李 堅(jiān)，陳曉輝,陳建平

(1.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司 通信與信號部， 北京 100860；2.南京泰通科技股份有限公司，江蘇 南京 210039;3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子工程與信息科學(xué)系，安徽 合肥 230026)

目前，新建GSM-R系統(tǒng)在工程設(shè)計(jì)及實(shí)施過程中，大多僅考慮覆蓋本線，涉及與之相關(guān)的樞紐、交越、并線區(qū)段等特殊場景，極少考慮相鄰線路的覆蓋需求[1]。隨著GSM-R系統(tǒng)覆蓋里程的迅速增大，樞紐、交越、并線等復(fù)雜區(qū)段，既有GSM-R系統(tǒng)與新建GSM-R系統(tǒng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一的問題逐步凸顯[2-3]。因此，需要從全局的角度頂層設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌規(guī)劃符合運(yùn)輸組織需求、設(shè)備現(xiàn)狀、布局合理的網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案[4]。網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案的核心，是確保各條線路的GSM-R系統(tǒng)性能指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)[5-6]，各業(yè)務(wù)滿足相應(yīng)運(yùn)輸生產(chǎn)組織場景下的運(yùn)用需求[7]。然而，由于現(xiàn)有GSM-R系統(tǒng)頻率資源受限，因此，科學(xué)、合理地配置頻率資源是確保GSM-R系統(tǒng)滿足鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)組織需求的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的基站小區(qū)頻率資源配置方案普遍存在頻率資源利用度不高的問題。

GSM-R系統(tǒng)的工作頻段為上行885～889 MHz、下行 930～934 MHz，劃分為20個(gè)頻點(diǎn)，頻點(diǎn)號為1000至1019，每個(gè)頻點(diǎn)號代表一個(gè)帶寬為200 kHz的無線信道資源。傳統(tǒng)的GSM-R系統(tǒng)頻率資源分配原則，是按照不同業(yè)務(wù)的話務(wù)量模型估算樞紐大站、中間車站、區(qū)間等場景的總話務(wù)量(單位：Erl)，通過查詢愛爾蘭B表的方法確定相應(yīng)基站小區(qū)的頻率資源配置[8]。話務(wù)量是一個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)概念[9]，適合于海量用戶數(shù)量的大型公共通信網(wǎng)絡(luò)[10-11]。公共移動通信系統(tǒng)、GSM-R系統(tǒng)的用戶數(shù)量較少，按照中國鐵路總公司的規(guī)劃，GSM-R系統(tǒng)遠(yuǎn)期用戶數(shù)量15萬，僅相當(dāng)于中國移動一個(gè)縣級區(qū)域的用戶數(shù)量。因此，實(shí)踐表明，該方法存在頻率資源利用度不高的問題。

為此，需要立足鐵路GSM-R系統(tǒng)的特殊性，從運(yùn)輸組織的角度、從運(yùn)用的角度，結(jié)合GSM-R系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，分析車站、區(qū)間等兩個(gè)GSM-R運(yùn)用場景，以滿足運(yùn)用需求為目標(biāo)，研究基于鐵路運(yùn)用場景的GSM-R系統(tǒng)無線信道資源估算方法，合理配置基站小區(qū)頻率資源，提高頻率資源利用效率。

1 車站基站小區(qū)無線信道資源需求估算

1.1 CTCS-3級列控系統(tǒng)業(yè)務(wù)無線信道資源需求估算

為滿足運(yùn)輸生產(chǎn)組織需求，需要立足車站的最大接發(fā)車能力，估算CTCS-3級列控(以下簡稱C3列控)業(yè)務(wù)無線信道資源需求X。

( 1 )

1.2 語音業(yè)務(wù)無線信道資源估算

科學(xué)估算車站站區(qū)的語音業(yè)務(wù)無線信道資源需求，首先需要根據(jù)鐵路運(yùn)輸組織中各語音業(yè)務(wù)的運(yùn)用現(xiàn)狀估算各語音業(yè)務(wù)的單元話務(wù)量。車站站區(qū)的語音業(yè)務(wù)大致可分為4類。

