周宇暉

（北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073）

GSM-R特殊區(qū)段網(wǎng)絡(luò)覆蓋的研究

周宇暉

（北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073）

在GSM-R網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)過程中，在車站、大型樞紐站存在多條鐵路線路并行、交叉、匯合的情況，這種場景對GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋提出很高的要求。通過結(jié)合杭州樞紐工程實際應(yīng)用，總結(jié)并研究GSM-R在特殊區(qū)段下網(wǎng)絡(luò)覆蓋的關(guān)鍵技術(shù)。

GSM-R；特殊區(qū)段；網(wǎng)絡(luò)覆蓋

1 概述

隨著我國大規(guī)模建設(shè)200～250 km/h、300～350 km/h高速鐵路和長大干線改造項目的GSM-R網(wǎng)絡(luò)，在車站、大型樞紐站存在多條鐵路線路并行、交叉、匯合的情況，如武漢樞紐、杭州樞紐、廣州樞紐、南京樞紐、上海樞紐、南昌樞紐、西安樞紐、鄭州樞紐等，這些區(qū)域線路縱橫交錯，線路等級各不相同。在上述區(qū)域線路地形相對復(fù)雜，線路平行間距或近或遠，可能有山或樓體阻擋，造成GSM-R無線覆蓋困難；線路等級也各不相同，有高速客運專線、城際鐵路、客貨混跑鐵路，各線路GSM-R無線覆蓋和性能指標(biāo)要求各有不同；有新建線路，也有既有線路，它們的投資規(guī)模、建設(shè)工期和模式也不盡相同，造成統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)管理及工程進度安排的困難。此外，中國鐵路GSM-R系統(tǒng)有限頻率資源使得在此類區(qū)域的無線小區(qū)規(guī)劃、頻率分配、切換設(shè)置成為難題。如果各線路GSM-R系統(tǒng)獨立規(guī)劃、建設(shè)，空間無線信號將相互影響，加上頻率資源緊張，容易造成嚴重的相互干擾，而且由于中國鐵路只有一個GSM-R網(wǎng)絡(luò)，在這些區(qū)域容易造成移動臺無線接入、小區(qū)重選、切換混亂。中國鐵路GSM-R系統(tǒng)建設(shè)過程中面臨著無線覆蓋和頻率規(guī)劃等技術(shù)難題。因此，在這些鐵路區(qū)段、地區(qū)進行GSM-R網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和建設(shè)時，必須統(tǒng)籌考慮各GSM-R系統(tǒng)的無線設(shè)備設(shè)置、小區(qū)覆蓋規(guī)劃和頻率規(guī)劃，避免相互影響、干擾。

2 杭州樞紐GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案

2.1 存在問題

杭州樞紐匯聚滬杭客專、寧杭客專、杭甬客專、杭長客專等多條已建成的CTCS-3（簡稱C3）級線路，遠期還將接入商合杭、杭黃、西北環(huán)線、江東支線等采用GSM-R網(wǎng)絡(luò)的新建鐵路，樞紐涉及線路多，位置關(guān)系復(fù)雜，速度和列控等級不同，且建筑密集，無線傳播復(fù)雜，對各基站的覆蓋情況進行理論預(yù)測較困難，需根據(jù)實際測試情況進行調(diào)整。在杭州樞紐中這些問題主要體現(xiàn)在北側(cè)區(qū)域和南側(cè)區(qū)域。

2.1.1 杭州樞紐北側(cè)區(qū)域

2010年，滬杭客專開通運營，滬杭進杭州東之前尚有3個區(qū)間基站未建成。在工程設(shè)計初期，各線根據(jù)本線需求分別對GSM-R系統(tǒng)無線站點布設(shè)進行了規(guī)劃設(shè)計，隨后，寧杭、杭甬、滬杭引入及杭州東樞紐工程（三線一樞紐）相繼開工，在杭州東以北形成多條線路交叉匯聚的特殊區(qū)域，出現(xiàn)了頻率資源緊張和越區(qū)切換難以控制的問題。

工程設(shè)計初期，在該區(qū)域GSM-R系統(tǒng)無線站點布設(shè)如圖1和表1所示。

圖1 GSM-R系統(tǒng)無線站點布設(shè)圖

表1 GSM-R系統(tǒng)無線站點布設(shè)

