山区铁路GSM-R交织单网冗余覆盖设计

■ 熊洁 段永奇 贺琦 吴溪桥

我国山区铁路多处于崇山峻岭中，大量隧道群连续出现，地形复杂，使无线电波的传播情况更为复杂多变。在复杂的地形条件下采用GSM-R交织单网覆盖方案，实现网络的高性能和高可靠性是GSM-R网络无线覆盖设计面临的难题和巨大挑战。

1 设计难点

相比平原地区，山区铁路GSM-R交织单网覆盖面临的主要困难有：

（1）无线覆盖设计要根据不同的地形，尤其是各种不同长度的隧道及桥梁，制定不同的解决方案。

（2）在交织单网冗余覆盖时，基站间距短，每个直放站远端机需同时接入相邻两个基站的信号，这种方案在提供冗余覆盖的同时增加特定地段的电磁环境复杂程度。特别是在山区枢纽地区，由于引入线路多，地形狭窄，基站信号被多重引入，大大加剧电磁干扰的程度。

（3）隧道群的非规则分布将需要无线信号连续覆盖的地域也划分成了非规则分布的独立区域，在设计的时候需要将这些区域用各种解决方案贯通起来，保证无线信号冗余覆盖的连续、一致和系统性。进行覆盖方案设计时，既要考虑单独个体的冗余覆盖，也要对单独个体之间的连续和一致性衔接进行综合考虑，同时满足各种网络指标。这种非规则性的独立区域划分导致通常制定的短隧道、长隧道、隧道群等单独的覆盖方案很难作为一种通用的解决方案，而只能作为一种原则上的指导。

（4）在山区铁路中，为保证冗余覆盖，需大量使用光纤直放站。时延、噪声影响，以及CTCS-3级列控系统对GSM-R的服务质量（QoS）指标要求均对基站和直放站的配置位置提出众多限制，这些限制增加了山区铁路交织单网冗余覆盖设计的难度。

（5）山区铁路地形复杂会导致基站和直放站布置的不规则和不对称。同时，在小区重选和切换区的选择过程中需要同时考虑正常模式和单点故障2种情况，这些因素加重了小区重选和切换区选择的难度。

（6）山区铁路大多处于崇山峻岭中，桥隧比例很高，很多区域的桥隧相连和恶劣地形会给基站和直放站站址的选择带来较大困难；而冗余覆盖的各种限制条件又导致基站和直放站站址的选择有很大局限性，这给山区铁路冗余覆盖方案的设计加大了难度。

2 设计原则

基于山区铁路交织单网冗余覆盖方案的设计难度，只有正确把握设计原则才能制定全面和优化的覆盖方案。针对山区铁路，对交织单网冗余覆盖方案的设计提出一些建议和解决思路，但使用时，应根据实际情况灵活应用。

2.1 技术指标对无线设备设置的影响

（1）因交织冗余覆盖方案的需要，基站与第1个直放站一般需采用空间波覆盖方案，对直放站多径时延差要求为：载干比C/I不大于12 d B时，时延差不大于15μs。基站与所带的第一个直放站一般间距为1.5 km，特殊情况下不大于2 km。

（2）由于直放站噪声和引入的外部噪声会增加基站的底噪，降低基站接收灵敏度，故在隧道覆盖时直放站接入基站的配置宜按两头小、中间大配置，即当直放站均在隧道内时，由于电磁环境好，直放站远端机引入的外部环境噪声小，同时基站和直放站均无天线覆盖，基站底噪的抬升对上行覆盖的影响较小，此时基站所带的主备远端机最大可按16个考虑；而当直放站在隧道口或隧道外，或直放站带有天线时，引入的外部噪声较大，同时基站底噪的抬升也大大减小了天线在开阔地区的覆盖范围，此时，基站所带主备远端机最大不超过8个。

（3）山区铁路长大隧道多，为避免隧道内潮湿、灰尘、强电磁干扰、非安全性因素的影响，可考虑将隧道内的基站设备集中放置于隧道外基站机房内，用光纤直放站拉远进行隧道内覆盖，同时基于交织单网的需要将偶数基站和奇数基站分开放置。需注意GSM-R系统时间提前量为0～233μs，按光缆信号传输速率为4.8μs/km计算，最远光纤直放站远端机理论距离为233μs/（2×4.8μs/km）=24 km，考虑其他延时，建议近端机和远端机之间的光缆最大长度为20 km。同时，还需考虑直放站系统本身能容忍的光链路衰减程度，这需要根据不同厂家的直放站参数来计算。

