(dān)室外宏蜂窩覆蓋基站的話(huà)務(wù)量，增加網(wǎng)絡(luò)容量，且對(duì)室外宏蜂窩基站干擾小。其缺點(diǎn)是要為微蜂窩基站配置相應(yīng)的傳輸和電源系統(tǒng)，解決基站至交換機(jī)間的傳輸通道，投資比較大。另外，在車(chē)站進(jìn)出口處需做宏蜂窩和微蜂窩的切換，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化指標(biāo)要求較高。

2.2 宏蜂窩無(wú)線接入（方案2）

在室外基站容量富余的情況下，室內(nèi)新建射頻直放系統(tǒng)，通過(guò)施主天線接收室外宏蜂窩大站射頻信號(hào)，經(jīng)放大后轉(zhuǎn)發(fā)至室內(nèi)天線陣，覆蓋室內(nèi)弱場(chǎng)區(qū)（見(jiàn)圖2）。

方案2對(duì)室外基站影響小，不需要專(zhuān)用的傳輸通道引入，但是通過(guò)空中接口接收室外大站信號(hào)，信源不穩(wěn)定，易受干擾，可靠性低，因此目前鐵路站房的室內(nèi)覆蓋基本不采用此方式。

圖1 微蜂窩有線接入方案

圖2 宏蜂窩無(wú)線接入方案

2.3 宏蜂窩有線接入（方案3）

在室外基站容量富余的情況下，在基站所在處設(shè)置光纖直放站近端機(jī)，在站房?jī)?nèi)的通信機(jī)械室或弱電設(shè)備間設(shè)置一定數(shù)量的光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)，由此將室外信號(hào)引入室內(nèi)的覆蓋盲區(qū)（見(jiàn)圖3）。

方案3成本較方案1低，施工方便，避免了室內(nèi)覆蓋與站場(chǎng)覆蓋小區(qū)切換帶來(lái)的影響，缺點(diǎn)是光纖直放站會(huì)降低基站的接收靈敏度，減小基站的覆蓋范圍。

目前，全路已GSM-R做室內(nèi)覆蓋的站房都采用方案1或方案3。

3 信號(hào)源設(shè)計(jì)

方案1和方案3的主要區(qū)別在于信號(hào)源不同，即新設(shè)基站與正線共用基站。信號(hào)源的選擇應(yīng)該從站房室內(nèi)用戶(hù)的業(yè)務(wù)量推算出相關(guān)的信道需求，進(jìn)而決定是否新設(shè)基站。

室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)的用戶(hù)主要有：車(chē)站值班員、運(yùn)營(yíng)管理人員、通信檢修人員、信號(hào)檢修人員和供電、電力檢修人員等。根據(jù)目前鐵路局GSM-R網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)維護(hù)報(bào)表分析可知，一個(gè)省會(huì)、直轄市或路局所在地的大型站房約有50個(gè)用戶(hù)，具體分類(lèi)見(jiàn)表1。

3.1 新設(shè)基站信道需求

站房室內(nèi)GSM-R覆蓋系統(tǒng)新設(shè)基站專(zhuān)門(mén)給站房室內(nèi)用戶(hù)使用，車(chē)站?？康牧熊?chē)及其用戶(hù)使用正線的基站。為避免列車(chē)、用戶(hù)誤切換，正線基站與室內(nèi)覆蓋基站只做單向切換關(guān)系，即室內(nèi)用戶(hù)可以切換到正線基站，室外用戶(hù)不能從正線基站切換到室內(nèi)覆蓋的基站。新設(shè)室內(nèi)覆蓋基站的載頻配置應(yīng)根據(jù)站房話(huà)務(wù)量需求確定。

《GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》對(duì)車(chē)站地區(qū)移動(dòng)用戶(hù)忙時(shí)話(huà)務(wù)量規(guī)定見(jiàn)表2。

根據(jù)表2推算出站房室內(nèi)用戶(hù)忙時(shí)話(huà)務(wù)總量為：

根據(jù)《GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》，GSM-R無(wú)線信道呼損應(yīng)不大于0.5%。查愛(ài)爾蘭B表可知，站房室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)新設(shè)基站時(shí)需要有12個(gè)業(yè)務(wù)信道。2載頻基站能提供15個(gè)業(yè)務(wù)信道、1個(gè)控制信道，即站房室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)新設(shè)2載頻基站才可滿(mǎn)足室內(nèi)用戶(hù)業(yè)務(wù)需求。

