铁路并线区段GSM-R系统无线覆盖方案探讨

胡昌桂

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063）

目前，在我国铁路GSM-R网络的建设过程中，存在不同铁路线路在地理位置上相隔很近、并行或相互交越的情况，例如正在建设的京沪高速铁路与沪宁城际铁路的江苏、上海区段，昌九城际铁路与既有京九铁路的南昌、九江区段，合武铁路湖北段与京九铁路麻汉联络线区段等。在这些区段存在以下问题。

*由于铁路线路地形比较复杂，线路并行间距或近或远，线路之间可能还有山体或楼体阻挡，造成GSM-R无线覆盖困难。

*由于铁路线路等级不同，有高速客运专线、城际铁路以及客货混跑铁路等，各条铁路对GSM-R无线覆盖和性能指标要求也不同。

*由于中国铁路GSM-R系统有限的频率资源，使得在此类区域的无线小区规划、频率分配和切换设置成为难题。

因此，在这些铁路区段进行GSM-R系统建设时，必须统筹考虑GSM-R系统的无线覆盖建设方案。

1 并线区段覆盖方案

1.1 并线区段定义

当两条或两条以上的铁路线路采用GSM-R网络进行无线覆盖时，在≥95%概率条件下，信号场强覆盖值同时能达到《GSM-R数字移动通信系统工程设计暂行规定》场强覆盖要求的铁路区段，都可以当作并线区段。

或者说当两条或两条以上的铁路线路采用GSM-R网络进行无线覆盖时，在一些区域无法避免相互干扰时，可以认为这样的铁路在地理位置上属于并线区段。

当然，也可以根据工程实践经验和工程建设需要对并线区段采用量化手段进行定义，比如当两条或两条以上的铁路在地理位置上相隔多大距离时就当作并线区段处理。

1.2 设计原则

在GSM-R无线网络规划及方案设计时，并线区段的铁路等级可能是新建200～250 km/h、300～350 km/h客运专线或既有长大干线。在采用同时能达到场强覆盖要求的“并线区段”定义时，首先应考虑不同线路运营速度等级对基站间的最小距离、切换重叠区域及网络服务质量等方面有不同要求，原则上对于并线区段网络设计和优化应“就高不就低”。

其次，不同铁路线路在并线区域可能是线路平行、交叉或有的线路间距比较近、有的间距比较远等，这些区域的覆盖可根据不同线路之间的间距和地理环境等因素采用相应的解决方案。

1.3 覆盖方案选择

并线区段的完全平行区域，根据工程实际情况合理选取线路间距，优先考虑共建基站。这种情况下，需要评估1个基站同时覆盖多条线路的容量是否能满足；其他并线区段可以考虑分别建基站以覆盖各自线路，在这种情况下需要统筹进行频率规划。并线区段采用单网交织冗余覆盖方案，与单条线路的建设方案类似，这里不再讨论。

根据“就高不就低”原则，只要在并线区段GSM-R网络的覆盖和质量满足CTCS-3（以下简称C3）列控系统要求，则并线区段的铁路等级无论哪种情况，都可参照C3线路等级的覆盖方案。在GSM-R网络承载C3列控系统时，其无线覆盖必须采用冗余方式，在工程设计上有两种覆盖方案：单网交织冗余覆盖和同址双网覆盖。

根据“地理环境不同”原则，在“就高不就低”的前提下，针对并线区段的完全平行区域，可采用单网交织冗余覆盖方案；而在并线区段的三叉/十字交叉等特殊区域，采用同址双网覆盖方案。

2 典型区段解决方案

以在建的京沪高速铁路和沪宁城际铁路为例，在同为C3线路等级的情况下，某三叉型区段的解决方案：包括两种覆盖方案的场强仿真、C/I仿真、技术分析以及基站容量测算、频率规划等。

2.1 覆盖方案仿真及分析

2.1.1 交织冗余覆盖方案

采用单网交织冗余覆盖方案时，沪宁城际铁路与京沪高速铁路在高资南站附近并线区段往宝华站方向分岔口的规划基站和相应的场强覆盖，如图1所示。通过仿真图可以看出，场强覆盖没有问题。但在并线分叉点Cell1故障后，由于沪宁城际铁路的Cell2与京沪高速铁路的Cell3的主覆盖区，必须向并线区段延伸至Cell1并指向Cell0方向。而在该区域无法通过网络优化参数的调整让车载终端选择正确的切换小区Cell2或Cell3，从而根本无法实现车载台在分岔口处的正确切换。

采用该覆盖方案时，为了达到分岔区域交织冗余的场强电平要求，在频率规划时需考虑图1中标记的6个小区的同频与邻频。如果每个小区配置两个频点，在只有19个频率资源的前提下，邻频不可避免，可能导致该覆盖区域的载干比下降。载干比仿真结果如图2所示，存在沪宁城际线上有一段C/I低于18 dB。

