吳 靜

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

集包四線特殊地段無線覆蓋研究

吳 靜

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

研究集包四線工程中線路并站、并線及接入等特殊地段對無線設(shè)計(jì)的影響情況。分析與京包線既有車站并站通信模式選擇，與包西線三角地帶建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)及BSC切換選擇、與京包線線路接入小區(qū)選擇等無線覆蓋問題，提出切實(shí)可行的解決方案。工程的實(shí)施可為GSM-R系統(tǒng)的安全性及可靠性提供切實(shí)的保障，為類似工程的無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)和使用參考借鑒。

鐵路通信;無線覆蓋;通信模式;切換;可靠性

在鐵路建設(shè)中，因不同等級、不同運(yùn)行速度、不同建設(shè)工期的線路相互會出現(xiàn)并站、并線及接入的情況，必然導(dǎo)致列車機(jī)車電臺在不同GSM-R網(wǎng)絡(luò)間及不同無線通信模式間頻繁切換問題，影響無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量及行車安全。為此，針對特殊地段的無線覆蓋進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，提升無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量，滿足工程需求。

1 工程概況

集寧至包頭增建四線(簡稱集包四線)工程位于我國華北地區(qū)的內(nèi)蒙古自治區(qū)西部，屬京包通道西段，本項(xiàng)目基本沿京包線平行布設(shè)。東起內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市，西至內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市，途經(jīng)自治區(qū)首府呼和浩特市及卓資縣、土默特左旗、土默特右旗等旗(縣)。全線均位于呼和鐵路局管內(nèi)，集寧南站至包頭站增建四線全長303.108 km。

全線開行設(shè)置古營盤、集寧南、葫蘆、卓資東、旗下營東、陶卜齊、白塔、呼和浩特東、呼和浩特、呼和浩特西、臺閣牧、察素齊、三卜素、薩拉齊、南園村、包頭東、包頭、包頭西等18個車站。集包四線工程與既有京包線集寧至包頭段(簡稱京包線)、包西線出現(xiàn)并站、并線及接入等情況。集包四線車站及線路示意見圖1。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

圖1 集包四線車站及線路示意

集包四線采用900 MHz頻段GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)。移動交換控制利用呼和浩特新設(shè)核心網(wǎng)交換機(jī)(MSC);基站子系統(tǒng)采用單網(wǎng)覆蓋方式，在呼和浩特通信站設(shè)置基站控制器(BSC)，負(fù)責(zé)管轄設(shè)計(jì)區(qū)段內(nèi)的基站(BTS);按照車站分布和場強(qiáng)覆蓋需要在鐵路沿線設(shè)置BTS，構(gòu)成鏈狀通信網(wǎng)，基站通過傳輸系統(tǒng)提供的2M環(huán)通道接入基站控制器;各個車站基站按3載頻配置，區(qū)間基站按2載頻配置。根據(jù)全線運(yùn)營維護(hù)需要配置GSM-R通用手持臺(GPH)、作業(yè)手持臺(OPH)、汽車臺等各類移動終端。隧道、路塹等區(qū)間弱場采用光纖直放站結(jié)合漏泄同軸電纜方式解決。

為了方便維護(hù)和管理，在相應(yīng)的檢修機(jī)構(gòu)設(shè)置無線子系統(tǒng)網(wǎng)管(OMC-R)及光纖直放站網(wǎng)管(OMC-T)及其遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理終端。

2.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)不同的速度目標(biāo)值，鐵路對GSM-R網(wǎng)絡(luò)無線覆蓋和性能指標(biāo)要求各不相同。集包四線場強(qiáng)覆蓋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):在95%的時間和地點(diǎn)概率下，機(jī)車頂部接收天線處的最小接收電平不小于-98 dBm［1］。

2.3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)