經(jīng)分析測試，該區(qū)域GSM-R系統(tǒng)無線站點布設(shè)方案主要存在以下幾方面的問題：

1）基站分布較密，頻率資源有限，頻率規(guī)劃困難

在滬杭、寧杭線路交叉點2 km左右的區(qū)域里，規(guī)劃設(shè)計5個站點、7個基站、共10個載頻?？紤]到該區(qū)域附近其他3個基站共7個載頻，以及周圍杭州站3載頻、杭州東站4載頻，整個杭州東樞紐北部共設(shè)12個基站、24個載頻?；痉植济埽l率復(fù)用距離很小，可能會導(dǎo)致網(wǎng)內(nèi)同鄰頻干擾，影響網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量，甚至可能引起掉話。

2）重疊覆蓋區(qū)域較多，切換難以控制，影響CSD指標(biāo)

由于寧杭、滬杭交叉點附近基站布設(shè)較密，基站覆蓋的重疊區(qū)域較多，工程實施前，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)存在切換次數(shù)頻繁、乒乓切換等問題，增加了傳輸干擾次數(shù)，且嚴重時會引起掉話。

2.1.2 杭州樞紐南側(cè)區(qū)域

杭甬線自杭州東引出，向南經(jīng)過杭州南站在DK18（HZH-SX01）附近轉(zhuǎn)而向東延伸，杭長線在DK18附近向南延伸，線路圖如圖2所示。

圖2 杭州樞紐南側(cè)區(qū)域線路圖

經(jīng)分析，杭長線和杭甬線交叉并線區(qū)域GSM-R系統(tǒng)無線站點布設(shè)方案主要存在以下幾方面的問題：

1）頻率分配問題

杭甬線的頻率配置目前為8頻組復(fù)用，杭州南、杭長線和杭甬線交叉站點按照容量需求，均需配置3個載頻，還要考慮冗余覆蓋，頻率難以規(guī)劃。

2）越區(qū)切換問題

杭長線和杭甬線交叉點附件基站間重疊區(qū)域較多，可能會導(dǎo)致乒乓切換等問題，CSD指標(biāo)難以達標(biāo)。

2.2 解決方案

2.2.1 杭州樞紐北側(cè)區(qū)域GSM-R無線覆蓋解決方案

截止2012年11月，杭州樞紐涉及多條C3線路，主要包括已建成的滬杭客專、在建的寧杭客專、杭甬客專、在建的杭長客專；樞紐內(nèi)部包含多個車站，其中包括杭州東站、杭州站、杭州南站；樞紐內(nèi)GSM-R基站已基本建成，頻率分配成為難題，基 站YH-HZD03、YH-HZD04、YH-HZD05、HangZhouDong基站間距較小，基本為2.2～2.5 km，基站分布較為密集，容易導(dǎo)致切換混亂，將直接影響后期的寧杭、杭甬以及杭州東站GSM-R基站的開通及聯(lián)調(diào)聯(lián)試，因此，有必要根據(jù)現(xiàn)有的GSM-R基站分布及建設(shè)情況，進行必要的調(diào)整，為后期各工程的聯(lián)調(diào)聯(lián)試創(chuàng)造條件。

調(diào)整前場強覆蓋模擬圖如圖3所示。

圖3 場強覆蓋模擬圖

從技術(shù)角度而言，在寧杭、滬杭交叉位置，即滬杭DK154+910處附近新建GSM-R雙基站為最佳網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案，即將同址的雙基站YH-HZD05 和DQ-HZD10向北移動900 m到滬杭鐵路和寧杭鐵路的交叉區(qū)。該方案可以徹底解決高速線路切換問題，普速線的切換問題基本解決，后期可以參數(shù)優(yōu)化，減少了交叉點的基站和載頻數(shù)量，增長了頻率復(fù)用距離，解決了頻率分配問題。

但受筧橋軍用機場限高要求，鐵塔高度受限，無法滿足GSM-R無線覆蓋要求。因此，根據(jù)杭州樞紐北側(cè)GSM-R系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀和機場限高要求，給出GSM-R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)整方案建議，具體如下：