2.1.2 同站址双网覆盖方案

采用同站址宏基站覆盖方案时，在该区域京沪线上离交叉点最近的基站取消，而沪宁城际铁路上接近交叉点的基站使用3副定向天线，分别对分岔点的3个方向进行覆盖，其场强覆盖仿真如图3所示。图3中可以看出，两条铁路线的覆盖电平均达到-75 dBm以上，可以满足C3场强指标要求。

该方案下的分岔区段主小区场强覆盖仿真如图4所示。图4中可以看出，在分支线上的HN13基站与JH337基站十分明显地成为了交叉区段各条线路上的主覆盖小区，并且与交叉点共站址小区的重叠区也落在了相应线路上，此方案可以保证车载台出并线区域后的正确切换。

在同站址覆盖方案中，沪宁城际铁路HN13基站和京沪线JH337基站在宕机后的场强覆盖仿真结果如图5所示。图5中可以看出，HN14基站场强值在-75 dBm以上，并与HN13基站和JH336基站形成连续覆盖，保证了分岔口分支线段在一个基站故障情况下，仍能为各条线路提供良好覆盖，从而与各条线路的下一个小区覆盖形成重叠区，满足切换需要。

同站址覆盖方案C/I仿真结果如图6所示，由于分支线小区覆盖控制在较小范围，频率分配相对容易，均在25 dB以上。

2.1.3 仿真结论

通过对以上三叉型区段GSM-R无线网络基于电子地图的仿真和技术分析可以得出：同站址双网覆盖解决方案，无论是在覆盖、频率规划和C/I等各方面，均能符合C3列控系统对GSM-R系统的要求。

2.2 基站容量

京沪高速铁路和沪宁城际铁路同为C3线路等级，基站间距一般设置为3 km左右，并线区段按最小发车间隔时间、车速等来计算1个小区内列控、语音等话务量。

首先计算每个基站覆盖区域内的列车数，采用如下公式：

其中，n为并行路轨数量；

Ltrack为覆盖轨道长度；

Speedtrack为该段路轨列车速度范围；

Ttrain为相邻两辆列车时间间隔。

根据公式计算出并线区段每基站的列车数约为4列，其话务量计算如下：

列车语音话务量：15 mE×8×4=480 mE

其他语音话务量：

20 mE×3人/km×3 km=180 mE

语音组呼话务量：

50 mE×3人/km×3 km÷3=150 mE

总语音业务量：

480 mE+180 mE+150 mE=810 mE

语音业务需要的TCH数:

0.81E @ 0.5% blocking = 5TCH

CTCS-3业务：4×1 TCH=4 TCH

对TCH总需求：

5 TCH+4 TCH+2 TCH（GPRS）+1（BCCH）+1（SDCCH）=13 TCH =2 TRX

因此，可以得出并线区间两线共用基站的容量为2 TRX；另外，可以考虑1个载频单元的备份，由于在有限的无线频率资源限制下，还需确保一定的频率复用距离，来满足CTCS-3对GSM-R服务质量的要求，并线区段基站载频配置可以为O（2＋ 1）。

2.3 频率规划

京沪高速铁路和沪宁城际铁路的GSM-R网络均支持CTCS-3列控系统，它对GSM-R服务质量提出了极高要求。GSM-R网络在承载CTCS-3列控系统时，其C/I值比普通语音通信有更高要求，必须保证C/I至少在20 dB左右，需要至少1×6的频率复用，其频率分配可以采用表1。

表1 频率复用表

根据1×6频组复用原则，沪宁城际铁路和京沪高速铁路在高资南站附近并线区段往宝华站方向分岔口的频率规划，如图7所示。由于使用同站址覆盖方案，分支线上的第一个小区往交叉点方向只需提供交叉点小区的切换重叠区即可，对交叉区域的频率规划提供相对宽松的环境，从而获得良好的覆盖及载干比，模拟结果可以看出C/I值在25 dB以上。

3 结论

通过对沪宁城际铁路与京沪高速铁路在并线区段某三叉型区域GSM-R系统的无线覆盖、C/I、频率规划的仿真和理论分析，GSM-R单网交织冗余覆盖和同址双网覆盖方案能够较好地解决并线覆盖问题。

当然，随着技术的发展和工程实践经验的总结，将会出现更好的解决方案。在这些并线区段GSM-R网络还存在一些问题需要进一步研究和探讨，比如在交叉地段的跨BSC切换、基于位置寻址等业务的实现。

[1] 钟章队．铁路数字移动通信系统（GSM-R）应用基础理论[M]．北京：清华大学出版社，2009.

[2] 铁建设[2007]92号 GSM-R数字移动通信系统工程设计暂行规定 [S]．北京：中国铁道出版社，2007.