GSM-R系統(tǒng)除提供其所具備的各類電信業(yè)務(wù)(話音業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、與呼叫相關(guān)的業(yè)務(wù))外，并通過組呼叫、廣播呼叫、多優(yōu)先級強(qiáng)占及強(qiáng)拆、功能尋址、基于位置的尋址、緊急呼叫等功能為鐵路提供特定業(yè)務(wù):調(diào)度通信、區(qū)間公務(wù)移動通信、應(yīng)急通信、無線車次號校核信息、調(diào)度命令信息傳送等［2］。

3 特殊地段的無線覆蓋

3.1 與京包線并站無線覆蓋

集包四線新設(shè)車站與京包線既有車站并站設(shè)置，線路示意見圖2。行車調(diào)度要求在集包四線運(yùn)行的機(jī)車可以駛?cè)刖┌€既有車站(車站內(nèi)有交叉渡線)，并能在京包線上運(yùn)行;在京包線運(yùn)行的機(jī)車可以通過并站車站駛?cè)爰木€上運(yùn)行。這樣在并站車站內(nèi)形成GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)與450 MHz模擬無線列調(diào)系統(tǒng)2種無線通信模式并存的情況，而且2種通信模式的站內(nèi)覆蓋都是相同的。

3.1.1 并站的通信模式及存在問題

無線列調(diào)通信模式系統(tǒng)主要由無線列調(diào)調(diào)度臺、無線列調(diào)車站電臺、機(jī)車電臺(通用式)、便攜臺、車次號解碼器、車站轉(zhuǎn)接器、調(diào)度命令車站轉(zhuǎn)接器等組成。車站電臺、機(jī)車電臺、便攜臺之間的通信采用無線方式;調(diào)度臺、機(jī)車電臺之間的通信采用有線、無線相結(jié)合的方式，調(diào)度臺至車站電臺的有線通道由數(shù)字電路或四線制音頻話路構(gòu)成?？商峁┰捯?、車次號校核信息、調(diào)度命令無線傳送等業(yè)務(wù)［3］。

圖2 集包四線與京包線并站線路平面示意

GSM-R通信模式如3.1所述。固定用戶接入交換機(jī)(FAS)、機(jī)車電臺(CIR)、便攜臺之間的通信采用無線方式。MSC完成交換控制;BSC完成呼叫建立及無線資源管理;BTS完成無線信道與有線信道的轉(zhuǎn)換［4］。

2種通信模式實(shí)現(xiàn)方式差異很大，如果需要滿足行車調(diào)度要求，無線覆蓋設(shè)計(jì)中將存在以下問題。

(1)設(shè)備問題

①機(jī)車電臺的配置

裝配450 MHz無線列調(diào)機(jī)車電臺的機(jī)車僅能在無線列調(diào)線路上行駛;裝配CIR的機(jī)車則支持2種無線通信模式，但是在同一時刻僅能工作在一種通信模式下，模式選擇可以自動或手動切換［5］。

②車地設(shè)備的同步配置

車站設(shè)備與機(jī)車設(shè)備必須選擇同一種無線通信模式，否則，會造成通信不通或信息丟失，存在安全隱患。

(2)運(yùn)營管理問題

兩種無線通信模式的并存，司機(jī)進(jìn)站前存在通信模式選擇和切換的困惑，難以控制切換點(diǎn)，車地?zé)o線通信使用存在一定的混亂，影響行車安全。

3.1.2 并站的通信模式選擇

集包四線與京包線實(shí)現(xiàn)跨線機(jī)車的行駛要求，必須在機(jī)車上配置支持2種無線通信模式的CIR電臺。在此前提下，提出以下并站時無線通信的解決方案。

(1)同時使用規(guī)定模式的設(shè)備

并站時通常要接2種模式的列車進(jìn)來，兩線車站值班員和助理值班員需要同時使用規(guī)定模式的車站設(shè)備及手持臺。

①采用互設(shè)無線列調(diào)車站電臺的方式

在集包四線車站上設(shè)置無線列調(diào)車站電臺、車次號解碼器、調(diào)度命令車站轉(zhuǎn)接器，通過有線方式接入既有京包線調(diào)度。在車站進(jìn)站信號機(jī)前設(shè)置無線列調(diào)切換標(biāo)志，無論從哪條線行駛的機(jī)車都可以按照無線列調(diào)的方式無障礙地進(jìn)入任意并站車站，并通過。