1）取消部分基站站點

取消JianQiao基站，由YH-HZD04基站新增天線提供該區(qū)域無線覆蓋；

2）將基站改為直放站

取消GenShanMen XLS基站，改為直放站，從YH-HZD05接引基站信號，以解決滬杭線列車開行時短號碼呼叫的連續(xù)性；

3）調(diào)整部分基站配置

*滬杭YH-HZD05基站配置由原設(shè)計的O3調(diào)整為O2+1；

*樞紐工程GenShanMen基站配置由原設(shè)計的O3調(diào)整為O2+1；

*寧杭DQ-HZ09A/B由設(shè)計的O2分別調(diào)整為O1+1。

4）對樞紐地區(qū)的基站頻率進行統(tǒng)籌規(guī)劃，各線基站頻點做相應(yīng)調(diào)整。

5）網(wǎng)優(yōu)過程中，對天饋及參數(shù)配置進行反復(fù)調(diào)整，具體如下：

*YH-HZD04基站200°扇區(qū)對寧杭線覆蓋較強，影響寧杭線正常切換，采用小增益天線，并增加衰減器；

*YH-HZD05與DQ-HZ09之間線路彎路較大，且附近樓房密布，基站覆蓋效果較差，DQHZ09A/B基站120°扇區(qū)采用正?；咎炀€；

*YH-HZD05基站15°扇區(qū)和YH-HZD04基站200°扇區(qū)對老滬杭筧橋線路所區(qū)域覆蓋效果較差，增加YH-HZD04基站120°扇區(qū)。

*對天線下傾角及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進行反復(fù)調(diào)整，進一步優(yōu)化覆蓋和越區(qū)切換。

2.2.2 杭州樞紐南側(cè)區(qū)域GSM-R無線覆蓋解決方案

目前，杭甬線已經(jīng)開通運行，杭長線正處于建設(shè)階段。2013年，杭長接入時，主要從以下方面對覆蓋方案進行調(diào)整。

1）并線區(qū)段共用并擴容既有基站

杭州樞紐內(nèi)杭州東至杭州南區(qū)段杭長客專與杭甬鐵路為并行區(qū)段，該區(qū)域擴容并利用杭甬鐵路5處基站設(shè)備，從O2擴容到O2+1。

2）增加基站站點

杭長客專與杭甬線并線交叉點新增一套基站HZN-ZJ01,與既有基站實現(xiàn)同址雙基站冗余覆蓋方式。其中，主用基站采用既有基站HZNSXB01，站型維持O2不變，新設(shè)基站HZN-ZJ01作為備用基站，站型配置為O1+1。

3）調(diào)整基站配置

交叉點處基站的第一個鄰站HZN-ZJ02配置為O2，第二個鄰站HZN-ZJ03配置為O1+1。

4）調(diào)整頻率分配方案

按照盡量減少對既有杭甬線調(diào)整的原則，降低對既有線的影響杭長接入時，對交叉并線區(qū)段的頻率進行統(tǒng)一規(guī)劃，共計調(diào)整杭甬線5處站點的頻率配置。

頻率分配方案如表2所示。

5）樞紐地區(qū)不同線路的基站共用BSC

按照樞紐地區(qū)盡量減少跨BSC切換的原則，杭州南站引出之后的3個基站接入已開通的寧杭BSC，其余正線基站接入新設(shè)BSC。

基站容量的計算：

樞紐地區(qū)線路數(shù)量多，且GSM-R包含語音業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)種類繁多，對樞紐地區(qū)的基站容量進行合理測算，才能優(yōu)化頻率資源的配置。下面以杭州樞紐南側(cè)區(qū)域杭長和杭甬并線區(qū)段的基站容量測算為例，來討論樞紐地區(qū)基站容量的測算。

表2 頻率分配方案表

首先計算C3基站覆蓋區(qū)域內(nèi)每基站的列車數(shù)，公式為：

其中，n為并行路軌數(shù)量，Ltrack為覆蓋軌道長度（m），Speedtrack為該段路軌列車速度范圍（m/s），Tt為相鄰兩輛列車時間間隔（s）。

其中，n=1，Ltrack=3 km，Speedtrack=350 km/h，Tt=（3/60） h

計算出杭長線和杭甬線并線區(qū)段每基站的列車數(shù)約為1列列車，考慮雙向4軌道4列車，其話務(wù)量計算如下：

列車語音話務(wù)量： 15 mE×8×4=480 mE

其他語音話務(wù)量： 20 mE×3人/km×3 km= 180 mE

語音組呼話務(wù)量： 50 mE×3人/km×3 km/3 （3人一組） =150 mE

總語音業(yè)務(wù)量：480 mE+180 mE+150 mE= 810 mE

語 音 業(yè) 務(wù) 需 要 的TCH數(shù)：0.81E @0.5% blocking=5 TCH

CTCS-3 業(yè)務(wù)：4×1 TCH=4 TCH

對TCH總 需 求：4 TCH+5 TCH+1 TCH （GPRS)+1（BCCH）+1（SDCCH）=12 TCH= 2 TRX

根據(jù)區(qū)間容量的總需求，容量為2 TRX，考慮一個載頻單元的備份，由于在有限的無線頻率資源限制下還需確保一定的頻率復(fù)用距離，以滿足C3對GSM-R服務(wù)質(zhì)量的要求，并線基站載頻配置可以為O2+1。