(1)車機(jī)聯(lián)控話務(wù)量Ec。文獻(xiàn)[12]要求，車機(jī)聯(lián)控應(yīng)內(nèi)容簡單明了，車機(jī)聯(lián)控時(shí)間通常不超過3 min，即λ0取0.05 Erl/列。車機(jī)聯(lián)控屬于機(jī)車乘務(wù)員與調(diào)度員或車站值班員的通話，因此該話務(wù)量也適用用于直通股停車后、發(fā)車的語音通話場景。Ec表達(dá)式為

Ec=M×λ0

( 2 )

式中：M為該車站股道數(shù)(含直通股道、到發(fā)線)；λ0為每一次車機(jī)聯(lián)控所產(chǎn)生的話務(wù)量。

(2)車上人員間的語音通信話務(wù)量。其是指機(jī)車乘務(wù)員、列車長、乘警長和機(jī)械師等之間的語音通信。通常，在區(qū)間,列車長或機(jī)車乘務(wù)員統(tǒng)一指揮列車在區(qū)間的一切行車事宜；在車站,車站值班員統(tǒng)一指揮在車站的一切行車事宜。車站發(fā)車前司機(jī)與列車長間會進(jìn)行一次通話試驗(yàn)，通話時(shí)長不超過3 min；除此之外，車上人員之間不進(jìn)行通話試驗(yàn)。因此，在車站站區(qū)，比較固定的是司機(jī)與列車長之間的通話試驗(yàn)，其話務(wù)量2倍于1次車機(jī)聯(lián)控話務(wù)量。

(3)其他語音通信話務(wù)量Er。通常由車站外勤值班員、車站(助理)值班員、各專業(yè)施工防護(hù)員和其他值守人員崗位產(chǎn)生。車站外勤值班員的一次通話時(shí)間按3 min計(jì)算，即話務(wù)量為0.05 Erl/崗；車站(助理)值班員一般使用車站FAS臺進(jìn)行聯(lián)絡(luò),不使用GSM-R手持終端進(jìn)行通話，因此崗位數(shù)按車站FAS臺數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)即可；各專業(yè)施工防護(hù)員的作業(yè)，一般在天窗點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行，而天窗點(diǎn)內(nèi)不行車，C3列控業(yè)務(wù)的無線信道資源可以供其使用，因此可以不做考慮；應(yīng)急值守人員一般為工務(wù)、供電、電務(wù)等專業(yè)人員，每崗1人，其話務(wù)量按0.05 Erl/崗估算。因此，Er的估算式為

Er=(P+Q+U)×λ0

( 3 )

式中：P為車站外勤值班員崗位數(shù)；Q為車站(助理)值班員崗位數(shù)；U為應(yīng)急值守人員崗位數(shù)。

(4)組呼通信話務(wù)量。由于299、210組呼作為高優(yōu)先級語音業(yè)務(wù)，可以強(qiáng)占其他話音業(yè)務(wù)的無線信道資源，因此，進(jìn)行無線信道資源估算時(shí)，無需考慮組呼通信話務(wù)量需求。

綜合上述4種運(yùn)用場景，車站基站小區(qū)的語音業(yè)務(wù)話務(wù)量Ee可以表示為

Ee=3×Ec+Er=(3M+P+Q+U)×λ0

( 4 )

文獻(xiàn)[8]規(guī)定，GSM-R系統(tǒng)的呼損率應(yīng)不大于0.005，因此，通過查詢愛爾蘭B表，得到在呼損率為0.005的條件下，車站基站小區(qū)的語音業(yè)務(wù)話務(wù)量Ee所需的語音業(yè)務(wù)無線信道資源ZZQ[9]。

