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        鐵路樞紐GSM-R無線覆蓋方案研究

        2011-12-31 13:41:24趙旭彭良勇
        鐵路技術(shù)創(chuàng)新 2011年2期
        關(guān)鍵詞:交叉點(diǎn)雨棚太原

        ■ 趙旭 彭良勇

        在鐵路樞紐區(qū)段,因不同等級(jí)、不同運(yùn)行速度、不同建設(shè)工期的線路均接入樞紐內(nèi)大型車站,經(jīng)常出現(xiàn)并線、交叉及穿越編組場的情況,容易出現(xiàn)列車機(jī)車臺(tái)在不同GSM-R網(wǎng)絡(luò)間頻繁切換問題,影響GSM-R覆蓋服務(wù)質(zhì)量(Qo S)。為此,應(yīng)針對(duì)鐵路樞紐內(nèi)既有GSM-R網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化,并統(tǒng)籌考慮不同等級(jí)、不同運(yùn)行速度、不同建設(shè)工期的線路引入,提升GSM-R覆蓋QoS,滿足工程需求。

        1 基站切換機(jī)制

        GSM-R系統(tǒng)用戶在切換時(shí)需經(jīng)歷采樣、判斷、觸發(fā)、執(zhí)行、完畢5個(gè)過程。其中采樣時(shí)間每次為480 m s;判斷時(shí)間取決于當(dāng)前接入基站的忙閑程度;觸發(fā)條件是6次采樣值的平均值滿足切換電平;執(zhí)行過程時(shí)間取決于基站的忙閑程度;完畢是GSM-R基站給列車機(jī)車臺(tái)返回命令Handover Comm and Com plete,表明當(dāng)前切換完成,接入新基站的無線業(yè)務(wù)信道(TCH),上一個(gè)基站的TCH業(yè)務(wù)信道釋放。

        據(jù)工程測試,GSM-R系統(tǒng)用戶整個(gè)切換過程在300 m s內(nèi)完成,但GSM-R基站切換是硬切換,切換過程中所有語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將中斷。為保證GSM-R無線信號(hào)20 s無故障傳輸,即GSM-R系統(tǒng)在20 s內(nèi)無切換,20 s后若切換故障,用戶仍能繼續(xù)切入或切回可用TCH,所以工程中需滿足GSM-R系統(tǒng)用戶2次切換成功率。對(duì)列車時(shí)速為350 km的高速鐵路,GSM-R基站布置間距需在2.5 km以上,以確保GSM-R無線信號(hào)20 s無故障傳輸。

        2 鐵路樞紐內(nèi)既有基站分布情況

        以太原鐵路樞紐為例, 樞紐內(nèi)無線系統(tǒng)采用GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信設(shè)備,且已開通的工程有石太高速鐵路、太中銀鐵路(見圖1),其無線覆蓋均采用單網(wǎng)覆蓋方式,最大基站間距為3.633 km,最小基站間距為1.94 km,(見表1)。隨著城市發(fā)展,太原鐵路樞紐內(nèi)沿線環(huán)境發(fā)生較大變化,新修多處高層建筑,對(duì)GSM-R系統(tǒng)無線覆蓋造成了不利影響。

        3 樞紐GSM-R無線子系統(tǒng)方案

        3.1 樞紐內(nèi)鐵路線位情況

        樞紐地區(qū)線路主要有“人”字形交叉與“十”字形交叉2種,交叉的不同線路GSM-R基站可能連接自不同的M SC或BSC,甚至有可能屬于不同調(diào)度臺(tái)。在太原鐵路樞紐中,石太高速鐵路屬于北京客專調(diào)度所,大西高速鐵路屬于西安客專調(diào)度所;兩條線路在太原北以上區(qū)間呈“人”字形交叉,導(dǎo)致從太原樞紐駛出到石太、大西高速鐵路的列車機(jī)車臺(tái)原本應(yīng)該向本線的GSM-R基站通信,卻連到對(duì)方基站,造成調(diào)度命令、車次號(hào)無法交互,威脅行車安全。

        當(dāng)樞紐線路為“十”字形交叉時(shí),駛?cè)胂嘟稽c(diǎn)的列車機(jī)車臺(tái)會(huì)接入信號(hào)較強(qiáng)的基站,而非其本線基站,這樣也會(huì)出現(xiàn)線路的接入錯(cuò)誤,影響行車安全。