②采用互設(shè)車站FAS的方式

在京包線車站上設(shè)置 FAS，通過有線方式接入集包四線調(diào)度。在車站進(jìn)站信號機(jī)前設(shè)置GSM-R網(wǎng)絡(luò)切換標(biāo)志，無論從哪條線行駛的機(jī)車都可以按照GSM-R網(wǎng)絡(luò)無障礙地進(jìn)入任意并站車站，并通過。

(2)采用規(guī)定的運(yùn)營管理方式

在運(yùn)營管理方式中規(guī)定，機(jī)車駛?cè)胲囌厩?，呼叫本線(集包四線/京包線)值班員，無線通信模式不變，順利駛?cè)氡揪€車站;在駛離車站時，機(jī)車司機(jī)通過 CIR電臺從本線車站值班員獲知的調(diào)度命令信息后，根據(jù)情況判斷是否需要切換通信模式，進(jìn)入另一條線路。

3.1.3 并站的通信模式比較

2種方式都可以滿足行車調(diào)度的需要，不會讓機(jī)車司機(jī)產(chǎn)生通信上的不便，但是前種方式需要配置新設(shè)備，增加部分投資，并且在切換點(diǎn)需要人工設(shè)置的警示標(biāo)志，警示標(biāo)志的設(shè)置還存在安全隱患(夜間行車);后一種方式僅僅在運(yùn)營管理方式上的規(guī)定，實(shí)現(xiàn)簡單方便。集包四線與京包線都采用第2種方式解決并站時的無線通信問題，實(shí)現(xiàn)跨線機(jī)車的行駛要求，提高了行車的安全性。

3.2 與包西線的三角地帶無線覆蓋

既有包西線正線接入包頭車站，聯(lián)絡(luò)線接入包頭西車站，集包四線與包西線在包頭、包頭西、包頭南車站形成三角地帶，線路平面及基站布置示意見圖3。

圖3 與包西線的三角地帶線路平面及基站布置示意

既有包西線在包頭南、K4+375、包頭西機(jī)務(wù)段設(shè)置2載頻基站，在包頭站設(shè)置3載頻基站，接入東勝西BSC。為不影響集包四線的GSM-R系統(tǒng)連續(xù)覆蓋，在包頭站、包頭西六場設(shè)置3載頻基站，在DK19+160設(shè)置2載頻基站，關(guān)閉既有包頭站基站(與本線基站不兼容)，機(jī)務(wù)段既有基站當(dāng)做庫檢基站使用，接入呼和浩特BSC。

3.2.1 三角地帶存在問題

(1)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一

集包四線與包西線對GSM-R系統(tǒng)無線覆蓋和性能指標(biāo)要求不同:集包四線無線覆蓋和性能指標(biāo)如3.2所述;包西線無線覆蓋和性能指標(biāo)最小接收電平不小于-95 dBm。

(2)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化困難

DK19+160基站與K4+375基站相距不到2 km，兩相鄰小區(qū)的重疊區(qū)域過大，機(jī)車通過此處三角地帶時，會造成了移動臺在此區(qū)域頻繁地進(jìn)行小區(qū)重選或乒乓切換問題［6］。

(3)存在BSC間的切換

集包四線與包西線的基站由不同的BSC控制，BSC間的切換故障一般比BSC內(nèi)部切換故障多，原因如下。

①BSC間的切換比BSC內(nèi)部切換要求時間長，移動臺會在同一個小區(qū)占用更長的時間。對于行駛中的列車而言，正在服務(wù)的小區(qū)信號可能下降得非?？欤@樣移動臺在服務(wù)小區(qū)上耗費(fèi)的時間將會縮短，BSC間呼叫掉線的風(fēng)險(xiǎn)將會加大。