1.3 GPRS無線信道資源

目前，GPRS承載的主要業(yè)務(wù)的流量需求見表1。由于GPRS的實(shí)際速率只能達(dá)到理論速率的30%～40%，因此一個(gè)無線信道資源可提供的速率約2.5 kbit/s(按CS-1編碼速率估算)，下行業(yè)務(wù)需2個(gè)時(shí)隙，上行需4個(gè)時(shí)隙，因此，GPRS信道通常配置1個(gè)GPRS專用靜態(tài)信道，3個(gè)GPRS動態(tài)可用信道。由于GPRS動態(tài)信道與語音業(yè)務(wù)信道共享無線信道資源，因此按1個(gè)無線信道資源估算GPRS業(yè)務(wù)的信道資源需求。

表1 GPRS承載業(yè)務(wù)流量

綜上所述，覆蓋車站的基站小區(qū)無線信道資源需求為

W=X+ZZQ+1=

( 5 )

2 覆蓋區(qū)間的基站小區(qū)無線信道資源需求估算

2. 1 C3列控業(yè)務(wù)無線信道資源需求估算

圖1 GSM-R系統(tǒng)基站小區(qū)覆蓋示意圖

( 6 )

( 7 )

2. 2 語音業(yè)務(wù)無線信道資源估算

( 8 )

( 9 )

(10)

(2)其他語音通信話務(wù)量ERqj。按每公里R名維護(hù)人員估算，則ERqj可以表示為

ERqj=R×LBTS×λ0

(11)

因此，該高速鐵路線路區(qū)間的基站小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)的語音業(yè)務(wù)話務(wù)量Eeqj可由式(12) 估算。文獻(xiàn)[8]規(guī)定，GSM-R系統(tǒng)的呼損率應(yīng)不大于0.005，因此，可以通過查詢愛爾蘭B表，得到在呼損率為0.005條件下，Eeqj所需的語音業(yè)務(wù)無線信道資源ZQJ[9]。

Eeqj=ERqj+Ecqj=

(12)

綜上所述，覆蓋高速鐵路線路站間區(qū)間的基站小區(qū)無線信道資源需求WQJ可采用式(13)估算。式(13)包含了GPRS業(yè)務(wù)的1個(gè)無線信道資源需求。

WQJ=XG+ZQJ+1=

(13)

3 車站基站小區(qū)頻率資源優(yōu)化配置應(yīng)用案例

3.1 高速鐵路車站基站小區(qū)頻率資源配置

北京南站總計(jì)24個(gè)股道，3個(gè)到發(fā)場，其中京滬線普速場5股道(2條到發(fā)線、3個(gè)直通股道)、京津城際場7股道(到發(fā)線)、京滬高鐵場12股道(到發(fā)線)。京滬高鐵、京津城際采用C3列控系統(tǒng)，具備3 min跟蹤運(yùn)行條件；京滬線普速場計(jì)劃改造為GSM-R系統(tǒng)。京津城際、京滬高鐵在北京南站采用CTCS-2級列控(以下簡稱“C2列控”)系統(tǒng)發(fā)車[14]；京津城際、京滬高鐵北京南站不執(zhí)行車機(jī)聯(lián)控，普速場執(zhí)行問路行車[12]。

(1)C3列控業(yè)務(wù)需求。北京南站總計(jì)有19條到發(fā)線采用C2列控系統(tǒng)發(fā)車,C3列控系統(tǒng)接車；考慮列車進(jìn)站及司機(jī)退勤等操作時(shí)間需求，每列動車組以C3列控模式進(jìn)站停穩(wěn)到退出C3列控模式，須10 min；極限情況下，19條到發(fā)線，僅進(jìn)行接車作業(yè)，且所接列車均使用C3模式進(jìn)站，10 min之內(nèi)北京南站僅能接來自京津城際、京滬高鐵區(qū)間的8列動車組進(jìn)站，在此情況下，覆蓋北京南站的基站小區(qū)需提供8個(gè)無線信道資源以滿足8列動車組的C3列控業(yè)務(wù)。