3 杭州樞紐GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案試驗驗證

3.1 杭州樞紐北側(cè)區(qū)域

根據(jù)GSM-R無線覆蓋解決方案，杭州樞紐北側(cè)GSM-R小區(qū)覆蓋優(yōu)化調(diào)整之后，整個樞紐的GSM-R無線覆蓋和切換關(guān)系會產(chǎn)生變化，由于該區(qū)域涉及滬杭、寧杭、杭州東改擴建工程，且主要為C3列控線路，鑒于調(diào)整優(yōu)化方案存在技術(shù)風(fēng)險，為了確保調(diào)整后的寧杭、滬杭C3業(yè)務(wù)穩(wěn)定運行，必須在樞紐北側(cè)GSM-R小區(qū)覆蓋優(yōu)化調(diào)整實施之前，進行必要的模擬測試工作對方案予以驗證。

3.1.1 模擬場強測試驗證

主要測試方案為：對樞紐北側(cè)調(diào)整之后的方案GSM-R站點進行模擬場強測試；對寧杭、滬杭建立鐵塔未使用的基站，在鐵塔上架設(shè)天線進行模擬場強測試；沒有建立鐵塔的基站位置，樹立拉線塔進行模擬場強測試。測試路線為該基站可能覆蓋到的區(qū)域，寧杭線和滬杭客專新站割接入樞紐后，測試其對既有線路的影響。

3.1.2 測試區(qū)域選擇

杭州樞紐北側(cè)區(qū)域場強測試分為3個重點測試區(qū)域，具體如圖4所示。

1）淺灰色圈所示區(qū)域，由于該區(qū)域YH-HZD04、DQ-HZ09、YH-HZD05相鄰較近，機車在滬杭線駛?cè)牒贾輺|站或?qū)幒季€駛?cè)牒贾輺|站時，可能會引起切換問題甚至造成掉話。本次需要測試寧杭線和滬杭線相互影響的情況。

2）深灰色圈所示區(qū)域，關(guān)閉DQ-HZ11基站后，機車行駛在宣杭線或者老滬杭線時，可能存在切換問題。本次需要測試GenShanMen、YH-HZD05、DQ-HZ09基站在該區(qū)域的場強情況，判斷關(guān)閉該基站對切換的影響。

圖4 基站布點示意圖

3）黑色圈所示區(qū)域，關(guān)閉JianQiao基站后，機車行駛在老滬杭線時，可能存在切換問題。本次需要測試YH-HZD04、YH-HZD05基站在該區(qū)域的場強情況，判斷關(guān)閉該基站對切換的影響。

3.1.3 測試步驟

1）在YH-HZD05鐵塔架設(shè)發(fā)射機，天線角度按照該基站設(shè)計角度15°、330°，分別步行測試滬杭線和寧杭線的場強情況，老滬杭的場強覆蓋情況。

2）在DQ-HZ09鐵塔架設(shè)發(fā)射機，天線角度按照該基站設(shè)計角度120°，步行測試寧杭線和其對滬杭線的場強情況。

3）在YH-HZD04鐵塔架設(shè)發(fā)射機，天線角度按照該基站設(shè)計角度120°、200°，步行測試滬杭線和其對寧杭線的場強情況，添乘測試對老滬杭筧橋線路所覆蓋的場強情況。

4）在YH-HZD05鐵塔架設(shè)發(fā)射機，天線角度按照該基站設(shè)計角度250°，測試老滬杭和宣杭線的場強覆蓋情況。

3.1.4 測試結(jié)論

測試完成后，對測試結(jié)果進行收集整理，導(dǎo)入相關(guān)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工具內(nèi)進行分析。考慮切換情況，對于C3列控線路需要考慮到單點故障的情況。經(jīng)測試驗證后，杭州樞紐北側(cè)區(qū)域GSM-R無線覆蓋調(diào)整方案可以滿足線路的業(yè)務(wù)需求。

后期，寧杭、杭甬、滬杭順利接入杭州樞紐，各線動態(tài)驗收指標(biāo)符合要求，目前各線路系統(tǒng)運行良好穩(wěn)定。

3.2 杭州樞紐南側(cè)區(qū)域

根據(jù)GSM-R無線覆蓋解決方案，杭州樞紐南側(cè)主要對基站頻率進行重新規(guī)劃和調(diào)整，不涉及覆蓋范圍與切換關(guān)系的改變。因此，計劃通過覆蓋與干擾仿真和添乘杭甬客專動檢車測試的方式對方案予以驗證。