車(chē)站室外用戶(hù)的忙時(shí)話(huà)務(wù)量需要根據(jù)車(chē)站的大小規(guī)模而定。設(shè)鐵路大型車(chē)站忙時(shí)有8列列車(chē)?？?，2列列車(chē)通過(guò)。

車(chē)站通過(guò)列車(chē)忙時(shí)話(huà)務(wù)量為：

圖3 宏蜂窩有線接入方案

表1 大型站房移動(dòng)用戶(hù)數(shù)量統(tǒng)計(jì)分類(lèi)

表2 車(chē)站地區(qū)移動(dòng)用戶(hù)忙時(shí)話(huà)務(wù)量

車(chē)站?？苛熊?chē)忙時(shí)話(huà)務(wù)量為：

車(chē)站室外用戶(hù)的忙時(shí)話(huà)務(wù)總量為：

設(shè)呼損率為0.5%，查愛(ài)爾蘭B表可知，車(chē)站室外用戶(hù)語(yǔ)音業(yè)務(wù)需要有12個(gè)業(yè)務(wù)信道。

對(duì)于CTCS-3級(jí)列控業(yè)務(wù)，設(shè)同一時(shí)間在車(chē)站內(nèi)有10列CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的列車(chē)與地面RBC通信，則需要10個(gè)業(yè)務(wù)信道。

車(chē)站室外用戶(hù)共需要22個(gè)業(yè)務(wù)信道，再加上1個(gè)控制信道，1個(gè)GPRS信道，則覆蓋車(chē)站的室外基站至少應(yīng)配置3載頻。

3.2 共用基站信道需求

站房室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)與正線共用基站時(shí)，車(chē)站的忙時(shí)話(huà)務(wù)總量為室內(nèi)覆蓋用戶(hù)忙時(shí)話(huà)務(wù)量加上車(chē)站?？?、通過(guò)列車(chē)及其用戶(hù)的忙時(shí)話(huà)務(wù)量。

根據(jù)2.1節(jié)的分析，在同樣的設(shè)定條件下，共用基站時(shí)車(chē)站的忙時(shí)話(huà)務(wù)總量為：

設(shè)呼損率為0.5%，查愛(ài)爾蘭B表可知，站房室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)與正線共用基站時(shí)語(yǔ)音業(yè)務(wù)需要有19個(gè)業(yè)務(wù)信道。對(duì)于CTCS-3級(jí)列控業(yè)務(wù)，也需要10個(gè)業(yè)務(wù)信道。

以上29個(gè)信道，再加上2個(gè)控制信道和1個(gè)GPRS信道，共計(jì)需要32個(gè)信道。即站房室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)與正線共用基站時(shí)，共用基站應(yīng)為4載頻。

以上分析僅對(duì)較大型站房粗略估算，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)車(chē)站的實(shí)際情況和規(guī)模，合理估算站房室內(nèi)覆蓋和車(chē)站站場(chǎng)通信的信道需求，進(jìn)而明確共用基站的載頻配置。

3.3 方案對(duì)比及建議

室內(nèi)覆蓋新設(shè)基站時(shí)，室內(nèi)用戶(hù)和室外用戶(hù)共需要5個(gè)載頻，頻率使用率低，也增加了頻率規(guī)劃的難度。為了保證新設(shè)基站盡可能吸收話(huà)務(wù)，同時(shí)保證小區(qū)邊界通話(huà)的連續(xù)性，必須設(shè)置好小區(qū)重選和切換參數(shù)，以避免?？亢屯ㄟ^(guò)列車(chē)誤切換和重選。做系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制室內(nèi)覆蓋基站的信號(hào)強(qiáng)度，避免對(duì)正線其他基站形成干擾。新設(shè)基站需要相應(yīng)的傳輸系統(tǒng)，因此投資也較高。

室內(nèi)覆蓋與正線共用基站需要4個(gè)載頻，頻率利用率較新設(shè)基站高，基站也無(wú)需特殊的參數(shù)設(shè)置，室內(nèi)信號(hào)泄露不會(huì)對(duì)其他基站造成影響，投資也比較低。缺點(diǎn)是站房?jī)?nèi)用戶(hù)較多時(shí)會(huì)占用外部站場(chǎng)的業(yè)務(wù)信道，導(dǎo)致站場(chǎng)話(huà)務(wù)擁塞率提高，降低了調(diào)度通信的可靠性。