(2)車機(jī)聯(lián)控話務(wù)量需求。北京南站普速場總計(jì)有5股道的接發(fā)車進(jìn)行車機(jī)聯(lián)控，因此，最多同時(shí)有5列車進(jìn)行車機(jī)聯(lián)控，話務(wù)量為0.25 Erl。

(3)車上人員話務(wù)量需求。極限條件下，每列車在站區(qū)內(nèi)均進(jìn)行1次通話試驗(yàn)操作；北京南站總計(jì)有24個(gè)股道，估算話務(wù)量為1.2 Erl。

(4)其他語音通信話務(wù)量需求。車站地面用戶、維護(hù)人員等業(yè)務(wù)需求。極限條件下，每個(gè)站臺均有1名移動用戶使用GSM-R系統(tǒng)，北京南站總計(jì)有21條到發(fā)線，估算話務(wù)量為1.05 Erl。

所得到的多元線性回歸模型的R2達(dá)到0.9990，這說明回歸模型的擬合優(yōu)度很高，可以初步判定模型具有一定的可靠性，但這只是一個(gè)較為模糊的判斷，需要從統(tǒng)計(jì)學(xué)方面進(jìn)行進(jìn)一步的檢驗(yàn)分析，才能判斷模型的可靠性與適用性。因此，需對該模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

由式( 5 )可知,覆蓋北京南站的基站小區(qū)需提供17個(gè)無線信道資源,即3載頻。

京滬高鐵開通之初，覆蓋北京南站的基站小區(qū)(BeiJingNan)配置了4個(gè)載頻，分別是1004、1002、1006和1000；其中1004為BCCH，其他均為TCH；每載頻可提供8個(gè)無線信道，分別記做時(shí)隙TS-x1至TS-x7(x=0,1,2,3；x=0代表1004載頻，x=1代表1002載頻，以此類推，下文相關(guān)內(nèi)容與之同)，共計(jì)32個(gè)信道；其中TS-01、TS-02配置為公共邏輯信道，TS-37配置為GPRS專用信道(即GPRS靜態(tài)信道)，其余29個(gè)時(shí)隙資源，均可供C3級列控業(yè)務(wù)、語音呼叫及GPRS動態(tài)信道使用；配置TS-34、TS-35、TS-36等3個(gè)無線信道為GPRS動態(tài)信道[15]。

2017年12月，為解決與BeiJingNan相鄰的BJN-DCD01頻率資源不足的問題，將BeiJingNan的1000頻點(diǎn)調(diào)配給BJN-DCD01使用；BeiJingNan的載頻配置數(shù)縮減為3個(gè)(即1004、1002和1006)；TS-01、TS-02配置為公共邏輯信道；TS-27配置為GPRS靜態(tài)信道，TS-24、TS-25、TS-26等3個(gè)無線信道為GPRS動態(tài)信道可用信道。優(yōu)化方案實(shí)施后，經(jīng)統(tǒng)計(jì)BeiJingNan的日峰值話務(wù)量僅為1.25 Erl(圖2)。話務(wù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，該小區(qū)的信道資源分配類指標(biāo)也沒有明顯變化，均符合標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 三載頻配置下，BeiJingNan 2018年1月話務(wù)量統(tǒng)計(jì)

如果采用傳統(tǒng)估算方法，由于BeiJingNan的峰值話務(wù)量為1.5 Erl，在0.005呼損率條件下，僅需配置1載頻、提供6個(gè)無線業(yè)務(wù)信道即可。顯而易見，1載頻配置無法滿足10 min之內(nèi)北京南站連續(xù)接入8列動車組進(jìn)站的C3列控業(yè)務(wù)需求。這也證明了本文提出的基于鐵路運(yùn)用場景的GSM-R系統(tǒng)無線信道資源估算方法能夠較好的對車站基站小區(qū)頻率資源進(jìn)行配置原則，較傳統(tǒng)的話務(wù)量估算方法更加符合鐵路運(yùn)用特點(diǎn)。

