劉盛堯，李 堅(jiān)

（1．中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055）

（2．中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司，北京 100038）

1 概述

既有鐵路GSM-R系統(tǒng)工程屬于更新改造工程，項(xiàng)目投資往往都非常緊張。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，在GSM-R系統(tǒng)工程中，機(jī)房、桿塔、征地賠補(bǔ)的成本往往要高于通信設(shè)備購(gòu)置及安裝調(diào)試的造價(jià)，尤其是征地賠補(bǔ)的費(fèi)用具有極大的不確定性，并且既有鐵路的車站及線路情況復(fù)雜，這就需要設(shè)計(jì)人員在充分調(diào)查既有資源的基礎(chǔ)上，盡可能利用既有資源，制定有針對(duì)性的解決方案。

首先，設(shè)計(jì)人員在充分調(diào)查、收集既有鐵路相關(guān)資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析、歸納，確定主要問(wèn)題；其次，針對(duì)不同的問(wèn)題制定相對(duì)應(yīng)的解決方案；最后，在實(shí)施過(guò)程中全程跟蹤。

2 問(wèn)題分析

本文以京哈鐵路中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱北京局集團(tuán)）管段為例，鐵路起始于北京站，途徑河北、天津，設(shè)有北京站、北京東、雙橋等32個(gè)車站，全長(zhǎng)298.8 km，沿線經(jīng)過(guò)地區(qū)經(jīng)濟(jì)狀況較為發(fā)達(dá)，線路情況復(fù)雜，與大秦鐵路、津秦高鐵、張?zhí)畦F路、遷曹鐵路等既有GSM-R系統(tǒng)的鐵路有交叉并線關(guān)系。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查后發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題急需解決。

問(wèn)題1，車站：車站鐵塔多為老式角鋼塔，塔高、承重均無(wú)法滿足GSM-R系統(tǒng)的需求，需新建鐵塔，由于既有車站站場(chǎng)用地緊張，多處新建鐵塔位置距離機(jī)房超過(guò)100 m，基站（Base Transceiver Station，BTS）+天饋系統(tǒng)的方式無(wú)法實(shí)施。

問(wèn)題2，區(qū)間：考慮到征地賠補(bǔ)的費(fèi)用具有極大的不確定性，新設(shè)區(qū)間站點(diǎn)應(yīng)盡量設(shè)置在鐵路紅線范圍內(nèi)，減少征地賠補(bǔ)，并盡可能實(shí)現(xiàn)“零征地”。

問(wèn)題3，特殊區(qū)段：與多條既有GSM-R系統(tǒng)的鐵路有交叉、并線關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃難度大，尤其是大秦鐵路，為承載機(jī)車同步操控業(yè)務(wù)的重載鐵路，GSM-R系統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)采用冗余覆蓋方式，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃難度大。

解決這些問(wèn)題需要設(shè)計(jì)人員充分利用既有技術(shù)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，制定切實(shí)可行設(shè)計(jì)方案，在功能性和經(jīng)濟(jì)性方面都達(dá)到相關(guān)要求。

3 方案制定

3.1 組網(wǎng)方案

1）設(shè)備選型

在充分查閱調(diào)研現(xiàn)有GSM-R系統(tǒng)設(shè)備的最新技術(shù)資料基礎(chǔ)上，梳理出可供研究的關(guān)鍵性技術(shù)信息。

眾所周知，目前，BTS、分布式基站（含基帶單元（BBU）、射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU））、數(shù)字直放站均為GSM-R系統(tǒng)無(wú)線覆蓋的主流設(shè)備，其中，數(shù)字直放站主要使用于隧道弱場(chǎng)區(qū)段，由于京哈鐵路地處平原，且數(shù)字直放站只能以“共小區(qū)”的模式進(jìn)行無(wú)線覆蓋，因此，京哈鐵路GSM-R系統(tǒng)無(wú)線覆蓋僅考慮基站與分布式基站搭配組網(wǎng)。

為節(jié)約區(qū)間基站用地，設(shè)計(jì)方案考慮引入室外型一體化機(jī)柜替代傳統(tǒng)機(jī)房。室外型一體化機(jī)柜已廣泛的應(yīng)用于公共移動(dòng)通信系統(tǒng)（移動(dòng)、聯(lián)通、電信等運(yùn)營(yíng)商），直接處于戶外氣候環(huán)境條件下，內(nèi)部可集成通信電源、溫控、監(jiān)控等系統(tǒng)功能，各集成模塊若發(fā)生故障可單獨(dú)更換，為內(nèi)部通信設(shè)備提供機(jī)械和環(huán)境保護(hù)的柜體。其特征是集成度高、擴(kuò)展靈活、安裝簡(jiǎn)單、支持整散件運(yùn)輸、整體運(yùn)輸和吊裝、設(shè)備空間按溫度邏輯分區(qū)、免進(jìn)人維護(hù)等。

