張華峰
(中國鐵建電氣化局集團第一工程有限公司,河南洛陽 471000)
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GSM-R現(xiàn)網(wǎng)組網(wǎng)方案與建設對比研究
張華峰
(中國鐵建電氣化局集團第一工程有限公司,河南洛陽471000)
作為承載列控安全信息的通道,GSM-R網(wǎng)絡需具備極高的可靠性和安全性,其無線系統(tǒng)組網(wǎng)方案是GSM-R系統(tǒng)規(guī)劃的重中之重。通過對GSM-R目前常見的兩種同址雙站和單網(wǎng)交織組網(wǎng)進行對比,從組網(wǎng)復雜度、可靠性、頻率規(guī)劃及網(wǎng)優(yōu)、網(wǎng)絡建設成本等幾個方面對GSM-R無線組網(wǎng)進行分析和比較,采用可靠性數(shù)學建模方法對兩種方案進行數(shù)學分析。可靠性對比結果表明系統(tǒng)冗余越多,可靠性越高,但是在實際工程實施時要從多方面綜合考慮,并對未來大規(guī)模GSM-R改造項目的建設提出相關建議。
GSM-R; 無線組網(wǎng); 同址雙站; 單網(wǎng)交織; 對比分析
GSM-R系統(tǒng)基于行車安全性考慮,對于網(wǎng)絡的性能要求很高,因此,合理的網(wǎng)絡覆蓋,是提升系統(tǒng)性能的關鍵。目前,GSM-R主要使用的覆蓋方案有單層網(wǎng)交織、同站址雙網(wǎng)及雙網(wǎng)交織方案[1,2]。對于雙網(wǎng)交織覆蓋,需要再多建1套站點機房及鐵塔等基礎設備,大大增加了網(wǎng)絡建設成本,在目前工程項目中應用較少。我國《中長期鐵路規(guī)劃(2008年調(diào)整)》中規(guī)劃的“四縱四橫”客運專線網(wǎng)絡是世界上最大的高速鐵路網(wǎng)絡,到2020年,包括客運專線鐵路、城際鐵路以及客車和貨車混行的時速200km以上鐵路在內(nèi)的快速鐵路里程將會達到5萬km,這也將是世界上GSM-R應用最廣泛的鐵路網(wǎng)絡。雖然目前國內(nèi)外使用較多的是單網(wǎng)交織覆蓋方式[3-6],但考慮到后續(xù)中國有近7萬km既有線路進行GSM-R改造,故有必要對上述幾種GSM-R組網(wǎng)方式進行進一步研究。以青藏線和大秦線的同址雙站組網(wǎng)[7,8]為例,與目前常見的單網(wǎng)交織組網(wǎng)進行對比研究,深入分析幾種方案的優(yōu)缺點,旨在為未來大規(guī)模的GSM-R改造項目提供一些理論參考。
同址雙站組網(wǎng)指在同一站址設置2套基站,2套基站形成雙覆蓋冗余,與主備BSC進行連接,但實際應用中存在2種不同形式的同址雙站方案,主備用基站同頻和異頻,青藏線GSM-R采用的是A/B網(wǎng)覆蓋[9],A網(wǎng)基站和B網(wǎng)基站獨立工作,各自使用獨立的頻點,大秦線GSM-R主備基站采用相同頻率發(fā)射,下面將詳細進行介紹。
2.1青藏線GSM-R A/B雙網(wǎng)覆蓋
青藏線GSM-R采用雙層A/B網(wǎng)覆蓋[10],每個站點設置2套獨立的基站,站點之間采用環(huán)網(wǎng)結構,同址站點共用1套鐵塔,A、B網(wǎng)天線分別架設在不同高度,如圖1所示。
圖1 青藏線GSM-R網(wǎng)絡結構
在格爾木和拉薩各設2套BSC,其中BSC50承載西寧、格爾木—唐古拉北A網(wǎng)共98個基站業(yè)務處理;BSC51承載唐古拉北—拉薩B網(wǎng)96個基站業(yè)務處理。BSC60負責拉薩—唐古拉北A網(wǎng)96個基站覆蓋范圍內(nèi)的業(yè)務處理;BSC61下唐古拉北—格爾木B網(wǎng)96個基站覆蓋范圍內(nèi)的業(yè)務處理。