3.2 普速鐵路車站基站小區(qū)頻率資源優(yōu)化配置

京九線霸州站有10股道(含到發(fā)線3條)、2站臺；GSM-R系統(tǒng)采用單網(wǎng)覆蓋方式，提供車機(jī)聯(lián)控、調(diào)度命令、進(jìn)路預(yù)告和無線車次號校核信息傳送等業(yè)務(wù)；執(zhí)行問路行車；無C3列控業(yè)務(wù)。

(1)車機(jī)聯(lián)控話務(wù)量估算。每列車到站、發(fā)車前，均需進(jìn)行車機(jī)聯(lián)控。霸州站有3條到發(fā)線，發(fā)車時(shí)需執(zhí)行發(fā)車聯(lián)控；京九線為復(fù)線電氣化鐵路，因此霸州站可同時(shí)辦理直通列車的能力不大于2列；除去上述股道霸州站可供列車在站內(nèi)停留的股道數(shù)為5，假設(shè)每列停留的列車均執(zhí)行1次車機(jī)聯(lián)控,因此該車站的車機(jī)聯(lián)控話務(wù)量估算為0.5 Erl。

(2)車上人員話務(wù)量估算。比較具有代表性的是列車長與機(jī)車乘務(wù)員間的通話試驗(yàn)。極限條件下，每列車在站區(qū)內(nèi)均進(jìn)行1次通話試驗(yàn)操作，每次試驗(yàn)時(shí)間為3 min；霸州站總計(jì)有10股道，因此霸州站內(nèi)的車上通話話務(wù)量估算為0.5 Erl。

(3)其他語音通信話務(wù)量估算。極限條件下，每個(gè)站臺均有1名移動用戶使用GSM-R系統(tǒng)，通話時(shí)間按3 min計(jì)算，霸州站總計(jì)有2站臺，極限情況下的話務(wù)量為0.1 Erl。

由式( 5 )可知，覆蓋霸州站的基站小區(qū)(BaZHou)僅需提供7個(gè)無線信道資源即可滿足業(yè)務(wù)需求,換算成載頻數(shù)，BaZHou配置1個(gè)載頻即可。

京九線GSM-R系統(tǒng)開通時(shí)，BaZHou配置為2載頻，配置了兩個(gè)公共邏輯信道，1個(gè)GPRS靜態(tài)信道和3個(gè)GPRS動態(tài)信道。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，BaZHou的日峰值話務(wù)量僅為0.2 Erl(圖3)。為了驗(yàn)證本文的結(jié)論，2018年4月17日，將該基站小區(qū)設(shè)置為單載頻，話務(wù)統(tǒng)計(jì)顯示，BaZHou的日峰值話務(wù)量僅為0.14 Erl(圖4)，且相關(guān)資源分配類指標(biāo)也沒有明顯變化，均符合標(biāo)準(zhǔn)。由于車站區(qū)域GSM-R用戶比較集中，考慮到一定的冗余性，普速鐵路車站按2載頻配置即可。

圖3 BaZHou 2018年3月10日至4月7日話務(wù)量統(tǒng)計(jì)

圖4 BaZHou 2018年4月18日至5月16日話務(wù)量統(tǒng)計(jì)

4 區(qū)間基站小區(qū)頻率資源優(yōu)化配置案例

4.1 高速鐵路區(qū)間基站小區(qū)(京滬高鐵)