②切換指令與切換完成之間發(fā)生呼叫掉線(切換導(dǎo)致的呼叫掉線)。BSC間切換導(dǎo)致的呼叫掉線比BSC內(nèi)部切換導(dǎo)致的呼叫掉線故障率要高。

3.2.2 三角地帶解決方案

(1)統(tǒng)一建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時，集包四線與包西線三角地帶無線設(shè)計(jì)需統(tǒng)一建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，采用就高不就低的原則［7］，即包西線的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)杜絕乒乓切換，減小BSC間的切換次數(shù)

①單網(wǎng)覆蓋

在集包四線上DK19+160處按單網(wǎng)覆蓋方式設(shè)置1套基站(O3)，并面向包頭南方向增加1副天線，取消包西線上K4+375處基站，基站接入呼和浩特BSC。但是，DK19+160基站距離包頭南約7 km，其覆蓋和切換難于保證。為滿足切換要求需要增加DK19+160鐵塔高度。

②光纖直放站覆蓋

與單網(wǎng)覆蓋方式一樣，在DK19+160處設(shè)置1套基站(O3)，用光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)代替包西線上 K4+375處基站，并接入DK19+160處直放站近端機(jī)。但是，K4+375基站距離包頭南約5 km，光纖直放站發(fā)射功率為5 W，覆蓋距離有限，切換難于保證。為滿足切換要求需要在K4+375與包頭南間增加1處光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)接入DK19+160處直放站近端機(jī)，滿足切換要求［8-10］。

③分布式基站覆蓋

采用分布式基站基帶部分+射頻拉遠(yuǎn)部分(BBU+RRU)共小區(qū)覆蓋方式。在DK19+160、K4+375處分別設(shè)置1套3載頻 RRU。在 DK19+160設(shè)置 1套BBU，BBU接入呼和浩特 BSC。RRU發(fā)射功率為30W，其覆蓋效果優(yōu)于直放站，其覆蓋和切換可以保證［11］。

3種解決方案都能有效避免頻繁小區(qū)重選或乒乓切換問題。在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時，可根據(jù)工程難易及投資大小進(jìn)行選擇。

3.3 與京包線線路接入點(diǎn)無線覆蓋

集包四線客車?yán)眉扔芯┌€，途徑集寧南至古營盤，貨車直接通過集包外繞線(集寧隧道)至古營盤，集包四線與京包線分別有2處接入點(diǎn)。在葫蘆、集寧南、古營盤分別設(shè)置 3載頻基站，DK494+660、DK500+800、K501+200分別設(shè)置2載頻基站，線路平面及基站布置示意見圖4。

圖4 與京包線接入線路平面及基站布置示意

3.3.1 接入點(diǎn)存在問題

為了保持移動臺在移動中通話的連續(xù)性以及網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，移動臺必須進(jìn)行切換，工程中對越區(qū)切換進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。集包四線在工程設(shè)計(jì)中的切換位置盡量選在開闊地帶，避免選在高話務(wù)區(qū)、隧道口、彎道以及有阻擋的地帶［12］。

但是，集包四線與京包線接入點(diǎn)不遠(yuǎn)處就是集寧隧道，接入點(diǎn)地形開闊，若切換區(qū)(小區(qū)A/B/C或小區(qū)D/E/F)設(shè)置于兩線的接入點(diǎn)，無法通過網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化手段保證CIR正確地切換至目的小區(qū)，極端條件下有可能掉話，造成行車安全隱患。

3.3.2 接入點(diǎn)解決方案

為了確保集包四線與京包線接入點(diǎn)區(qū)域的的覆蓋，同時保證每條線路上的CIR切換區(qū)切實(shí)落在行駛線路上，合理設(shè)置基站的覆蓋區(qū)域。