3.2.1 仿真驗證

根據(jù)頻率分配情況，對杭州樞紐地區(qū)的基站覆蓋和干擾情況進行仿真，結(jié)果如下：

建議HZN-SXB01,HZN-ZJ01基站和周圍基站用65°水平波瓣天線，這樣可以提供更好的覆蓋。覆蓋仿真如圖5所示，覆蓋情況良好。

杭長線和杭甬線交叉并線區(qū)段干擾仿真結(jié)果如圖6所示，結(jié)果較好。

圖5 覆蓋仿真圖

杭長線和杭甬線交叉并線區(qū)段基站分布較為密集，頻率規(guī)劃緊張，后期新引入線路導(dǎo)致前期線路大范圍基站的頻率調(diào)整，此類現(xiàn)象也是樞紐地區(qū)GSM-R無線覆蓋的共性問題。

圖6 干擾仿真圖

3.2.2 添乘測試驗證

通過對覆蓋仿真和干擾仿真結(jié)果分析，本次杭州樞紐南側(cè)區(qū)域的GSM-R無線覆蓋解決方案具備可行性，但由于對既有杭甬線基站頻率進行了修改，為不影響既有線的正常運行，計劃添乘每日動檢車，利用動車組列車尾部（非運行端）CIR天線對杭甬線進行測試驗證。

整個添乘測試分為以下二個階段：

1）第一階段

a.非天窗時間段

為避免發(fā)生乒乓切換和頻率干擾影響杭甬線正常C3業(yè)務(wù)，關(guān)閉杭長線與杭甬線交叉區(qū)的基站，分別 為HZN-ZJ01、HZN-ZJ02、HZN-ZJ03基 站。

b.天窗時間段

開啟交叉區(qū)段杭長線基站，并根據(jù)頻率規(guī)劃方案將杭甬和杭長線基站頻率進行配置，在杭甬線進行話音長呼測試和各項QoS指標(biāo)優(yōu)化測試（包括半數(shù)站測試），并根據(jù)當(dāng)時的添乘測試結(jié)果，決定是否需要將杭甬線頻率還原，全部測試與調(diào)整過程均在天窗點內(nèi)完成，不會對既有線列車運行造成影響。

2）第二階段

在完成第一階段的測試后，交叉區(qū)段杭甬線的GSM-R網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該能夠滿足各項QoS指標(biāo)要求，需要同時對杭長線GSM-R網(wǎng)絡(luò)進行驗證測試，保證杭甬線基站的運行不會對杭長GSM-R網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生不利影響，此部分測試可納入杭長線聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間進行。如果杭甬線基站對杭長產(chǎn)生影響，需對杭甬線部分區(qū)段重新進行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化（如頻率修改、天線俯仰角調(diào)整、切換參數(shù)調(diào)整等），優(yōu)化后需重新進行杭甬線的添乘測試，最終實現(xiàn)兩線獨立運行，互不干擾。

4 結(jié)束語

綜上所述，杭州樞紐現(xiàn)存在頻率資源緊張、復(fù)用距離較近、網(wǎng)內(nèi)干擾嚴重、切換混亂等問題，目前通過對樞紐內(nèi)GSM-R網(wǎng)絡(luò)的精密調(diào)整和反復(fù)測試，保證了寧杭、杭甬、滬杭等C3線路順利開通，但杭長客專的接入造成大量既有杭甬線基站的頻率調(diào)整，隨著其他城際鐵路的開通、既有線GSM-R系統(tǒng)改造升級，必然出現(xiàn)樞紐內(nèi)頻率規(guī)劃不開、無線覆蓋方案無法實現(xiàn)等問題。因此，整體、長遠的對樞紐地區(qū)進行GSM-R網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，采用新技術(shù)、新裝備，對于樞紐地區(qū)GSM-R系統(tǒng)而言是勢在必行的。

[1]鐘章隊，艾渤，劉秋妍，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.

[2]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)計暫行規(guī)定[S].北京：中國鐵道出版社，2007.

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In the process of construction of GSM-R network, there are conditions of parallel lines, cross lines and connected lines in the same stations. The conditions abovementioned need high requirements for GSM-R network coverage. Combining with the practical application of Hangzhou junction project, the paper summarizes and studies the key technologies of GSM-R network coverage in special sections.

GSM-R network; special section; network coverage

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.03.009

2015-04-01）