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

1　概述

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。

2　同址雙站覆蓋

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　同址雙網(wǎng)與單網(wǎng)交織覆蓋對比分析

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。

4　結語

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。

[1]鐘章隊，李旭，蔣文怡，等.鐵路GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社，2007.

[2]吳克非，謝宏，曾祥兵，等.中國鐵路GSM-R移動通信系統(tǒng)設計指南[M].北京:中國鐵道出版社，2008.

[3]石波，龐萌萌，高婷婷.瑞典鐵路GSM-R網(wǎng)絡實施情況的研究[J].鐵路通信信號工程技術，2012，9(1):77-80.

[4]鐘章隊，任靜.對國內(nèi)外GSM-R發(fā)展的研究[J].移動通信，2007，31(7):51-56.

[5]M.Uhlirz.ConceptofaGSM-basedcommunicationsystemforhigh-speedtrains[C].inProc.IEEE44thVehicularTech.Conf.，Stockholm， 1994:1130-1134.

[6]ArminZimmermann，GunterHommel.ATrainControlSystemCaseStudyinModel-BasedRealTimeSystemDesign[C].IninternationalParallelandDistributedProcessingSymposium，IEEE， 2003:118-126.

[7]楊玉修.西成客運專線部分特殊地段GSM-R網(wǎng)絡覆蓋方案研究[J].鐵道標準設計，2012(9):106-109.

[8]謝炳勛.GSM-R技術在我國鐵路通信中的應用與發(fā)展研究[J/OL].電子技術與軟件工程，2015(23).[2015-11-30].http://www.cnki.net/kcms/detail/10.1108.TP.20151130.1102.064.html.

[9]李凱.青藏鐵路ITCS信號控制系統(tǒng)方案[J].中國鐵路，2005(7):31-36.

[10]逯宗田.青藏線ITCS系統(tǒng)[J].鐵道通信信號，2007，43(8):12-13.

[11]林俊亭，李翠然，王曉明.GSM-R無線冗余覆蓋及可靠性建模分析[J].蘭州交通大學學報，2010，29(3):120-122.

[12]李冰，朱雅楠.CTCS-3系統(tǒng)中GSM-R網(wǎng)絡結構的研究分析[J].鐵道標準設計，2013(4):119-123.

[13]國家鐵路局.TB10621-2014 高速鐵路設計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2015.

[14]王劍，靳成銘，蔡伯根，等.面向我國低密度線路的列車運行控制系統(tǒng)[J].鐵道學報，2015，37(12):46-52.

[15]劉立海，劉建宇.特殊CTCS-3級區(qū)段GSM-R方案設計與優(yōu)化[J].鐵路技術創(chuàng)新，2011(2):13-16.

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