基站工作方式為主備同時工作,正常情況下,業(yè)務均由A網(wǎng)承擔,并且配置相鄰站點的A、B網(wǎng)互為切換鄰區(qū),保證異常情況下業(yè)務及時切換。A網(wǎng)站點站型一般為O2,B網(wǎng)站點一般為O1,主用A網(wǎng)站點和備用B網(wǎng)站點采用不同的BCCH頻點,由于頻率資源的限制,在頻率規(guī)劃時B網(wǎng)只是用1000-1004這5個頻點,其余用于A網(wǎng)使用。
2.2大秦線GSM-R雙網(wǎng)備份覆蓋(圖2)
大秦線GSM-R也是采用共站雙網(wǎng)覆蓋,其組網(wǎng)方式類似于青藏線,但考慮到頻率資源緊缺的特點,在頻率規(guī)劃及分配方面有一定改進,所有A網(wǎng)站點可以充分使用4M頻率資源,一定程度上緩解了網(wǎng)規(guī)網(wǎng)優(yōu)的壓力。
圖2 大秦線GSM-R網(wǎng)絡結構示意
BSCA和BSCB下的主、備基站覆蓋完全一樣,如果某個主基站故障,根據(jù)倒換機制,備基站接替主站工作,保證了單點故障中斷業(yè)務時常較短。目前雙網(wǎng)備份基站倒換業(yè)務中斷時間在60s內(nèi)。
雙網(wǎng)備份覆蓋基站與BSC組網(wǎng)靈活,沒有要求主、備基站組網(wǎng)方式必須一致,也沒有要求BBU與RRU組網(wǎng)方式一致,但要求主、備基站的頻點一致,主備基站小區(qū)覆蓋范圍一致。
該組網(wǎng)中,主備站點不同時工作,在主用正常時備用站點無發(fā)射功率,需要增加機制來進行主備工作檢測,異常情況下主備的倒換工作,在系統(tǒng)設計方面較青藏線難度提高,且理論上業(yè)務中斷時間有所增加。
3.1單網(wǎng)交織覆蓋
每站址設置1套基站,奇、偶數(shù)基站進行交疊覆蓋且同時運行工作,如圖3所示。
圖3 單網(wǎng)交織覆蓋示意
該組網(wǎng)下,奇數(shù)站與偶數(shù)站間深度交織,任何站點出現(xiàn)異常,均可以由相鄰站點完成其覆蓋區(qū)域的業(yè)務接替,但由于重疊區(qū)域較多,使得站點更加密集,因此,會在很大程度上增加切換次數(shù),而且由于頻率資源緊張,一定程度上增加了干擾的幾率,給網(wǎng)絡優(yōu)化增加了難度。
3.2可靠性數(shù)學建模分析
如圖2(a)所示的同址雙站模型,根據(jù)可靠性數(shù)學建模方法,可抽象為可靠性模型框圖如圖4所示[11]。
圖4 同址雙站可靠性框圖
系統(tǒng)可靠度為
(1)
式中,RS1=R1R3R5;RS2=R2R4R6。
如圖3所示的單網(wǎng)交織[12]覆蓋方案,可靠性框圖如圖5所示。
圖5 單網(wǎng)交織可靠性框圖
系統(tǒng)可靠度為
(2)
式中,RS3=1-(1-R1)(1-R2R3),當組成無線系統(tǒng)的各單元可靠度如表1所示,根據(jù)式(1)和式(2),可得同址雙站冗余覆蓋和交織站址冗余覆蓋方案的系統(tǒng)可靠度對比結果如表2所示。
表1 無線系統(tǒng)單元可靠度預測
表2 同址雙站與單網(wǎng)交織方案系統(tǒng)可靠度對比
從可靠性對比結果可以看出:系統(tǒng)冗余越多,可靠性越高,但是在實際工程實施時要從組網(wǎng)復雜度、可靠性、頻率規(guī)劃及優(yōu)化難度等方面綜合考慮。
3.3青藏線與大秦線組網(wǎng)方案綜合比對
從組網(wǎng)復雜度,可靠性,頻率規(guī)劃及優(yōu)化難度,網(wǎng)絡建設成本方面對兩種同址雙站組網(wǎng)方式和交織站址方式進行對比分析[13,14],分析比較結果如表3所示。
經(jīng)過對2種同址雙站及單網(wǎng)交織組網(wǎng)進行對比,從業(yè)務應用角度來講,這3種方式都有效增加了網(wǎng)絡的可靠性,都能夠承載列控數(shù)據(jù)傳輸[15],但實際工程項目應該首選雙網(wǎng)備份,即主用基站發(fā)功,備用不發(fā)功,異常情況下進行倒換的方式,該方式充分利用了頻帶資源,對于頻率規(guī)劃及后續(xù)網(wǎng)絡優(yōu)化都留有較大空間。
