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長(zhǎng)大隧道GSM－R弱場(chǎng)解決方案

陰同

鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)是鐵路信息化的基礎(chǔ)和重要組成部分，也是鐵路移動(dòng)通信的發(fā)展方向。主要探討了長(zhǎng)大隧道和隧道群場(chǎng)強(qiáng)覆蓋工程中的相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)，并對(duì)其中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究。

GSM-R;場(chǎng)強(qiáng)覆蓋;方案

新建太原至中衛(wèi)至銀川鐵路工程即太中線的山西段，山塹相連，地形復(fù)雜。褚家溝至鮑渠間鐵路里程260 km，其中，站間距35 km以上的長(zhǎng)大區(qū)間3個(gè)，并有呂梁山雙向單線隧道(單線長(zhǎng)度為20 km以上，上下行雙方向共40 km)等長(zhǎng)大隧道及大量密集隧道群。常規(guī)鐵路無(wú)線區(qū)間中繼設(shè)備無(wú)法解決如此長(zhǎng)距離、大范圍的弱場(chǎng)覆蓋。通過(guò)對(duì)各種現(xiàn)有弱場(chǎng)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)備功能的研究、各項(xiàng)覆蓋指標(biāo)的計(jì)算，尋找多種設(shè)備配合使用的最佳方案，解決太中線區(qū)間弱場(chǎng)的覆蓋問(wèn)題。

鐵路總公司對(duì)GSM-R系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定明確要求:覆蓋區(qū)內(nèi)任何類(lèi)型的移動(dòng)臺(tái)可接入系統(tǒng)的時(shí)間概率為99%、地點(diǎn)概率大于或等于95%;同頻道干擾保護(hù)比C/I≥9 dB;鄰頻道干擾保護(hù)比( 200 kHz)C/A≥－9 dB。實(shí)際工程中要加入3 dB的余量。根據(jù)鐵標(biāo)規(guī)定，在新建及改建鐵路工程中鐵路專(zhuān)用無(wú)線通信系統(tǒng)不允許出現(xiàn)弱場(chǎng)強(qiáng)區(qū)的現(xiàn)象。目前國(guó)內(nèi)外常用的鐵路無(wú)線通信弱場(chǎng)補(bǔ)強(qiáng)系統(tǒng)有如下幾種:

1.漏泄同軸電纜加中繼器/射頻直放站方式。單個(gè)中繼器/射頻直放站所能覆蓋的漏纜長(zhǎng)度不超過(guò)1 km，級(jí)聯(lián)不能超過(guò)4臺(tái)。

2.區(qū)間互控中繼電臺(tái)方式。因無(wú)法滿足調(diào)度命令無(wú)線傳輸及車(chē)次號(hào)傳輸需要，目前在各工程中已不推薦采用。

3.區(qū)間遙控臺(tái)。受控制電纜衰耗限制，只能在距離車(chē)站臺(tái)5～6 km范圍內(nèi)使用。

4.光纖直放站。單個(gè)遠(yuǎn)端機(jī)所能覆蓋的漏纜半徑約為1.1～1.2 km。

5.無(wú)漏泄電纜弱場(chǎng)區(qū)無(wú)線傳輸系統(tǒng)方式。明區(qū)間內(nèi)級(jí)聯(lián)不能超過(guò)2臺(tái)，隧道內(nèi)級(jí)聯(lián)不超過(guò)4臺(tái)。

上述無(wú)線通信方式因覆蓋距離較短，無(wú)法滿足長(zhǎng)隧道內(nèi)及隧道群內(nèi)弱場(chǎng)覆蓋。

1 吳堡隧道工程情況

1.1 基站鏈路預(yù)算

選取長(zhǎng)大隧道吳堡隧道為例，吳堡隧道位于吳堡車(chē)站和義合鎮(zhèn)車(chē)站之間，通過(guò)傳播模型計(jì)算基站覆蓋距離。吳堡車(chē)站和義合鎮(zhèn)車(chē)站間為丘陵地區(qū)，地面略有起伏，峰點(diǎn)與谷點(diǎn)之間的水平距離大于起伏高度，障礙物并不稠密?；咎炀€掛高25、30、35(m);基站覆蓋半徑(機(jī)車(chē)臺(tái)接收)2.88、3.19、3.39(km)。通過(guò)分析，基站天線掛高、鐵塔高度確定方案如下(參考圖1所示)。