以下將針對(duì)基站組網(wǎng)方案、基站+分布式基站混合組網(wǎng)方案、分布式基站組網(wǎng)方案，從系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)、實(shí)施指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)3方面進(jìn)行比選。

2）技術(shù)、實(shí)施指標(biāo)比選

方案一：基站組網(wǎng)方案。在車站及區(qū)間設(shè)置BTS設(shè)備，主要板卡冗余配置，頻率利用率低，可靠性高；區(qū)間基站需新建機(jī)房及配套設(shè)施，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察測(cè)量，部分場(chǎng)坪超出了鐵路限界，需新增用地，實(shí)施難度大；此方案無(wú)法解決車站新建鐵塔位置距離機(jī)房過(guò)遠(yuǎn)的問(wèn)題。

方案二：基站+分布式基站混合組網(wǎng)方案。在車站設(shè)置BTS設(shè)備，區(qū)間設(shè)置分布式基站RRU設(shè)備，RRU設(shè)備通過(guò)光纖與基站設(shè)備連接，主要板卡冗余配置，頻率利用率高，可靠性高；區(qū)間RRU設(shè)備可采用室外型一體化機(jī)柜安裝，占地面積小，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察測(cè)量，可將場(chǎng)坪控制在鐵路限界內(nèi)，無(wú)新增用地，實(shí)施難度??；利用BTS/BBU設(shè)備與RRU設(shè)備靈活組網(wǎng)，將RRU設(shè)備與鐵塔同址設(shè)置，可以解決車站新建鐵塔位置距離機(jī)房過(guò)遠(yuǎn)的問(wèn)題。

方案三：分布式基站組網(wǎng)方案。在車站設(shè)置分布式基站BBU設(shè)備，車站及區(qū)間設(shè)置分布式基站RRU設(shè)備。根據(jù)BBU設(shè)備配置的載頻數(shù)，RRU設(shè)備通過(guò)光纖與BBU設(shè)備連接，設(shè)備均冗余配置，頻率利用率高，可靠性高；區(qū)間分布式基站可采用室外型一體化機(jī)柜安裝，占地面積小，無(wú)新增用地，實(shí)施難度??；該方案同樣可以解決車站新建鐵塔位置距離機(jī)房過(guò)遠(yuǎn)的問(wèn)題，如圖1所示。

圖1 基站與分布式基站安裝對(duì)比示意Fig.1 Schematic diagram of comparison of base station and distributed base station installation

3）經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比選

通過(guò)針對(duì)京哈鐵路車站間距8 km以下區(qū)間、8～10 km區(qū)間、10～16 km區(qū) 間、16～18 km區(qū) 間、20 km以上區(qū)間5種情況對(duì)基站組網(wǎng)、混合組網(wǎng)、分布式基站組網(wǎng)方案進(jìn)行造價(jià)分析，得出單區(qū)間綜合造價(jià)如圖2所示。

圖2 單區(qū)間綜合造價(jià)比選Fig.2 Comprehensive cost comparison and selection of single section

混合組網(wǎng)方案既充分利用BTS設(shè)備覆蓋能力強(qiáng)的特點(diǎn)，又很好的利用了RRU設(shè)備組網(wǎng)靈活、便于安裝的優(yōu)點(diǎn)，綜合造價(jià)最低。

4）進(jìn)一步優(yōu)化

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查過(guò)程中小組成員發(fā)現(xiàn)京哈沿線既有視頻鐵塔塔齡不足10年，狀態(tài)良好，鐵塔高度滿足本工程GSM-R覆蓋的需要，因此考慮鐵塔利舊方案，并綜合考慮GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋的需求，可以大幅的減少新建鐵塔數(shù)量。

考慮到工程中征地費(fèi)用的不確定性，本工程考慮采用室外型一體化機(jī)柜取代磚混結(jié)構(gòu)的機(jī)房，大幅度減少了場(chǎng)坪的使用面積，使得所有場(chǎng)坪均納入鐵路限界范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)全部新建站點(diǎn)“零征地”。