        3.2 既有GSM-R無線子系統(tǒng)方案調(diào)整

        為防止列車機(jī)車臺(tái)誤連其他基站,在交叉點(diǎn)處將所有存在信號(hào)的基站整合成同一個(gè)基站。列車機(jī)車臺(tái)駛?cè)虢徊鎱^(qū)域,接入整合基站;駛出交叉區(qū)域后,再與行使方向的下一基站作切換,以保證列車與調(diào)度的順利通信。

        整合交叉點(diǎn)基站可將涉及的基站均遷改到交叉點(diǎn)處,該處新設(shè)一套同站址雙網(wǎng)站型基站,接入其中某一個(gè)線路的移動(dòng)交換中心(M SC)、基站控制器(BSC)中,用交叉點(diǎn)基站與各線以遠(yuǎn)基站做切換。若交叉點(diǎn)涉及的基站單網(wǎng)線路基站距交叉點(diǎn)大于2 km,交織線路基站距交叉點(diǎn)大于500 m,就會(huì)造成各線交叉點(diǎn)基站距正線基站太遠(yuǎn),場強(qiáng)不能滿足切換要求。而且遷改需要新建、調(diào)測、割接多條線的多個(gè)基站,可能影響本線其他車輛正常運(yùn)行,方案可行性差。

        若非同站址雙網(wǎng)站型方案,可將涉及交叉點(diǎn)處信號(hào)的基站一起改造為分布式基站,即將基站的基帶信號(hào)與頻帶信號(hào)分離,用基帶處理單元(BBU)設(shè)備處理基帶信號(hào),用射頻拉遠(yuǎn)模塊(RRU)射頻遠(yuǎn)端站將信號(hào)通過天線發(fā)射出去。BBU與RRU間用主備2根光纖連接,兩設(shè)備光纖最遠(yuǎn)可達(dá)18 km,同一個(gè)BBU所帶RRU共同實(shí)現(xiàn)1個(gè)完整基站功能,無論RRU被拉到多遠(yuǎn)使用,它的邏輯、頻點(diǎn)等基站參數(shù)不變。利用分布式基站,從交叉處3或4個(gè)基站中,根據(jù)異地容災(zāi)備份原則,選取不同線路的2個(gè)點(diǎn)放置BBU,原各線基站所在點(diǎn)每處新設(shè)2套R(shí)RU,接自不同的BBU。選取其中一組BBU-RRU為主用分布式基站,其余一組備用,設(shè)置備用比主用信號(hào)低6 d Bm。當(dāng)主用分布式基站發(fā)生故障時(shí),備用基站仍能完成列車通信。RRU的輸出功率為40~60 W,等同于原始基站,在不改變?cè)蓟疚恢?、天線掛高、機(jī)房機(jī)柜數(shù)量的前提下,可解決列車交叉區(qū)段誤接入問題。具體解決方案可根據(jù)原基站位、工程要求等選取。

        3.3 弱場解決方案

        太原站以北地區(qū)雖然滿足單網(wǎng)交織最低基站間距,但存在3.633 km的長距基站。交織覆蓋要求在單點(diǎn)基站故障情況下,前后2個(gè)基站可以覆蓋站區(qū)域,且保證設(shè)計(jì)場強(qiáng)大于92 d Bm[1]。在這個(gè)要求下,3.633 km的基站間距很難滿足單點(diǎn)故障要求。而且,在線路兩側(cè)已經(jīng)興建了諸多高層住宅樓,勢必影響基站場強(qiáng)交織覆蓋。

        解決方案是在該區(qū)段增加4處直放站遠(yuǎn)端機(jī),其中2個(gè)在弱場區(qū)間,2個(gè)與基站同址設(shè)置,靠近基站的2個(gè)遠(yuǎn)端機(jī)主控信號(hào)均連接自本側(cè)基站,從控信號(hào)接自對(duì)側(cè)基站,中間2處直放站遠(yuǎn)端機(jī)做切換。為抵抗更遠(yuǎn)基站故障,將補(bǔ)強(qiáng)區(qū)間兩端基站去掉直放站側(cè)天線,保留另一側(cè)天線(見圖2)。

