楊 帆

(中國鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司 北京 100043)

1 引言

近年來，全國鐵路建設(shè)系統(tǒng)深入貫徹落實(shí)黨中央和國鐵集團(tuán)高質(zhì)量發(fā)展理念，鐵路建設(shè)正在由速度規(guī)模型向質(zhì)量效益型轉(zhuǎn)變。質(zhì)量效益除了施工建設(shè)實(shí)體控制外，設(shè)計(jì)工作是鐵路建設(shè)的起點(diǎn)，設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)的精細(xì)程度直接影響鐵路的質(zhì)量和效益。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，在鐵路建設(shè)中存在精細(xì)程度不夠或設(shè)計(jì)余量過大而導(dǎo)致的投資浪費(fèi)和施工、維護(hù)不便等問題。

無線網(wǎng)基站或直放站，GSM-R無線網(wǎng)區(qū)間基站及直放站的選址、間距和場(chǎng)坪面積大小直接影響著鐵路投資和建設(shè)、維護(hù)的便利性，開展高速鐵路GSM-R無線網(wǎng)精細(xì)化設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。

2 選址原則及場(chǎng)坪布置

2.1 選址原則

(1)合理確定基站間距。平原開闊區(qū)域，鐵塔高度高出軌面20～25 m時(shí)，單網(wǎng)交織覆蓋方式基站站間距可設(shè)置為3.7～4.2 km，單網(wǎng)覆蓋方式基站站間距可設(shè)置為6～8 km?；鹃g距還應(yīng)結(jié)合所在區(qū)域電磁環(huán)境、山體或建筑物阻擋等因素綜合確定。根據(jù)已開通高速鐵路測(cè)試數(shù)據(jù)，平原開闊區(qū)域連續(xù)4～4.2 km基站間距可以滿足場(chǎng)強(qiáng)覆蓋和服務(wù)質(zhì)量要求。

(2)合理確定直放站間距。直放站用在隧道內(nèi)及隧道口附近，目前設(shè)計(jì)基本采用數(shù)字直放站[1]。單網(wǎng)交織覆蓋方式[2]隧道內(nèi)遠(yuǎn)端機(jī)間距為1.5 km；單網(wǎng)方式為2.5 km[3]。

(3)無線信號(hào)為視距傳播，前后兩處站址之間應(yīng)避免山體或建筑物阻擋。

(4)應(yīng)選擇在地勢(shì)較高且平坦的地方[4]，為便于施工和維護(hù)，減少通站道路等配套設(shè)施投資，原則上選擇在既有道路旁邊，并注意躲避高壓線、墳地和房屋。

(5)基站、直放站院落的開門位置要根據(jù)地形和既有道路位置合理確定，使通站道路最短，投資和占地更少。

(6)在特寬河道以及山區(qū)丘陵地區(qū)、隧道區(qū)段等特殊地形區(qū)域，應(yīng)先布設(shè)這些區(qū)域的基站，再布設(shè)其他區(qū)域基站或直放站。

(7)山區(qū)基站選址要考慮控制填方、挖方的土建工程量，要兼顧通站道路的設(shè)置條件，兼顧施工及維護(hù)的便利性。

(8)要關(guān)注站址所在地區(qū)空軍、機(jī)場(chǎng)等對(duì)鐵塔高度的要求。

(9)為節(jié)約用地，節(jié)省相關(guān)配套設(shè)備的投資，在滿足本系統(tǒng)技術(shù)要求的前提下應(yīng)進(jìn)行綜合、集約化選址，基站原則上應(yīng)與信號(hào)中繼站合設(shè)[5－6]。

(10)用地圖應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況在線路圖和站場(chǎng)圖標(biāo)注基站和直放站，標(biāo)明機(jī)房和院落的長寬尺寸，提高上圖精度，注意現(xiàn)場(chǎng)踏勘確定的位置與圖紙上位置的一致性。

(11)基站院落內(nèi)一般設(shè)有電力箱式變壓器，部分基站還設(shè)有電抗器，直放站院落內(nèi)可能沒有電力箱式變壓器，在設(shè)計(jì)用地圖時(shí)，應(yīng)與電力專業(yè)核實(shí)每個(gè)點(diǎn)的電力設(shè)施類型和尺寸，合理設(shè)計(jì)院落尺寸，并準(zhǔn)確體現(xiàn)在用地圖中。

(12)選址應(yīng)滿足50年或百年洪水位要求，盡可能避開地勢(shì)低洼區(qū)域，在地勢(shì)低洼長大區(qū)域布設(shè)基站時(shí)，應(yīng)合理確定該區(qū)域內(nèi)站址高程，可采用在吊腳樓上設(shè)置機(jī)房的方式。

(13)隧道口直放站選址應(yīng)結(jié)合隧道口地勢(shì)情況合理確定，若地勢(shì)較為平緩可在隧道口設(shè)置直放站，若地形陡峭或?yàn)榛碌囟?，可將直放站設(shè)置在距離隧道口最近的洞室內(nèi)。