室外型一體化機(jī)柜雖已廣泛的應(yīng)用于公共移動(dòng)通信，公路旁、小區(qū)內(nèi)等公共區(qū)域均隨處可見，但是由于可靠性差、功能分區(qū)簡(jiǎn)單等問(wèn)題，未在鐵路GSM-R系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)人員在積極調(diào)研運(yùn)維單位需求、分析各供貨商的設(shè)備特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)室外型一體化機(jī)柜進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為鐵路“量身定制”GSM-R系統(tǒng)室外型一體化機(jī)柜。較公網(wǎng)應(yīng)用的室外型一體化機(jī)柜做如下優(yōu)化：優(yōu)化柜體結(jié)構(gòu)尺寸，集成電源雙切箱，規(guī)范功能分區(qū)；對(duì)柜體的材質(zhì)、厚度、耐腐蝕、防火、保溫提出具體要求；要求柜體集成空調(diào)、熱交換溫控和加熱盒等溫控設(shè)備，保證柜體內(nèi)設(shè)備正常工作溫度；防盜措施、防盜裝置的相關(guān)要求。如圖3所示。

圖3 箱體結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of cabinet body structure

5）提出解決方案

結(jié)合上述比選的情況，對(duì)比打分情況（每項(xiàng)滿分為5分）如表1所示。

表1 打分對(duì)比表Tab.1 Comparison of scoring

綜合考慮，本工程采用方案二：基站+分布式基站混合組網(wǎng)方案，區(qū)間基站采用室外型一體化機(jī)柜取代磚混結(jié)構(gòu)的機(jī)房。

3.2 特殊區(qū)段覆蓋方案

1）大型車站覆蓋方案

大型車站由于站區(qū)范圍大，不利于定向站型的覆蓋，并且站房結(jié)構(gòu)及站臺(tái)雨棚對(duì)GSM-R信號(hào)屏蔽效果好，工程中往往需要對(duì)大型車站GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，例如在站臺(tái)兩端設(shè)置直放站+定向天線或在站臺(tái)雨棚下設(shè)置室內(nèi)分布天線對(duì)站臺(tái)雨棚范圍GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋進(jìn)行針對(duì)性補(bǔ)強(qiáng)，這樣雖然可以解決大型車站GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋問(wèn)題，但是仍然存在多徑時(shí)延干擾、站場(chǎng)范圍內(nèi)施工難度大等問(wèn)題。

以北京站為例，北京站屬特等站，站場(chǎng)雨棚規(guī)模大，且北京站為既有車站，地處北京市繁華區(qū)段，站場(chǎng)用地極其緊張，既有站場(chǎng)施工難度巨大，不具備新設(shè)鐵塔條件，這需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中，靈活利用現(xiàn)有設(shè)備，創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。如圖4所示，設(shè)計(jì)人員在調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)北京站東側(cè)約1.3 km處具備新設(shè)鐵塔的條件，在這個(gè)位置通過(guò)合理的設(shè)置天線掛高降低入射角可以很好的解決北京站站臺(tái)下的GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋問(wèn)題，并能夠充分利用定向天線主瓣角的寬度實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)范圍的GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋。最終的解決方案確定為，在北京站通信機(jī)房設(shè)置BBU設(shè)備，在北京站東側(cè)約1.3 km的位置設(shè)置RRU設(shè)備、鐵塔及天線。

2）與既有GSM-R線路并線區(qū)段覆蓋方案

無(wú)論是新建鐵路還是既有鐵路的GSM-R系統(tǒng)工程，與既有GSM-R系統(tǒng)線路臨近、并線的特殊區(qū)段是GSM-R系統(tǒng)工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，設(shè)計(jì)方案需要充分調(diào)查既有情況、合理的利用測(cè)試數(shù)據(jù)，充分掌握既有線路的GSM-R網(wǎng)絡(luò)在本線的分布情況，本文以京哈鐵路、大秦鐵路相鄰區(qū)段為例，根據(jù)《中國(guó)鐵路總公司關(guān)于做好特殊區(qū)域GSM-R網(wǎng)規(guī)劃工作的通知》（鐵總運(yùn)[2014]252號(hào)）中的要求“以既有和在建的GSM-R網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，按照各線均裝備GSM-R系統(tǒng)的要求進(jìn)行規(guī)劃。規(guī)劃和建設(shè)是，應(yīng)優(yōu)先保障高等級(jí)線路運(yùn)用，最大限度減少對(duì)既有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)施的調(diào)整?！本┕F路在段甲嶺站-別山站區(qū)段與大秦鐵路大石莊-薊縣西-翠屏山區(qū)段相鄰（最近處約200 m），其中，大秦鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)承載機(jī)車同步操控業(yè)務(wù)，因此，京哈鐵路GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)需要盡可能利用大秦鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)并對(duì)本線進(jìn)行必要的補(bǔ)強(qiáng)。