        表1 太原鐵路樞紐既有GSM-R基站設(shè)置情況

        在此區(qū)段還可通過分布式基站解決弱場問題。在基站點(diǎn)位處設(shè)置2處BBU,在中間2處直放站中間點(diǎn)位選1處放置2套R(shí)RU,連接兩側(cè)BBU。RRU屬于數(shù)字信號(hào)設(shè)備,對(duì)于光纖與空間波形成的色散時(shí)延可以通過時(shí)隙調(diào)整補(bǔ)償,故RRU與BBU的間距只要在光纖距離范圍內(nèi)即可。又因RRU與BBU間通過主備2根光纖連接,在線路左右兩側(cè)各敷設(shè)一條8芯短段光纜,RRU的主備2芯各位于兩側(cè)的光纜中。

        太原站以南主要有太原南、新鳴李站和動(dòng)車段等站段。太原—太原南站間最短基站間距為1.94 km,但因該區(qū)段為大型客站間聯(lián)絡(luò)線,車輛速度等級(jí)很低,小于120 km/h,故滿足20 s無切換列控系統(tǒng)要求。太原站以南其他基站間距最大3.382 km,最小2.5 km,存在連續(xù)2.5,2.6,2.7 km站間距。連續(xù)2.5 km左右站間距20 s無切換要求,但是要求機(jī)車臺(tái)一次切換成功,否則一處切換延遲就會(huì)造成下一處切換距離縮短,增大20 s內(nèi)切換的概率。

        為解決上述問題,可通過基站

        仿真軟件對(duì)連續(xù)站距2.5 km的基站覆蓋進(jìn)行仿真,改變多極化天線傾角,增加或減少覆蓋區(qū)域,保證切換按時(shí)進(jìn)行。在實(shí)際工程中,要進(jìn)行調(diào)整后的路測,保證工程的精確度。

        3.4 大型客站站場覆蓋

        太原南站是綜合大型客站,包含幾十條到發(fā)線及龐大的無柱雨棚。因景觀設(shè)計(jì)要求,太原南站無法將基站放置于站房綜合樓通信機(jī)械室旁,而是在站外兩端設(shè)置基站、鐵塔、箱變,滿足站場區(qū)域GSM-R信號(hào)覆蓋。這樣,大型鋼構(gòu)無柱雨棚加大了對(duì)無線場強(qiáng)信號(hào)的屏蔽作用。為滿足雨棚下GSM-R信號(hào)實(shí)現(xiàn)雙信號(hào)交織覆蓋,在雨棚外設(shè)置直放站遠(yuǎn)端機(jī),考慮到不影響站場景觀,設(shè)置15 m獨(dú)管塔覆蓋雨棚下區(qū)域。雨棚下遠(yuǎn)端機(jī)接單側(cè)基站近端機(jī)的信號(hào),將切換區(qū)設(shè)置在雨棚與從控信號(hào)基站間,這樣可以避免??苛熊囋谟昱锵翯SM-R信號(hào)乒乓切換,降低GSM-R信號(hào)覆蓋服務(wù)質(zhì)量。遠(yuǎn)端機(jī)布設(shè)及連接方法見圖3。

        4 結(jié)束語

        當(dāng)鐵路樞紐內(nèi)既有GSM-R系統(tǒng)采用單網(wǎng)覆蓋時(shí),GSM-R系統(tǒng)無線覆蓋調(diào)整為單網(wǎng)交織組網(wǎng),滿足20 s內(nèi)無切換、單點(diǎn)基站故障不影響既有覆蓋效果。正確連接光纖直放站主、從基站信號(hào),合理設(shè)置GSM-R切換區(qū),可實(shí)現(xiàn)信號(hào)列控系統(tǒng)QoS要求。研究太原鐵路樞紐為滿足信號(hào)列控系統(tǒng)QoS要求對(duì)既有GSM-R系統(tǒng)無線覆蓋方式的調(diào)整可知,鐵路樞紐GSM-R無線子系統(tǒng)覆蓋應(yīng)按照滿足列控系統(tǒng)QoS要求進(jìn)行基站布點(diǎn)和頻率規(guī)劃,條件允許時(shí)可一次建成,也可按規(guī)劃分步實(shí)施,以避免后期鐵路引入的影響,確保運(yùn)營安全。

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