武汉铁路枢纽GSM-R无线网络规划研究

■ 胡晓红 方志程

1 武汉铁路枢纽概述

武汉铁路枢纽处于京广通道和沪汉蓉沿江经济带“十”字形的交叉点，枢纽内有京广线、京广高速贯通南北，沪汉蓉快速客运通道、武九线和汉丹线承启西东，以武汉长江大桥、天兴洲公铁两用长江大桥衔接北京、广州、上海、成都、九江、襄樊6个方向线路，形成特大型环形枢纽格局。同时，为促进武汉城市圈经济一体化进程，武汉铁路枢纽在建的还有武（汉）孝（感）、武（汉）咸（宁）、武（汉）黄（石）城际铁路项目。

武汉铁路枢纽内高速铁路、城际铁路、既有长大干线的无线通信系统均采用GSM-R技术体制。上述区域地形相对复杂、各线路GSM-R无线覆盖和性能指标要求不同、各线路建设工期也不尽相同，造成统一规划设计、建设困难。此外，我国铁路GSM-R系统有限的频率资源使得枢纽地区的频率分配成为难题。如果各线路独立规划、建设，容易出现切换关系混乱、干扰严重、频率资源紧张等问题。要尽快改变这种状况，必须对枢纽内各线路独立设计的GSM-R方案进行科学、合理优化。武汉铁路枢纽GSM-R系统建设方案优化，一方面结合枢纽内既有基站设置情况及各工程引入枢纽的GSM-R建设方案，优化枢纽内基站控制器（BSC）和基站设置方案，统一进行频率分配及邻区关系设置；另一方面对尚无建设方案的枢纽内其他线路进行统一规划、站点及频率规划预留，按照分步实施原则最终实现武汉铁路枢纽GSM-R网络全覆盖。

2 GSM-R系统建设情况

2.1 建设概况

按照《中长期铁路网规划》（2008年调整），2015年前有多条铁路线引入武汉铁路枢纽，主要有武广高铁、武九线、武黄城际、武咸城际、合武高铁、郑武高铁、京九电化、汉宜线、汉孝城际等线路，以及武汉北编组站、武汉动车段、武汉综合维修基地、武汉高铁训练段等单项工程（见图1）。

上述工程均设置GSM-R系统，由于各工程信号专业采用的列控系统不同，对GSM-R系统的需求也不同，因此GSM-R网络覆盖方案不尽相同。其中，武广、郑武高铁由于GSM-R网络需要承载CTCS-3级列车控制安全信息的传输，采用了可靠性和冗余度更高的交织单网覆盖方案；其他线路则采用普通单网覆盖方案。各工程建设工期也不一致，其中合武高铁、武广高铁、京九线、武九线工程已开通运营，汉宜线、郑武高铁进入实施阶段，武黄、武咸、汉孝城际铁路处于设备招标阶段。

2.2 存在问题

（1）频率资源紧张、通信质量得不到保证。各相关工程GSM-R系统基站设计只考虑满足本工程需要，未结合枢纽情况进行统一规划，导致一些区域内出现基站重复设置或基站覆盖弱场，枢纽内干扰严重。在线路交叉处未进行统一规划，有可能出现切换失败情况。

（2）缺乏规划，后续线路接入困难。武昌（不含）至南湖区域仅有武黄城际工程沿南环线设置基站，未考虑京广线等线路的接入。将来京广线如需建设GSM-R系统时存在接入困难的问题，并可能要调整既有网络。

（3）BSC接入方案缺乏规划，影响通信质量。武广高铁、武九线、武黄城际、汉宜线等工程分别在武汉新设置BSC设备，但未进行BSC接入基站的统一规划，使列车在枢纽内运行时频繁发生跨BSC切换，影响通信质量，且不便于维护管理。

3 GSM-R系统建设方案优化

3.1 优化思路及原则

为保证GSM-R系统网络优化质量及对既有资源最有效的利用，采用场强测试、模型校正、规划软件相结合的网络规划优化设计。为充分掌握既有GSM-R系统在枢纽内的覆盖情况，对既有基站的覆盖进行测试，并将测试数据结合武汉铁路枢纽电子地图，对网络规划软件中的传播模型参数进行校正，完成枢纽覆盖模拟和干扰模拟，在此基础上对基站接入BSC方案进行调整。

