寧 偉

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

1 概述

作為鐵路通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，鐵路無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)必須滿(mǎn)足鐵路運(yùn)輸各項(xiàng)服務(wù)需求。目前，我國(guó)鐵路無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)主要采用GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)和450M模擬無(wú)線(xiàn)列調(diào)通信系統(tǒng)。西安鐵路局依據(jù)中國(guó)鐵路總公司發(fā)布的鐵總運(yùn)[2013]189號(hào)《關(guān)于既有普速鐵路450MHz無(wú)線(xiàn)列調(diào)改建GSM-R系統(tǒng)方案優(yōu)化的指導(dǎo)意見(jiàn)》要求，結(jié)合管段內(nèi)既有鐵路無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)現(xiàn)狀以及各條鐵路無(wú)線(xiàn)設(shè)備使用年限和設(shè)備運(yùn)用狀況，決定對(duì)設(shè)備較為陳舊、設(shè)備故障率較高的隴海鐵路寶雞-天水段無(wú)線(xiàn)列調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行GSM-R系統(tǒng)改造。

1.1 鐵路概況

西安鐵路局管段隴海鐵路寶天段起自陜西寶雞車(chē)站，西至甘肅社棠車(chē)站，上下行線(xiàn)全長(zhǎng)約266公里，全線(xiàn)為雙線(xiàn)電氣化鐵路，設(shè)計(jì)時(shí)速160公里每小時(shí)，為國(guó)家I級(jí)干線(xiàn)鐵路。全線(xiàn)設(shè)有車(chē)站18座，分別為寶雞、福臨堡、坊塘埔、固川、坪頭、顏家河、石家灘、拓石、鳳閣嶺、建河、元龍、伯陽(yáng)、社棠、晁峪、東口、馬家灣、新拓石、新建河；設(shè)有隧道共計(jì)163座，長(zhǎng)度約116.7公里。

該段鐵路為山區(qū)鐵路，橋梁隧道多，彎道多，橋隧相連，地理環(huán)境條件差。

1.2 既有鐵路無(wú)線(xiàn)通信概況

隴海鐵路寶天段既有無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)為450MHz B2制式無(wú)線(xiàn)列調(diào)通信系統(tǒng)。車(chē)站設(shè)置有車(chē)站電臺(tái)，區(qū)間及隧道內(nèi)設(shè)有中繼器及光纖直放站，弱場(chǎng)區(qū)段主要采用漏纜和天線(xiàn)進(jìn)行覆蓋。

寶天段上行線(xiàn)設(shè)備為1999年開(kāi)通運(yùn)用，下行線(xiàn)2003年開(kāi)通運(yùn)用。部分設(shè)備運(yùn)行時(shí)間已長(zhǎng)達(dá)16年，設(shè)備已超期運(yùn)用，故障率高，備品備件緊缺，且該系統(tǒng)大三角及無(wú)線(xiàn)轉(zhuǎn)接功能不穩(wěn)定，車(chē)站及區(qū)間設(shè)備不具備監(jiān)控功能。

表1

圖1 GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)鐵路等級(jí)、鐵路運(yùn)行方式等，本次改造方案GSM-R基站子系統(tǒng)按照單層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組網(wǎng)考慮。

2.1 設(shè)計(jì)原則

2.1.1 結(jié)合既有設(shè)施，優(yōu)化方案，在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)盡可能的節(jié)省投資；

2.1.2 既有機(jī)房、電源等盡可能利舊，在節(jié)省投資的同時(shí)提高施工的便利性。

2.1.3 本次改造設(shè)計(jì)應(yīng)統(tǒng)籌考慮路局其它鐵路無(wú)線(xiàn)列調(diào)改造的需求。

2.2 需求分析

2.3 系統(tǒng)構(gòu)成

GSM-R系統(tǒng)由下列七個(gè)子系統(tǒng)組成：網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)（NSS）、基站子系統(tǒng)（BSS）、通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)（GPRS）、智能網(wǎng)系統(tǒng)（IN）、固定用戶(hù)接入交換機(jī)（FAS）系統(tǒng)、運(yùn)行與維護(hù)子系統(tǒng)（OMC）及終端。

2.3.1 交換子系統(tǒng)（SSS）

包括匯接移動(dòng)交換中心（TMSC）、網(wǎng)關(guān)移動(dòng)交換中心（GMSC）、移動(dòng)交換中心（MSC）、訪(fǎng)問(wèn)位置寄存器（VLR）、歸屬位置寄存器（HLR）、鑒權(quán)中心（AuC）、組呼寄存器（GCR）、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能模塊（IWF）、短消息中心（SMSC）、確認(rèn)中心（AC）等設(shè)備。本次改造利用西安既有核心網(wǎng)交換系統(tǒng)，并對(duì)核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)容、數(shù)據(jù)加載及調(diào)測(cè)以滿(mǎn)足本線(xiàn)需求。