(1)減小小區(qū)A和小區(qū)B基站的覆蓋范圍，讓接入點(diǎn)只有小區(qū)C的信號，這樣客車的切換關(guān)系為小區(qū)A與小區(qū)C切換，再切換到小區(qū)B，貨車的切換關(guān)系為小區(qū)A與小區(qū)C切換;反之亦然。

(2)減小小區(qū)E和小區(qū)F基站的覆蓋范圍，讓接入點(diǎn)只有小區(qū)D的信號，這樣客車的切換關(guān)系為小區(qū)F與小區(qū)D切換，再切換到小區(qū)E;貨車的切換關(guān)系為小區(qū)D與小區(qū)E切換;反之亦然。

接入點(diǎn)切換區(qū)采取不同的措施減小基站的覆蓋范圍:

①降低基站功率;

②在饋線與天線連接處加入衰減器或更換低增益天線，減少天線端的輻射能量;

③調(diào)整基站天線的下傾角。但必須嚴(yán)格控制天線下傾角的調(diào)整，其下傾角不宜大于10°;否則，下傾角設(shè)置過大，會導(dǎo)致波瓣變形，造成干擾。

集包四線通過以上措施，確保了切換的準(zhǔn)確性和唯一性，提高了GSM-R網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性。

4 結(jié)語

集包四線特殊地段的的無線覆蓋是關(guān)系到整個無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的重要部分，也是工程設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展及工程的大量應(yīng)用，需要不斷總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，探索更加完善的解決方案，保證鐵路運(yùn)輸無線通信段安全性和可靠性。

［1］ 中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)［2007］92號 鐵路 GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)暫行規(guī)定［S］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［2］ 中華人民共和國鐵道部工程鑒定中心.GSM-R綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南［M］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［3］ 中華人民共和國鐵道部.TB/T 3052—2002 列車無線調(diào)度通信系統(tǒng)制式及主要技術(shù)條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2002.

［4］ 鐘章隊(duì)，艾渤，劉秋妍，林思雨，等.鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)(GSM-R)應(yīng)用基礎(chǔ)理論［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

［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］.鐵路通信信號工程技術(shù)，2011(2):28-36.

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

［7］ 胡昌桂.鐵路并線區(qū)段 GSM-R系統(tǒng)無線覆蓋方案探討［J］.鐵道勘測與設(shè)計(jì)，2010(5):132-136.

［8］ 羅文.長春樞紐特殊地段 GSM-R無線覆蓋方案［J］.中國鐵路，2011(12):46-48.

［9］ 沈吟.合蚌客運(yùn)專線特殊區(qū)段 GSM-R方案研究與探討［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(8):108-110.

［10］楊玉修.西成客運(yùn)專線部分特殊地段GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(9):106-109.

［11］梁延峰.RRU基本原理及應(yīng)用分析［J］.電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2007(3):51-59.

［12］ 吳靜.普速鐵路 GSM-R可靠性設(shè)計(jì)探討［J］.中國鐵路，2012(8):57-60.

Research on Wireless Coverage in Special Area of Jining-Baotou Railway Line 4

WU Jing
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.，Xi'an 710043，China)

For the project of Jining-Baotou Railway line 4，the influences on the wireless design produced by the special areas such as the station mergence areas，line mergence areas，line switching in areas and so on were researched.Meanwhile，several wireless coverage issues were analyzed，including the communication mode selection of station mergence to the existing Beijing-Baotou Railway stations，the selection of construction standard switching over to the triangle zone of Baotou-Xi'an Railway as well as to BSC，and the cell selection of switching in Beijing-Baotou Railway.Afterwards，the feasible solutions were proposed.The implementation of the project could provide practical guarantee for the security and reliability of GSM-R system，and also could serve as a reference for the design，construction and operation of the wireless communication system of similar project.

railway communication;wireless coverage;communication mode;switching over;reliability

U285.5

A

1004-2954(2013)04-0111-04

2012-08-27;

2012-09-21

吳 靜(1979—)，女，工程師，2003年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)通信工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail:mistally@163.com。