3.2 场强测试

对武汉铁路枢纽既有线进行场强覆盖测试。测试电平值按照大小分2档：（1）-90 d Bm以下，从保证服务质量（QoS）指标、提高业务质量的角度，建议覆盖增强；（2）-90 dBm以上，电平满足覆盖要求。

以京广线汉口—武汉北站区段为例。该段与合武、郑武高铁均为并行线路，并行区段京广线离合武高铁距离为100～2 500 m，既有基站为合武高铁基站。

汉口站引出段与合武高铁并行，合武高铁基站的信号比较强，可以利用合武高铁基站信号进行覆盖；武汉北站附近离合武高铁水平间距2.5 km信号较弱，需进行GSM-R覆盖的补充规划。同理，对武汉铁路枢纽其他区域场强覆盖情况进行测试，并对覆盖方案进行初步调整。

3.3 覆盖方案优化

3.3.1 优化原则

（1）从节省频率及降低工程建设投资的角度，在具备共线覆盖条件的并线区段采用共基站的覆盖方式[1]。

（2）并行区段采用共用基站建设模式时，根据各条线路业务需求对基站容量进行统一规划。

（3）多条铁路线路交汇区域的典型结构可分为交汇点、交叉无联络线、交叉带联络线等结构形式。交汇点和交叉带联络线宜采用共基站覆盖模式，交叉无联络线可根据频率资源情况采用共基站或分设基站覆盖方式。

（4）考虑列控线路需无线冗余覆盖的要求，在并线区段可采用交织覆盖方案，在线路交汇点，宜采用同站址冗余覆盖方案。

（5）为降低枢纽内基站的相互干扰，应尽量控制基站天线高度。

3.3.2 武汉北区域仿真结果与调整建议

利用仿真软件将各线路及GSM-R基站添加至数字地图，进行分析并优化覆盖方案。重点分析武汉北区域仿真结果。

在武汉北站滠口附近区域设立多条线路基站，并且是合武、郑武高铁分岔口，中间还有铁路通往武汉北站，覆盖情况复杂。在并行区段采用合武/郑武共用基站的组网模式，根据测试情况及兼顾京广线覆盖需求对汉宜基站引入武汉北站的覆盖方案进行调整。通过仿真发现，此区域信号杂乱（见图2），特别是图3中粉色圈内区域，各基站信号交织，而且都互为相邻小区。因此，进出武汉北站的列车经过此处时将会频繁切换，严重影响通信质量。

根据情况，相应作以下调整：

（1）在郑武高铁基站ZhengW u DK1174+600设置双基站，保证此处不会宕站，并增加两面天线覆盖西北及西南方向，周围的基站都与此基站做相邻小区，所有线路都要切换到此基站进行过渡。

（2）合武高铁基站HeWu DK345+750南向天线由对准合武高铁方向向东调整成对准郑武高铁方向。

（3）郑武高铁基站ZhengW u DK1178+670北向天线挂高由57 m降低至45 m，天线方向角往东偏移，避免过度覆盖中间区域。

（4）郑武高铁基站ZhengW u DK1180+240北向天线挂高由57 m降低至45 m，避免覆盖过远、过强。

（5）合武高铁基站HeWu DK350+891南向天线方位向西偏移，避免过度覆盖中间区域。

通过上述调整，基本解决了粉色圈内存在的问题，开通后还需通过网络优化进一步调整。

3.3.3 覆盖仿真

在覆盖优化基础上完成枢纽的覆盖仿真，在网络规划软件中基站天线挂高设定为25 m，天线下倾角设为4°，基站天线等效发射功率为55 d Bm，仿真天线选择天线增益17 dBi，65°水平半功率角；根据数字地图中铁路走向进行天线方向调整，并根据仿真覆盖情况对基站天线参数进行调整。网络仿真采用标准宏蜂窝无线传播模型，因规划软件预测电平采用50％概率的场强值，而工程要求95％概率，仿真结果预留12 dB的衰落储备值，即场强预测电平满足列控业务的电平值为-80 d Bm。覆盖仿真结果表明枢纽调整后的基站覆盖可以满足设计要求。

3.4 基站容量确定

GSM-R业务主要考虑点对点呼叫、组呼、广播呼叫、电路交换数据业务（CSD），通用分组无线服务业务（GPRS）等。下面以汉口—武汉北站为例重点讨论并线区段容量设置。