1.由于吳堡車(chē)站與王家山隧道DK225+975 (km)隧道口間距為1.295 km，吳堡車(chē)站與吳堡隧道DK227+215(km)隧道口間距為2.535 km，考慮到吳堡車(chē)站新設(shè)基站能覆蓋到吳堡隧道口，因此吳堡車(chē)站的基站天線掛高為25 m即可滿足需要。

2.由于義合鎮(zhèn)車(chē)站與吳堡隧道DK239+400 (km)隧道口間距為0.86 km，因此吳堡車(chē)站的基站天線掛高為25 m即可滿足需要。

3.天線掛高為25 m，天線掛在鐵塔的平臺(tái)上，鐵塔高度應(yīng)為30 m。

1.2 光纖直放站噪聲計(jì)算

在沒(méi)有引入直放站的情況下，基站接收端的噪聲稱為基站底噪聲Npbts，是熱噪聲N(取值－121 dBm)和基站噪聲系數(shù)Nfbts(取值2 dB)之和。單個(gè)直放站在基站接收端帶來(lái)的噪聲電平Nprep為直放站輸出的噪聲功率Np＇rep與路徑損耗Lp(從基站發(fā)射機(jī)至直放站的所有損耗)之差。如果基站的連接中有多個(gè)直放站并聯(lián)，則基站接收端的噪聲為基站底噪聲與基站接收到各直放站噪聲的疊加。表1記錄了連接多個(gè)直放站后靈敏度下降情況。

通過(guò)以上分析，光纖直放站的確定方案如下:

1.參考表1結(jié)果，建議直放站上行增益Gurep－路徑損耗Lp=－10 dB，每臺(tái)基站所帶光纖直放站數(shù)量不超過(guò)4臺(tái)。

2.吳堡隧道全長(zhǎng)為12.31 km，采用光纖直放站加漏泄同軸電纜覆蓋的方式，受漏纜覆蓋長(zhǎng)度的限制和基站帶光纖直放站數(shù)量的限制，隧道內(nèi)必須設(shè)置基站。

1.3 漏泄同軸電纜的選擇

選擇漏泄同軸電纜類(lèi)型和規(guī)格，應(yīng)考慮現(xiàn)場(chǎng)情況、使用頻率和傳輸距離等因素。漏泄同軸電曏(xiang)的指標(biāo)有傳輸衰減和耦合損耗2項(xiàng)。傳輸衰減反映了電磁能量沿電纜傳輸?shù)膿p耗，其大小隨頻率變化，以dB/100 m表示。耦合損耗(Lc)是表征漏泄同軸電纜與外界環(huán)境之間相互耦合強(qiáng)度的特性參數(shù)，其定義為:

式中:Pt為漏泄同軸電纜內(nèi)的傳輸功率;Pr為標(biāo)準(zhǔn)耦極天線的接收功率。系統(tǒng)損耗是傳輸衰減和耦合損耗之和，不同型號(hào)的漏纜，通過(guò)調(diào)整其電纜外導(dǎo)體的開(kāi)槽形式和槽孔結(jié)構(gòu)尺寸，改變傳輸衰減和耦合損耗的配比。

圖1 吳堡隧道的解決方案

表1 光纖直放站引起基站靈敏度下降表

計(jì)算鏈路容量，應(yīng)將發(fā)射機(jī)(GSM-R基站BTS、光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī))和接收機(jī)(GSM-R機(jī)車(chē)車(chē)載臺(tái))之間的所有增益和損耗加起來(lái)，如果結(jié)果為正值，表示系統(tǒng)有足夠的容限。實(shí)際應(yīng)用中，只要滿足鏈路容量，沒(méi)有必要選擇傳輸衰減最低的漏纜，但是要求耦合損耗比較嚴(yán)格。

漏纜耦合損耗一般在55～85 dB之間。狹長(zhǎng)系統(tǒng)如隧道或地鐵內(nèi)，由于其本身能提高漏泄同軸電纜的耦合性能，因此耦合損耗一般為75～85 dB，這種條件下應(yīng)盡量減少傳輸衰減。準(zhǔn)備擴(kuò)展的系統(tǒng)，可以選擇傳輸衰減較小的漏泄同軸電纜，以便為今后提供更高頻率或擴(kuò)大服務(wù)覆蓋區(qū)。在漏纜實(shí)際應(yīng)用中，頻率反應(yīng)和帶寬非常重要。GSM-R每個(gè)信道為25 kHz，屬于窄帶系統(tǒng)，可以使用任一種漏纜或天線。經(jīng)過(guò)計(jì)算，漏泄同軸電纜規(guī)格分別為42mm(1-5/8″)、32mm(1-1/4″)、22mm(7/ 8″)時(shí)，其最大覆蓋分別為1.66 km、1 km、0.73 km。漏泄同軸電纜確定方案如下:

1.1-5/8″規(guī)格的漏泄同軸電纜覆蓋距離為最大。

2.吳堡隧道全長(zhǎng)為12.31 km，使用1－5/8″規(guī)格的漏泄同軸電纜可以使用最少數(shù)量的光纖直放站達(dá)到最好的系統(tǒng)指標(biāo)。

2 吳堡隧道解決方案

在吳堡車(chē)站和義合鎮(zhèn)車(chē)站新設(shè)03全向站型基站，鐵塔高度為30 m。在吳堡隧道內(nèi)DK230+ 575、DK233+935、DK237+295處新設(shè)02定向站型基站，為隧道內(nèi)光纖直放站提供信號(hào)源。每個(gè)基站接4個(gè)光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)，為了保證隧道內(nèi)覆蓋的穩(wěn)定，每個(gè)光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)分別接入不同的基站。采用1-5/8″規(guī)格的漏泄同軸電纜對(duì)隧道進(jìn)行覆蓋。具體解決方案見(jiàn)圖1。

通過(guò)本方案，可得出以下結(jié)論:采用光纖直放站加漏纜方式弱場(chǎng)補(bǔ)強(qiáng)，是鐵路隧道內(nèi)弱場(chǎng)解決方案的首選方案。

3 工程建設(shè)中需注意的問(wèn)題

在GSM-R工程建設(shè)中還需要研究和注意一些問(wèn)題:在鐵路工程的建設(shè)中，通常是先進(jìn)行橋梁、隧道、路基等土建工程的施工，GSM-R通信系統(tǒng)在工程后期才進(jìn)行建設(shè)。但在隧道內(nèi)GSM-R系統(tǒng)需要安裝現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如果不進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施預(yù)留，GSM-R通信系統(tǒng)的施工勢(shì)必會(huì)破壞已經(jīng)建成的隧道設(shè)施，由此可能造成工程的不協(xié)調(diào)，引起土建工程的返工。因此，如何與隧道等土建工程的協(xié)調(diào)配合十分重要。如:在隧道避車(chē)洞內(nèi)安裝基站及直放站遠(yuǎn)端機(jī)，需要有足夠的安裝空間，避車(chē)洞必須經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，并需要預(yù)留接地裝置及電力電源供電裝置。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著鐵路運(yùn)輸不斷提速改造，車(chē)站間距從以前的8～15 km逐漸向20～30 km發(fā)展。鐵路專(zhuān)用無(wú)線通信系統(tǒng)也由20世紀(jì)70年代的450 MHz模擬制式的無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字制式的GSM-R無(wú)線通信系統(tǒng)，上述內(nèi)容對(duì)于GSM-R系統(tǒng)在長(zhǎng)大區(qū)間長(zhǎng)隧道應(yīng)用起到積極的推動(dòng)作用。

實(shí)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)無(wú)縫連續(xù)覆蓋是GSM-R提供高穩(wěn)定、高可靠的QoS的前提，它關(guān)系到鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)的安全，從而也關(guān)系到人民的生命與財(cái)產(chǎn)安全。鐵路是一個(gè)狹長(zhǎng)的帶狀區(qū)域，其沿途經(jīng)過(guò)的地方一般地形復(fù)雜、自然條件差，場(chǎng)強(qiáng)覆蓋實(shí)施難度大，加上我國(guó)的GSM-R系統(tǒng)建設(shè)剛剛起步，建設(shè)經(jīng)驗(yàn)相對(duì)不足。因此，弱場(chǎng)強(qiáng)區(qū)問(wèn)題是一個(gè)需我們不斷去探討并加以解決的重要課題。

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

［2］鐘章隊(duì)．鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM-R)［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2003:6－49．

［3］華為技術(shù)有限公司．GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化［M］．北京:人民郵電出版社，2004．

The integrated digitalmobile communication system is the basis and one of the important part of railway informatization，which also represent the development direction of railway mobile communication system in the future．This paper focuses on the technical difficulties of weak field coverage of GSMR system within long-distance tunnel and tunnel cluster engineering．In-depth research is conducted on the problems encountered in the process of engineering implementation．

GSM-R;Field coverage;Project

陰同:鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司高級(jí)工程師300251天津

2014-02-17

(責(zé)任編輯:張利)