從頻率利用率、基站設(shè)置、頻率規(guī)劃和投資方面對(duì)2個(gè)方案的對(duì)比分析見(jiàn)表3。

根據(jù)以上分析，建議室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)與正線共用基站。但需要說(shuō)明的是，因?yàn)闃屑~地區(qū)情況復(fù)雜，有的樞紐地區(qū)兩個(gè)大型車(chē)站相距較近，如沈陽(yáng)站和沈陽(yáng)北站僅相距3.8 km，這2個(gè)站之間還有皇姑屯站，GSM-R有限的頻率資源根本不能滿(mǎn)足3個(gè)車(chē)站各4載頻的規(guī)劃，還需要考慮新設(shè)室內(nèi)覆蓋基站的方案。

4 信號(hào)分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)

信號(hào)分布系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是選擇合適的饋線、耦合器、功分器和天線，使得GSM-R信號(hào)覆蓋站房?jī)?nèi)部盡可能多的地方，同時(shí)天線的功率要滿(mǎn)足國(guó)家《電磁輻射防護(hù)規(guī)定》（GB 8702—1988）和《環(huán)境電磁衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 9175—1988）的要求。

以共用基站為例，信號(hào)分布系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以信號(hào)源所處位置為中心，應(yīng)先找通信機(jī)械室或弱電設(shè)備間，確定每個(gè)直放站遠(yuǎn)端機(jī)的位置及覆蓋區(qū)域。再分別對(duì)每個(gè)遠(yuǎn)端機(jī)覆蓋區(qū)域的實(shí)際情況確定天線的布放位置和類(lèi)型，根據(jù)覆蓋距離估算單個(gè)天線需要的入口功率，確定天線的布放和饋線的路由，計(jì)算該區(qū)域的總功率要求，確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。整個(gè)方案以最少的天線數(shù)目、最少的有源器件達(dá)到最佳的覆蓋效果為目的。同時(shí)應(yīng)考慮到特殊區(qū)域的特殊覆蓋方式，如高架候車(chē)廳頂棚不能安裝天線，要考慮選擇壁掛天線或美化天線等。

4.1 理論分析

根據(jù)ITU-R P.138室內(nèi)覆蓋模型和Keenan-Motley室內(nèi)傳播模型，結(jié)合工程設(shè)計(jì)和測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，在鐵路大型站房可以使用以下模型來(lái)預(yù)測(cè)天線的覆蓋范圍。

式中：f為頻率，MHz；n為室內(nèi)路徑損耗因子，取值為3.14；d為移動(dòng)臺(tái)到天線的距離，m；Lf為穿過(guò)一面墻的損耗；x為隔墻的數(shù)量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，GSM-R網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)穿過(guò)一層普通磚墻約損耗8～10 dB，穿過(guò)鋼筋承重墻約損耗15～25 dB；Xδ為慢衰落余量，取值與覆蓋概率要求和室內(nèi)慢衰落標(biāo)準(zhǔn)差有關(guān)，一般取6 dB。

表3 信號(hào)源選擇方案對(duì)比

根據(jù)公式（5），可以計(jì)算出，設(shè)一個(gè)吸頂全向天線出口功率為10 dBm時(shí)，相隔一道普通墻，離天線15 m的地方，無(wú)線信號(hào)邊緣場(chǎng)強(qiáng)為：

4.2 饋線選型

饋線的選型根據(jù)最后各個(gè)天線入口功率而定。建議主干路饋線先采用1/2饋線（每百米損耗7.3 dB）設(shè)計(jì)，若最后天線入口功率不能滿(mǎn)足覆蓋的要求，再考慮將主干路饋線部分或全部換為7/8（每百米損耗4.5 dB）饋線，7/8饋線主要用于長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸。室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)在站房大部分區(qū)域與鐵路信息專(zhuān)業(yè)合用槽道，只有在無(wú)信息槽道時(shí)才專(zhuān)門(mén)布設(shè)走線槽。