汉口—武汉北站区域聚集了合武高铁、京广客线、京广货线、汉孝城际等线路，为8线并行区段、非列控线路。基站间距5 km左右，并线区段按最小发车间隔时间、车速计算一个小区内语音、数据等话务量。首先计算每个基站覆盖区域内的列车数，按照列车追踪间隔4 m in，可计算并线区段列车数约8列，其话务量计算如下[2]：

列车语音话务量：15（m E/人）× 8（人/车）×8车= 960 m E

其他语音话务量：20（m E/人）×3（人/km）×5 km = 300 m E

语音组呼话务量：［50（m E/人）×3（人/km）×5 km］/3=250 m E

总语音业务量：960 m E+300 m E+250 m E =1 510 m E

语音业务需要的TCH数；1.51 E按照无线信道呼损0.5％需要的TCH数为6个

CTCS-3级业务：无

对TCH总需求：6 TCH+2 TCH（GPRS）+1（BCCH）+1（SDCCH）=10 TCH=2 TRX

汉口—武汉北站并线区段共用基站的容量为2 TRX，在上述基础上另外考虑1个载频单元的备份。因枢纽内频率资源有限，基站载频配置采用2载频正常工作另1载频备用的O（2＋1）配置。

3.5 频率规划方案优化

3.5.1 优化原则

（1）满足设计指标要求（见表1）。

（2）优先满足列控区段频率使用需求，列控区段频率方案满足既有网络运用需求（武广高铁采用6频组复用方案，同频复用间隔5组频点，邻频间隔2组频点）。

（3）对既有网络影响最小。

（4）并线区段采用O（2+1）的配置，分配2个频点。

3.5.2 干扰模拟

武汉铁路枢纽由于多条线路相互交错，基站密集，而且有长江穿城而过，对频率分配带来很大困难。经过仔细地频率分配，获得了枢纽内各基站的频率规划，频率规划方案满足2015年前各线路的引入需求。为了能够达到最佳频率分配效果，需对既有铁路合武高铁21处、武广高铁21处、武九线20处基站频点结合枢纽频率规划情况进行调整。对频率分配方案利用规划软件进行干扰模拟，干扰模拟仿真图显示C/I可以满足设计指标要求。

3.6 BSC接入方案优化

3.6.1 优化原则

（1）减少枢纽内跨BSC切换，提高网络通信质量。

（2）方便维护管理，将枢纽内基站按片区接入，枢纽长江南片区基站接入武黄城际BSC，长江北片区基站接入汉宜线BSC。

（3）列控线路质量优先，列控/非列控线路并行区段基站接入列控线路BSC设备。

（4）减少对传输链路的占用。

（5）充分结合既有工程方案。

3.6.2 方案优化

按照上述原则调整后，各条线路均在进入枢纽之前完成了线路BSC与枢纽BSC（汉宜线BSC、武黄城际BSC）的切换工作，减少枢纽内跨BSC切换；并线基站优先接入列控线路BSC设备，保证列控线路的通信质量与安全；枢纽基站按照片区调整后，不仅减少对传输资源的占用，且便于按片区进行维护管理（见图3）。

3.7 GSM-R系统建设分工

基站覆盖按照实现武汉铁路枢纽GSM-R全覆盖规划，结合工程建设方案，对各工程建设进行分工（见图4）。

表1 干扰保护比 dB

4 结束语

武汉铁路枢纽GSM-R网络优化在充分了解在建线路GSM-R系统设计方案、既有GSM-R系统场强覆盖情况等基础上，对现状条件下存在的问题进行具体分析。在对枢纽GSM-R系统进行联合优化设计的基础上提出了GSM-R 系统的建设方案，旨在为铁路运输提供质量优良、安全可靠的GSM-R移动通信网络平台，在实现枢纽内GSM-R系统资源共享的同时提高通信网络服务质量。

[1] 刘立海，胡晓红，刘建宇，等. 铁路枢纽GSM-R无线覆盖方案设计研究[J]. 中国铁路，2009(12)

[2] 胡昌桂. 铁路并线区段GSM-R系统无线覆盖方案探讨[J]. 铁路通信信号工程技术，2010(3)