2.3.2 移動(dòng)智能網(wǎng)子系統(tǒng)（IN）

包括業(yè)務(wù)交換點(diǎn)（SSP）、智能外設(shè)（IP）、業(yè)務(wù)控制點(diǎn)（SCP）、業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)（SMS）等設(shè)備。本次改造利用西安核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中的SSP設(shè)備，只考慮為其加載本線(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.3.3 基站子系統(tǒng)（BSS）

包括基站收發(fā)信機(jī)（BTS）、基站控制器（BSC）以及編譯碼和速率適配單元（TRAU）和小區(qū)廣播短消息中心（CBC）等設(shè)備。本次新設(shè)BSC、TRAU設(shè)備。BSC、TRAU與MSC同址設(shè)置于西安鐵路局GSM-R核心網(wǎng)機(jī)房?jī)?nèi)。根據(jù)西安鐵路局既有線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信改造規(guī)劃，咸銅（咸陽(yáng)-銅川）、甘鐘等線(xiàn)路無(wú)線(xiàn)通信改造時(shí)考慮接入本次工程設(shè)置的TRAU和BSC設(shè)備，故應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃TRAU、BSC等設(shè)備容量。

鐵路沿線(xiàn)車(chē)站設(shè)置O3基站，區(qū)間根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋的需要設(shè)置O2基站，每個(gè)基站通過(guò)有線(xiàn)傳輸系統(tǒng)提供的2M環(huán)通道接入BSC，每3～5個(gè)基站組成一個(gè)2M環(huán)路；對(duì)于隧道等弱場(chǎng)區(qū)段可針對(duì)具體的地形條件采用光纖直放站或分布式基站加漏泄同軸電纜或天線(xiàn)方式解決。

2.3.4 通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)子系統(tǒng)（GPRS）

包括網(wǎng)關(guān)業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)（GGSN）、業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)（SGSN）、分組控制單元（PCU）、邊界網(wǎng)關(guān)（BG）、計(jì)費(fèi)網(wǎng)關(guān)（CG）、域名服務(wù)器（DNS）、認(rèn)證服務(wù)器（RADIUS）等設(shè)備。本次改造只新設(shè)PCU設(shè)備，PCU與BSC同址設(shè)置。其它設(shè)備利用既有，只考慮數(shù)據(jù)制作加載及調(diào)試。

2.3.5 固定用戶(hù)接入交換系統(tǒng)（FAS）

FAS包括鐵道部FAS、鐵路局FAS及站段FAS。目前西安鐵路局設(shè)有4套局級(jí)FAS，分別為高速鐵路主用FAS1、備用FAS2，普速鐵路FAS3、備用FAS4，遵照原鐵道部FAS設(shè)置及接入原則，即高速鐵路和普速鐵路分別設(shè)置或接入相應(yīng)級(jí)別FAS，且普速鐵路FAS3容量滿(mǎn)足本線(xiàn)接入需求，本線(xiàn)調(diào)度主系統(tǒng)利用既有FAS3，只需做相關(guān)數(shù)據(jù)加載及調(diào)試。各車(chē)站新設(shè)鐵路數(shù)字調(diào)度通信分系統(tǒng)（站段級(jí)FAS），通過(guò)Fb接口與局級(jí)主FAS3相連接。

2.3.6 運(yùn)行與維護(hù)子系統(tǒng)（OMC）

包括無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理子系統(tǒng)（OMC-R）、交換網(wǎng)絡(luò)管理子系統(tǒng)（OMC-S）、GPRS網(wǎng)絡(luò)管理子系統(tǒng)（OMC-D）、直放站管理子系統(tǒng)（OMC-T）、FAS網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（OMC-F）。本次改造只新設(shè)OMC-R設(shè)備，其它網(wǎng)管子系統(tǒng)利用既有。OMC-R設(shè)于西安無(wú)線(xiàn)檢修所，OMC-T設(shè)于寶雞通信車(chē)間，相關(guān)的維修車(chē)間、通信車(chē)間設(shè)置OMC-R、OMC-T復(fù)示終端。

2.4 場(chǎng)強(qiáng)覆蓋標(biāo)準(zhǔn)

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃以機(jī)車(chē)臺(tái)接收天線(xiàn)處的覆蓋電平為標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋應(yīng)滿(mǎn)足：接收機(jī)天線(xiàn)處輸入端射頻信號(hào)最小可用接收電平Prmin為-98dBm（統(tǒng)計(jì)概率95%）。