4.3 漏泄同軸電纜

漏泄同軸電纜可有效減小信號(hào)陰影及遮擋，且信號(hào)波動(dòng)范圍小。在一些狹長(zhǎng)覆蓋區(qū)域，如地下通道，可采取漏泄同軸電纜進(jìn)行覆蓋。需要說(shuō)明的是，漏泄同軸電纜的成本較高，同時(shí)掛在地下通道的墻壁上也破壞了站房的整體環(huán)境，而頂棚能否掛設(shè)也受房建和施工的影響，所以實(shí)際設(shè)計(jì)中大型站房室內(nèi)覆蓋使用漏泄同軸電纜的情況較少。

4.4 天線選型

天線是室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)最后的環(huán)節(jié)，選用的天線是否合適直接影響無(wú)線信號(hào)的覆蓋質(zhì)量及站房整體環(huán)境。大型站房室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)最常用的天線是全向吸頂天線，主要用于站房?jī)?nèi)辦公區(qū)域覆蓋。其次是定向吸頂天線，主要用于解決狹長(zhǎng)通道或電梯間的覆蓋問(wèn)題。

根據(jù)公網(wǎng)室內(nèi)覆蓋經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于一些不具備吊掛吸頂天線的地方要考慮安裝壁掛天線。室內(nèi)壁掛天線主要用于室內(nèi)防信號(hào)外泄；八木天線、對(duì)數(shù)周期天線主要用于電梯內(nèi)覆蓋。

對(duì)于新設(shè)基站的室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)，一般在站房入口處布設(shè)天線，以保證室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)的基站與室外基站正常切換，控制切換區(qū)域，同時(shí)防止信號(hào)泄漏到室外，造成干擾。

隨著人們對(duì)電磁輻射的關(guān)注，在鐵路站房旅客較多的候車(chē)廳、售票廳和出站通道等地方也需要考慮布設(shè)美化天線，或者與房建專(zhuān)業(yè)協(xié)調(diào)做一些偽裝的設(shè)備來(lái)遮擋天線，提高旅客和鐵路用戶(hù)的滿(mǎn)意度。

5 需要進(jìn)一步研究的方案

GSM-R網(wǎng)絡(luò)4 MHz的頻率資源制約了樞紐地區(qū)的頻率規(guī)劃。對(duì)于樞紐車(chē)站站房的室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，有2個(gè)解決頻率資源不足問(wèn)題的方案值得研究。（1）新設(shè)室內(nèi)覆蓋基站時(shí)，在部分樞紐地區(qū)，可以將室內(nèi)覆蓋基站的頻率設(shè)為與正線某小區(qū)的頻率相同或相鄰，但該小區(qū)必須要與車(chē)站相隔至少2個(gè)小區(qū)，同時(shí)要防止室內(nèi)覆蓋的信號(hào)泄露對(duì)對(duì)正線基站造成干擾。（2）當(dāng)室內(nèi)覆蓋與正線共用基站時(shí)，是否可以設(shè)定CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的呼叫為高優(yōu)先級(jí)，這樣在頻率資源被占滿(mǎn)的情況下，CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)列車(chē)可以強(qiáng)拆低優(yōu)先級(jí)的呼叫，保證列車(chē)的安全運(yùn)營(yíng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著當(dāng)前我國(guó)高速鐵路的大面積建設(shè)，需要做室內(nèi)覆蓋的大型站房將會(huì)越來(lái)越多。室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是否合理在一定程度上影響鐵路的安全運(yùn)營(yíng)，尤其對(duì)于要求高安全性和高可靠性的鐵路通信網(wǎng)絡(luò)更是如此。鐵路大型站房所處的樞紐區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)站房所處的環(huán)境，因地制宜地設(shè)計(jì)合理的室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)方案，以達(dá)到既能覆蓋站房?jī)?nèi)部關(guān)鍵區(qū)域又不影響正線行車(chē)的目的。

[1] 鐵道部工程設(shè)計(jì)鑒定中心，北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院. 中國(guó)鐵路GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2008

[2] 鐵建設(shè)［2007］92號(hào) GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S]

[3] 華為技術(shù)有限公司. 室內(nèi)覆蓋設(shè)計(jì)技術(shù)，2009

[4] 馬君. 鐵路客運(yùn)專(zhuān)線GSM-R室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J]. 中國(guó)鐵路，2009(7)

[5] 林誠(chéng). 淺談鐵路GSM-R中的室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)[J]. 鐵道勘測(cè)與設(shè)計(jì)，2005(4)