(14)隧道區(qū)域基站僅作為信源接直放站近端機(jī)，由于時(shí)延問題不宜再接天饋線[7]，基站的物理位置可以在較大范圍內(nèi)移動(dòng)。在保證冗余覆蓋和直放站系統(tǒng)時(shí)延的前提下可靈活選址，將基站設(shè)置在地形較好，有通站道路，便于維護(hù)的位置。當(dāng)基站選址困難時(shí)，可考慮合設(shè)，但每處合設(shè)的基站不宜超過2套。

2.2 場(chǎng)坪布置

(1)基站場(chǎng)坪布置

基站機(jī)房約為30 m2，由于設(shè)備機(jī)柜和防靜電地板尺寸均為0.6 m×0.6 m，為減少防靜電地板切割，提高機(jī)房的整體性和美觀性，建議機(jī)房內(nèi)實(shí)際尺寸應(yīng)為0.6 m的整數(shù)倍，將機(jī)房尺寸設(shè)計(jì)為3 m×9.6 m。

基站院內(nèi)一般為4個(gè)引入井，其中2個(gè)是通信引入井，1個(gè)是防災(zāi)引入井，1個(gè)是電力引入井，引入井尺寸應(yīng)根據(jù)維護(hù)單位需求確定。

高速鐵路通信鐵塔一般為四柱鋼管塔，這種鐵塔地面以上部分較小，根開一般不大于5 m，但制作鐵塔基礎(chǔ)時(shí)的開挖面積較大，可按10 m×10 m設(shè)計(jì)。由于四柱鋼管塔的無縫鋼管質(zhì)量難以把控，目前正在逐步改為組合式單元鐵塔，組合式單元鐵塔的基礎(chǔ)與四柱鋼管基礎(chǔ)大小基本一致。

基站場(chǎng)坪內(nèi)機(jī)房、鐵塔和箱變一般按“品”字形布置，如圖1所示。

圖1 “品”字形基站場(chǎng)坪(單位:m)

在丘陵、山區(qū)等地勢(shì)不好的區(qū)域，結(jié)合具體地形，基站場(chǎng)坪內(nèi)設(shè)施可按“一”字形設(shè)置，如圖2所示。

圖2 “一”字形基站場(chǎng)坪(單位:m)

(2)直放站場(chǎng)坪布置

直放站機(jī)房一般不大于10 m2，可按3 m×3 m設(shè)計(jì)。由于直放站鐵塔高度一般在35 m及以下，鐵塔基礎(chǔ)的開挖面積可按8 m×8 m設(shè)計(jì)。帶鐵塔和箱變的直放站典型場(chǎng)坪如圖3所示。

圖3 典型直放站場(chǎng)坪(單位:m)

直放站場(chǎng)坪也可根據(jù)不同的地形按“品”字形或“一”字形設(shè)計(jì)，場(chǎng)坪內(nèi)是否有電力箱變應(yīng)與電力專業(yè)核實(shí)確定。

山區(qū)鐵路部分基站或直放站場(chǎng)坪內(nèi)可能無鐵塔，在場(chǎng)坪設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)GSM-R無線網(wǎng)方案，核實(shí)每處基站或直放站的設(shè)備設(shè)施，根據(jù)實(shí)際設(shè)施情況設(shè)計(jì)場(chǎng)坪尺寸，避免簡單地采用一種固定的圖塊，導(dǎo)致用地過大和投資浪費(fèi)。

3 隧道口區(qū)域覆蓋方案

3.1 覆蓋方案比選

對(duì)于短隧道和隧道群較多GSM-R無線網(wǎng)需采用冗余覆蓋方案的高速鐵路[8]，隧道口多為地形陡峭或滑坡地段，區(qū)間及隧道口設(shè)備選址困難，若在隧道口設(shè)直放站等設(shè)備，安全風(fēng)險(xiǎn)和施工難度都很大，通站道路也無法保證?？蓪⑺淼揽谶B接天線的直放站遠(yuǎn)端機(jī)放置于距隧道口50～100 m處的洞室內(nèi)，解決隧道口選址和通站道路困難的問題，將遠(yuǎn)端機(jī)設(shè)置于隧道洞室內(nèi)也更加安全，減少山體滑坡等地質(zhì)因素對(duì)GSM-R系統(tǒng)的影響。

直放站遠(yuǎn)端機(jī)放置于距隧道口50～100 m處的洞室時(shí)，連接隧道口天線有以下三個(gè)方案[9]。

方案一:在距隧道口50～100 m處的洞室設(shè)1套直放站，通過7/8饋線拉至隧道口，接隧道口的天線和漏纜，如圖4所示。

圖4 直放站經(jīng)饋線接天線方案

方案二:在距隧道口50～100 m處的洞室設(shè)1套直放站，利用電橋?qū)崿F(xiàn)隧道內(nèi)、外冗余覆蓋，如圖5所示。

圖5 單套直放站經(jīng)電橋和漏纜接天線方案

方案三:在距隧道口50～100 m處的洞室設(shè)2套直放站，利用雙套設(shè)備實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)、外冗余覆蓋，如圖6所示。