京滬高鐵為雙線電氣化鐵路，采用C3列控系統(tǒng)；采用AT供電模式，Lpwrsply小于24 km，每個(gè)供電臂供電范圍內(nèi)每股道的設(shè)計(jì)最大可運(yùn)行動車組數(shù)量為2；GSM-R系統(tǒng)采用單網(wǎng)交織覆蓋方式，北京南站(K000+000)至廊坊(K60+401)區(qū)間的GSM-R基站小區(qū)最大間距為3.2 km，最小間距2 km。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2載頻配置條件下，BJN-LF14的月度峰值話務(wù)量僅0.12 Erl(圖5)。如果按照傳統(tǒng)的話務(wù)模型來估算，BJN-LF14僅需配置1載頻即可。但是，由式(13)可知，1載頻無法滿足極限條件下該區(qū)段京滬高鐵的信道資源需求。這也證明了本文提出的基于鐵路運(yùn)用場景的GSM-R系統(tǒng)無線信道資源估算方法，能夠較好的對高速鐵路區(qū)間基站小區(qū)頻率資源進(jìn)行優(yōu)化配置，較傳統(tǒng)的話務(wù)量估算方法，更加符合鐵路運(yùn)用特點(diǎn)。

圖5 2018年3月10日至4月7日BJN-LF14話務(wù)量統(tǒng)計(jì)

4.2 普速鐵路區(qū)間基站小區(qū)(京九線)

京九線為雙線電氣化鐵路，站間區(qū)間2股道；GSM-R系統(tǒng)覆蓋方案采用普通單網(wǎng)，基站小區(qū)間距約5 km；信號系統(tǒng)采用四顯示自動閉塞信號系統(tǒng)，閉塞分區(qū)長度約為2 km。京九線王佐(K179+920)至肅寧(K187+555)由WangZuo、WZ-SN01和SuNing等基站小區(qū)覆蓋；其中WZ-SN01為區(qū)間基站，下面估算WZ-SN01的頻率資源配置。

(1)車機(jī)聯(lián)控話務(wù)量估算。按照基站間距與閉塞分區(qū)長度估算，每個(gè)基站的覆蓋范圍內(nèi)，每股道最多有2列列車運(yùn)行，即上下行總計(jì)不超過4列列車，按均需車機(jī)聯(lián)控，總計(jì)話務(wù)量為0.2 Erl。

(2)車上人員間語音話務(wù)量估算。每列計(jì)通話1次，總計(jì)車上人員的通信話務(wù)量為0.2 Erl。

(3)其他語音通信話務(wù)量估算。正常情況下，區(qū)間僅有工務(wù)、電務(wù)、供電等專業(yè)維護(hù)人員進(jìn)行巡視，每專業(yè)按2人計(jì)算、共有6人，總計(jì)話務(wù)量為0.3 Erl。

利用式(13)可知,WZ-SN01需提供7個(gè)無線信道資源即可滿足業(yè)務(wù)需求，換算成載頻數(shù)，WZ-SN01應(yīng)配置1個(gè)載頻。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2載頻配置條件下，WZ-SN01的月度峰值話務(wù)量僅0.07 Erl(圖6)。為了驗(yàn)證本文的結(jié)論，2018年4月17日，將該基站小區(qū)設(shè)置為單載頻，話務(wù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，該小區(qū)的月度峰值話務(wù)量僅為0.06 Erl(圖7)，且該基站小區(qū)的相關(guān)資源分配類指標(biāo)也沒有明顯變化，均符合標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 2018年3月10日至4月7日WZ-SN01話務(wù)量統(tǒng)計(jì)

圖7 2018年4月18日至5月16日WZ-SN01話務(wù)量統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

本文立足鐵路運(yùn)輸需求及GSM-R系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)，在繼承既有話務(wù)量模型估算方法優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出一種新型的基于鐵路運(yùn)用場景的GSM-R系統(tǒng)無線信道資源估算方法，該方法能夠較好用于GSM-R基站小區(qū)頻率資源的優(yōu)化配置工作，較傳統(tǒng)的話務(wù)量估算方法，更加符合鐵路運(yùn)用特點(diǎn)。該方法在京滬高鐵、京九線GSM-R系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作中得到了檢驗(yàn)，結(jié)果良好；上述創(chuàng)新性成果，對GSM-R系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試和日常維護(hù)工作具有較好的理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義。