2.2 基站间距和切换区的选择

（1）考虑C3系统无差错传输间隔应不小于20 s的要求以及切换时间和信号飘移的影响，以350 km/h计算，基站间距应大于2.5 km。

（2）车站附近是调度通话和通用分组无线服务业务（GPRS）数据传输的高频地段，为保障通话质量和数据传输的可靠性，在车站附近不宜设置切换区，切换区宜选在出站2 km以外区域。

（3）切换区可选在开阔区间或隧道内时，宜选在隧道内切换。以350 km/h计算，切换区域长度为800 m，由于进出车站地区车速降低，可适当缩短。规划切换区域范围时，需考虑由于冗余覆盖的存在，正常工作模式下两个基站之间的区域实际均为重叠覆盖区域，故更需考虑在单点故障时切换区的设计和规划。

2.3 泄漏电缆覆盖设计

（1）两隧道间距较短时宜用漏缆贯通覆盖，间距较大时宜用天线覆盖，具体根据工程情况灵活应用。

（2）山区铁路隧道群多，隧道间常采用漏缆贯通覆盖，直放站分布的不规则性较强，相邻直放站间距很难按业界公认的1 km来布设，因此，掌握冗余覆盖条件下相邻直放站漏缆连接最大间距在工程设计时具有重要意义。隧道覆盖采用漏缆时，直放站输出信号中主用基站信号比备用基站信号高6 dB左右，因此连接漏缆两侧相邻直放站的距离主要考虑备用基站信号的直放站输出功率。其中直放站输出功率为33 dBm（2 W）-6 dBm=27 dBm，漏缆指标按铁道部行业标准TB/T 3201—2008规定：传输损耗2.2 d B/100 m，耦合损耗（95％，2 m）69 d B，远端机的跳线加接头损耗3 d B。表1为漏缆覆盖预算计算表，根据计算结果，连接漏缆时相邻直放站的距离可达1.4 km。

（3）由于交织单网组网的需要，一般在隧道两边各设置一个直放站，隧道采用泄漏同轴电缆覆盖，此时需关注直放站隔离度的指标要求。如为满足直放站设备20 d B隔离度的要求，远端机两端的跳线加接头的损耗为3 dB×2=6 d B，工程余量3 d B，传输损耗为2.2 d B/100 m，则漏缆长度为（20-6+3）/0.022=773 m，即当两侧相邻直放站之间连接漏泄长度小于800 m时，两侧直放站均需要设置衰减器，衰减器规格根据连接漏泄的长度和指标来确定。

3 设计思路

（1）进行覆盖组网设计时，由于需要考虑的因素和要求太多，往往顾此失彼，设计时应根据这些要求的主次和轻重理出主线抓住重点，优化设计。

（2）交织单网GSM-R网络最根本的是要保障正常模式下GSM-R网络的性能要求。建议首先保障正常模式下GSM-R网络性能（覆盖、Qo S指标等）的要求，然后制定单点故障时的覆盖冗余方案以提供基本的冗余保障，最后再对冗余覆盖方案进行优化。

（3）在山区枢纽地区需加强对干扰和多路径信号时延的考虑和控制，采取特定覆盖设计方案、优化频率设置，尽量避免干扰。

表1 泄漏电缆覆盖预算计算表

4 结束语

针对山区高速铁路，探讨GSM-R交织单网冗余覆盖方案的设计难点和设计原则，并提出一些解决思路，这些分析和讨论对工程设计和实施具有一定参考作用，但在具体工程实施中，还需针对实际情况灵活应用。

[1] 胡晓红. 武广客专GSM-R 系统无线覆盖方案优化设计[C]//2010铁路通信、信号、信息系统工程设计年会论文集，2010

[2] 刘立海，刘建宇. 交织单网GSM-R 网络覆盖方案分析与讨论[C]//2008铁路通信、信号、信息系统工程设计论文集，2008

[3] 孙儒石. GSM数字移动通信工程[M]. 北京：人民邮电出版社，1998