圖6 雙套直放站經(jīng)電橋和漏纜接天線方案

方案三對(duì)隧道外的覆蓋距離更遠(yuǎn)，但為了冗余覆蓋，使用了較多的設(shè)備，不經(jīng)濟(jì)。方案一、二均能實(shí)現(xiàn)隧道口和隧道內(nèi)冗余覆蓋。

但方案二在每個(gè)隧道口增加了電橋和負(fù)載等無源器件，且跳線較多，導(dǎo)致故障點(diǎn)較多，故推薦采用方案一。

3.2 鏈路預(yù)算

對(duì)于方案一，考慮到隧道口情況復(fù)雜，可能無法立塔，可按天線掛設(shè)在12 m鋼桿進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用 Hata模型對(duì)鐵路沿線的GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋進(jìn)行建模，并分析計(jì)算覆蓋情況[10]，如圖7所示。

圖7 Hata模型鏈路預(yù)算示意

Hata模型以市區(qū)路徑傳播損耗為基準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)其他地區(qū)進(jìn)行修正，市區(qū)傳播路徑損耗基準(zhǔn)公式為:

移動(dòng)天線修正因子為:

郊區(qū)的路徑損耗修正模型為:

根據(jù)已開通項(xiàng)目聯(lián)調(diào)聯(lián)試和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，單網(wǎng)覆蓋時(shí)，GSM-R最低電平一般不小于－75 dBm，鏈路預(yù)算時(shí)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋最低電平可按－75 dBm。由于機(jī)車電臺(tái)功率較高，GSM-R為下行(基站發(fā)射，移動(dòng)臺(tái)接收)受限系統(tǒng)，下行鏈路預(yù)算值就是基站覆蓋的最小距離，具體鏈路預(yù)算如表1所示。

表1 隧道口直放站覆蓋距離預(yù)算(直放站設(shè)在隧道內(nèi)100 m的位置)

根據(jù)以上鏈路預(yù)算，直放站設(shè)置在隧道內(nèi)100 m位置，隧道口天線掛高12 m時(shí)，單側(cè)隧道口的直放站能覆蓋約1.7 km。

4 隧道內(nèi)切換區(qū)方案

為保證切換時(shí)不受其他網(wǎng)絡(luò)影響，隧道區(qū)域的切換區(qū)建議設(shè)置在隧道內(nèi)。在兩個(gè)直放站主從信源均不相同的切換區(qū)(漏纜內(nèi)有4個(gè)基站的信號(hào))，若其中一處直放站故障，前一個(gè)直放站的信號(hào)無法進(jìn)入到下一段漏纜中，會(huì)導(dǎo)致切換失敗。由于小區(qū)重選流程的時(shí)間較長，移動(dòng)臺(tái)發(fā)起小區(qū)重選后，可能會(huì)移動(dòng)到下一段漏纜的覆蓋區(qū)域，無法與前一個(gè)直放站建立連接，從而導(dǎo)致小區(qū)重選失敗，這種問題在以往的聯(lián)調(diào)聯(lián)試測(cè)試時(shí)曾多次遇到[11]。

為保證單處直放站故障時(shí)小區(qū)切換和重選不受影響，切換區(qū)的兩個(gè)直放站要加電橋連接漏纜，如圖8所示。

圖8 兩個(gè)直放站主從信源均不相同的切換區(qū)設(shè)備連接方案

隧道內(nèi)切換區(qū)鏈路預(yù)算[12]如表2所示。

表2 隧道內(nèi)切換區(qū)直放站覆蓋距離預(yù)算(帶電橋)

鏈路預(yù)算結(jié)果表明，單處遠(yuǎn)端機(jī)故障時(shí)，不影響隧道內(nèi)切換區(qū)的無線覆蓋。

5 結(jié)論

(1)施工圖設(shè)計(jì)階段，在進(jìn)行區(qū)間用地圖設(shè)計(jì)時(shí)要多做幾種基站和直放站的場(chǎng)坪布置圖，并根據(jù)實(shí)際地形和場(chǎng)坪內(nèi)的實(shí)際設(shè)施情況，選擇合適的布置圖。由于設(shè)計(jì)和實(shí)際施工基本都存在一年以上的時(shí)間間隔，現(xiàn)場(chǎng)選址和施工期間應(yīng)根據(jù)地形變化情況進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化和調(diào)整。

(2)高速鐵路的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營都是多專業(yè)合作的成果。GSM-R無線網(wǎng)涉及電力、建筑、線路和站場(chǎng)等多個(gè)工程配合，通信專業(yè)按精細(xì)化要求進(jìn)行GSM-R無線網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，也需要相關(guān)專業(yè)合理控制設(shè)計(jì)余量，做到集約化、精細(xì)化設(shè)計(jì)。

(3)雖然GSM-R無線網(wǎng)及配套設(shè)施的投資占鐵路整體投資的比例很小，但精細(xì)化設(shè)計(jì)GSM-R無線網(wǎng)可以在一定程度上減少耕地占用、減少工程投資，增加施工和運(yùn)營維護(hù)的便利性，為鐵路建設(shè)向質(zhì)量效益型轉(zhuǎn)變貢獻(xiàn)力量。