如圖5所示，大秦鐵路的GSM-R網(wǎng)絡(luò)在本線段甲嶺站以西的覆蓋效果較差，且在段甲嶺站兩側(cè)各1 km范圍切換關(guān)系較為混亂，如圖6所示，本工程考慮在段甲嶺站以東1.6 km處新設(shè)區(qū)間RRU設(shè)備，在段甲嶺站設(shè)置BBU設(shè)備。為避免對(duì)大秦鐵路的影響，RRU設(shè)備只設(shè)置一個(gè)方向天線（西向，采用窄波瓣天線），用以覆蓋段甲嶺站以及區(qū)間，并在大秦鐵路DSZ-JXX03基站新設(shè)段甲嶺站方向天線，補(bǔ)強(qiáng)京哈鐵路的GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋，新設(shè)的基站設(shè)備與大秦鐵路DSZ-JXX03A/B小區(qū)設(shè)置鄰區(qū)關(guān)系。

圖5 京哈、大秦相鄰區(qū)段既有GSM-R小區(qū)覆蓋情況示意Fig.5 Schematic diagram of existing GSM-R cell coverage in adjacent sections of Beijing-Harbin and Datong-Qinhuangdao railway

圖6 京哈、大秦相鄰區(qū)段線路示意及設(shè)備布置示意Fig.6 Schematic diagram of line and equipment layout in adjacent sections of Beijing-Harbin and Datong-Qinhuangdao railway

大秦鐵路DSZ-JXX04A/B小區(qū)與JiXianXiA/B小區(qū)在京哈鐵路切換關(guān)系較為混亂，鑒于DSZJXX04基站距離京哈鐵路僅為200 m，在京哈線的覆蓋場(chǎng)強(qiáng)良好，本工程考慮在JiXianXi增設(shè)京哈鐵路方向天線，補(bǔ)強(qiáng)京哈鐵路薊縣南站西側(cè)區(qū)間的覆蓋；本工程在薊縣南站設(shè)置BBU設(shè)備，在薊縣南站以西0.8 km處新設(shè)RRU設(shè)備（采用窄波瓣天線，距DSZ-JXX04基站5.6 km，與大秦線直線距離1.5 km），實(shí)現(xiàn)薊縣南站以及區(qū)間的覆蓋，新設(shè)的基站設(shè)備與與大秦鐵路JiXianXiA/B小區(qū)設(shè)置鄰區(qū)關(guān)系。

大秦鐵路的GSM-R網(wǎng)絡(luò)在京哈鐵路薊縣南站至別山站區(qū)間內(nèi)覆蓋效果不佳，切換關(guān)系較為混亂，本工程考慮新設(shè)區(qū)間RRU設(shè)備，為避免對(duì)大秦鐵路的影響新設(shè)區(qū)間基站均采用窄波瓣天線，并嚴(yán)格控制基站設(shè)備的發(fā)射功率。

4 實(shí)施跟蹤

項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程設(shè)計(jì)人員應(yīng)全面跟蹤項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)程，安排設(shè)計(jì)人員進(jìn)行施工配合，分階段進(jìn)行設(shè)計(jì)交底，保障項(xiàng)目的順利實(shí)施。在驗(yàn)收測(cè)試過(guò)程中，全程跟蹤測(cè)試工作進(jìn)程，并參與到網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過(guò)程中，與參建各方制定合理的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案。

京哈鐵路GSM-R系統(tǒng)工程通過(guò)合理的設(shè)備選型、結(jié)合靈活的組網(wǎng)方案成功解決了車站新建鐵塔位置距離機(jī)房過(guò)遠(yuǎn)的問(wèn)題；通過(guò)靈活利用現(xiàn)有設(shè)備、創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，成功解決了大型站場(chǎng)的GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋問(wèn)題；在充分調(diào)查既有情況、合理的利用測(cè)試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，成功解決與既有GSM-R線路并線區(qū)段GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋問(wèn)題，系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求。并且，參照公網(wǎng)的成熟經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)新性提出“采用室外型一體化機(jī)柜替代傳統(tǒng)機(jī)房”的區(qū)間站點(diǎn)設(shè)置方案，降低施工難度、節(jié)約建設(shè)投資。在后續(xù)5G-R系統(tǒng)建設(shè)中，考慮到5G系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，5G基站間距將小于GSM-R系統(tǒng)，區(qū)間采用室外型一體化機(jī)柜替代磚混結(jié)構(gòu)機(jī)房的方案也可以應(yīng)用于5G-R系統(tǒng)。