但由于共站雙網(wǎng)覆蓋組網(wǎng)對于傳輸要求較高,新建鐵路在建設或者在已有傳輸資源充足的鐵路區(qū)段,可以充分考慮,進行統(tǒng)一規(guī)劃,但是某些現(xiàn)有區(qū)段,可能是對現(xiàn)有鐵路450M區(qū)段進行改造,現(xiàn)有的傳輸資源不滿足雙網(wǎng)要求,此時要新建傳輸可能投入成本會很大,但又要保證可靠性的列控區(qū)段,可以引導客戶采用單網(wǎng)交織的組網(wǎng)方式。
表3 無線組網(wǎng)方式對比分析
青藏線A/B網(wǎng)方式與大秦線雙網(wǎng)備份相比,對于網(wǎng)絡規(guī)劃及后續(xù)優(yōu)化會存在一些壓力,但是業(yè)務恢復時間快的特點,在可靠性要求更高的區(qū)段可以較大程度被用戶認可,具體使用哪種方案,需要參考實際鐵路線路的特點以及相關線路的地形、地貌來統(tǒng)一綜合考慮。
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Comparative Study on Networking Scheme and Construction of Existing GSM-R Network
ZHANG Hua-feng
(The1stEngineeringCo.,Ltd.ofChinaRailwayConstructionElectrificationBureauGroup,Luoyang471000,China)
Asatrainoperationcontrolinformationchannel,GSM-R(GSMforRailway)networkshouldbehighlyreliableandsafeanditswirelesssystemnetworkschemeisthekeyinGSM-Rsystemplanning.Basedonthecomparisonbetweentheco-locateddouble-siteandsinglenetworkintertwinedforGSM-Rwirelessnetworking,thispaperanalyzesandcomparesthewirelesssystemnetworkingschemeintermsofthenetworkingcomplexity,reliability,frequency-planningandnetworkoptimization,networkconstructioncost,andconductsmathematicalanalysisofthetwoschemesbasedonreliablemathematicalmodeling.Thecomparisonresultsshowthatthemoreredundantofthesystem,themorereliableofthesystem,butcomprehensiveconsiderationsarerequiredinpracticalengineering.Relevantsuggestionsfortheconstructionoffuturelarge-scaleGSM-Rrenovationprojectareputforward.
GSM-R;Wirelessnetworking;Co-locateddouble-site;Singlenetworkintertwine;Comparisonandanalysis
2015-12-15;
2016-01-06
張華峰(1973—),男,高級工程師,E-mail:417884164@qq.com。
1004-2954(2016)08-0156-04
U285.21
A< class="emphasis_italic">DOI
:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.033