圖2 宏基站+光纖直放站方案系統(tǒng)構(gòu)成圖

表2

2.5 系統(tǒng)功能

實(shí)現(xiàn)列車(chē)調(diào)度員-機(jī)車(chē)司機(jī)間、車(chē)站值班員-機(jī)車(chē)司機(jī)間各種列車(chē)無(wú)線(xiàn)調(diào)度通信功能；列車(chē)車(chē)次號(hào)及調(diào)度命令信息傳送；GSM-R系統(tǒng)能滿(mǎn)足鐵路沿線(xiàn)維護(hù)人員的通信需求，用于工務(wù)、水電、電務(wù)等部門(mén)的區(qū)間維護(hù)作業(yè)通信；滿(mǎn)足公安、搶修、救援等應(yīng)急移動(dòng)通信需求。

2.6 越區(qū)切換

為了為了保持移動(dòng)臺(tái)在移動(dòng)中通話(huà)的連續(xù)性以及網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，移動(dòng)臺(tái)必須進(jìn)行切換，工程中應(yīng)對(duì)越區(qū)切換進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

2.6.1 切換位置選擇

切換位置應(yīng)盡量選在開(kāi)闊地帶，避免選在高話(huà)務(wù)區(qū)、隧道口、彎道以及有阻擋的地帶，對(duì)于隧道群，在滿(mǎn)足覆蓋重疊長(zhǎng)度的情況下，切換位置可選在兩個(gè)隧道之間的開(kāi)闊區(qū)域，對(duì)于長(zhǎng)大隧道，則需要在隧道內(nèi)切換。切換區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)應(yīng)按照當(dāng)前小區(qū)漸弱，目標(biāo)小區(qū)漸強(qiáng)的趨勢(shì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證切換成功率。

2.6.2 覆蓋重疊長(zhǎng)度

覆蓋重疊長(zhǎng)度與列車(chē)運(yùn)行速度，切換時(shí)間密切相關(guān)，為了提高切換成功率，切換時(shí)間按照能完成兩次越區(qū)切換考慮。隴海鐵路設(shè)計(jì)速度160km/h，切換時(shí)間按10s考慮，則覆蓋重疊長(zhǎng)度（160*1000/3600）*10=445m。

2.7 區(qū)間弱場(chǎng)覆蓋

區(qū)間隧道路塹等弱場(chǎng)覆蓋采用光纖直放站+漏泄同軸電纜或天線(xiàn)解決，光纖直放站方案主要由BTS、近端機(jī)、遠(yuǎn)端機(jī)、光纖、耦合器、天線(xiàn)或漏泄同軸電纜等組成。

光近端機(jī)和光遠(yuǎn)端機(jī)均包括射頻單元（RF單元）和光單元。無(wú)線(xiàn)信號(hào)從基站中耦合出下行信號(hào)（930MHz-934MHz）后，進(jìn)入光近端機(jī)，通過(guò)電光轉(zhuǎn)換，電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，從光近端機(jī)輸入至光纖，經(jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)焦膺h(yuǎn)端機(jī)，光遠(yuǎn)端機(jī)把光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，進(jìn)入RF單元進(jìn)行放大，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后送入發(fā)射天線(xiàn)或者漏泄電纜（LCX）覆蓋目標(biāo)區(qū)域。與上行鏈路的工作原理一樣，移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的上行信號(hào)（885MHz—889MHz）通過(guò)接收天線(xiàn)或者漏泄電纜（LCX）至光遠(yuǎn)端機(jī)，再通過(guò)光纖到近端機(jī)回到基站。

2.8 鏈路預(yù)算

3 工程規(guī)模

本次改建設(shè)計(jì)方案共利用區(qū)間設(shè)備機(jī)房（含隧道內(nèi)機(jī)房）176處，區(qū)間電桿利舊170處，電力設(shè)施全部利舊，以最大程度的節(jié)省投資。

結(jié)語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)方案結(jié)合了西安GSM-R核心網(wǎng)、西安鐵路局管內(nèi)其它鐵路GSM-R建設(shè)改造進(jìn)度計(jì)劃以及隴海鐵路寶天段沿線(xiàn)設(shè)備、房屋、電力等設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，很好的執(zhí)行了設(shè)計(jì)原則要求，最大程度節(jié)省投資的同時(shí)達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

[1]中國(guó)鐵路總公司.鐵總運(yùn)[2013]189號(hào) 中國(guó)鐵路總公司關(guān)于既有普速鐵路450MHz無(wú)線(xiàn)列調(diào)系統(tǒng)改建GSM-R系統(tǒng)方案優(yōu)化的指導(dǎo)意見(jiàn)[Z].北京：中國(guó)鐵路總公司，2013.

[2]西安鐵路局.西鐵計(jì)函[2012]40號(hào) 西安鐵路局“十二五”發(fā)展規(guī)劃[Z].西安：西安鐵路局，2012.

[3]中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)[2007]92號(hào) 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[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

[4]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T 3324-2013 鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM-R）總體技術(shù)要求[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2013.