高速铁路枢纽区段GSM-R系统解决方案

■ 刘盛尧 孙传斌

1 概述

目前CTCS-3级（简称C3）铁路GSM-R基站子系统主要采用单网交织覆盖方案，随着我国高速铁路的建设，GSM-R全国性网络逐渐形成，无线通信场景也变得越来越复杂，因此，对GSM-R网络规划设计提出了更高的要求。

C3铁路的GSM-R网络不仅需要保证正常情形下的场强覆盖及服务质量，而且需保证传输无差错时间（传输恢复时间）大于20 s，尤其是枢纽、大型车站及编组站等特殊区段，由于业务多、话务量大，一直是方案设计、频率规划中的难点。

2 枢纽区段解决方案

目前高速铁路枢纽地区有C3，C2线路、既有普速线路等交汇。这些线路共同的特点是线路岔口多，因此，线路岔口的组网方案一直困扰着工程设计技术人员。下面以长春枢纽为例，分析不同组网方案的应用。

2.1 传统单网交织方案

长春枢纽地区汇聚哈大高速铁路、长吉城际、长白城际、哈大既有线、长白既有线、长吉既有线等，无线通信场景十分复杂。C3铁路采用传统的单网交织覆盖，在正线区段通过深度交织冗余覆盖来保证场强覆盖及服务质量，但在分岔区域却有以下问题：

（1）频率规划。在杨家粉坊附近的三岔区域内涉及到3个方向上的6个小区，在这6个小区中配置的频率不能同频/邻频，其中长春西、长春站由于业务需求分别需采用O 4和O 3站型，其余区间基站按O 2型考虑，在该区段的同频/邻频干扰将十分严重，各小区无法实现正常的频率分配（见图1）。

（2）小区切换。正常情况下在三岔区域内至少有6个基站信号，这些信号的强弱难以控制，容易造成乒乓切换，对列控数据业务20 s传输无差错时间影响较大，给后期网络优化带来极大的难度。

因此，在分岔区域采用传统的单网交织方案难以满足场强覆盖及服务质量要求。

2.2 同址双网覆盖方案

C3铁路的正线区段采用传统的单网交织覆盖，在杨家粉坊附近的三岔区域中间位置设置一处基站，采用同址双网方式。为保障安全性，同址双网方式的传输等配套设施均按2套考虑，且2套基站组环时须在不同的基站环上。采用该方案有如下特点：

（1）频率规划。同址双网方式采用全向站型定向天线覆盖，减少该区域的频率需求，能实现正常的频率分配。

传统的基准电压通过带隙基准电路产生，即一个正温度系数的电压和一个负温度系数的电压相互补偿得到。负温度系数电压通常由一个双极型晶体管基极发射极电压得到，而正温度系数电压则由两个双极型晶体管基极发射极电压差得到[3]。文献[4]基于传统带隙基准电路，采用亚阈值设计方法，设计了一款温漂系数仅为14.8 ppm/℃，功耗为68 nW的电压源，但是该电路包含三极管和电阻，工艺兼容性较差，面积较大。文献[5]取消了电阻，大大降低了版图面积，但是依然具有三极管，工艺兼容性较差。文献[6-9]是利用亚阈值MOS管的特性设计的全CMOS基准电压源电路，功耗在百nW级。

（2）小区切换。将三角区域设置在1个小区内，延伸了基站覆盖范围，避免了乒乓切换，减少了切换次数，拉大了2次切换时间间隔，更易满足20 s传输无差错时间的要求。

（3）覆盖距离。通过采用高增益天线、调整站距、适当增加天线挂高等手段，保证同址双网的基站与相邻基站的深度交织冗余覆盖。

目前，该方案在武广、京沪高速铁路等C3线路上得到应用。

2.3 分布式基站覆盖方案

2.3.1 分布式基站简介

分布式基站概念来自于3G通信，采用模块化设计，将控制和射频分离，并通过光纤资源将射频部分拉远，从而扩大基站覆盖范围。分布式基站基于分布式安装的理念，与传统基站的区别见图2。

分布式基站的特点：（1）支持射频拉远模块（RRU）共小区，提升网络性能。分布式基站支持多RRU共小区技术，扩大小区覆盖距离，降低小区切换次数。由于小区频率复用距离增加，提升了铁路频率资源的利用率。（2）基带处理单元（BBU）备份容灾技术。BBU支持主备用配置，即一组RRU分别连接到主、备两个BBU。（3）灵活组网。分布式基站支持共站址双网备份+共小区组网、BBU备份+RRU共小区组网，以及与传统宏基站混合环形组网方式，具备断环自动倒换能力，大大增强了系统的可靠性。（4）覆盖能力强。静态接收灵敏度可达-113 dBm；RRU提供30 W的机顶功率，可达到和宏基站一样的覆盖效果。（5）安装方便。BBU仅2U高，可内嵌安装于别的机柜内，RRU质量轻，仅17 kg，无需敷设粗重的馈线，可方便地进行塔顶、挂墙等安装。

2.3.2 干扰分析

同频干扰产生的条件（需同时满足）：（1）邻近站同频覆盖交叠区域信号电平差小于9 dB（工程中加3 dB后为12 d B ）；（2）邻近站同频覆盖交叠区域信号时差超过15 μs（复杂电磁环境时为10 μs）。

如图3所示，区域一用户处于2个RRU之间，由于2个RRU同步发射，在区域一任何点，用户接收信号的时延都小于10 μs，因此不会产生干扰； 区域二用户由于位于RRU一端，接收信号的时延大于10 μs，但此时用户接收到RRU1信号与RRU2信号差大于12 dB，不会产生干扰。

如图4所示，在区域一任何点，用户接收信号的时延都小于10 μs，因此不会产生干扰；区域二和区域三用户接收信号的时延大于10 μs，但是用户接收到RRU1和RRU3的信号电平差大于12 dB，因此也不会产生干扰。

2.3.3 解决方案

基于上述特点，分布式基站尤其适用于并线、枢纽区段。由于C3线路对GSM-R网络安全级别要求较高，分布式基站组应冗余覆盖组网，可采用BBU冗余备份和A/B网组网方式。

（1）BBU冗余备份组网。如图5所示，异地设置双套BBU（主、备用），由基站控制器（BSC）控制BBU间的切换；RRU通过不同光纤连接到主、备用BBU，RRU之间采用单网交织覆盖。主、备用BBU倒换的条件：RRU到BSC的链路出现故障并且备用BBU的所有通用公共无线接口（CPRI）的端口均正常时；主用BBU故障通知BSC，或BSC检测Abis链路故障，BSC通知备用BBU接管RRU；满足倒换条件的主用BBU应该停止控制RRU；基站下所有RRU同时只由一个BBU控制；倒换后不主动恢复，以防止频繁倒换。

该方案的特点：采用共小区技术扩大了覆盖区域，减少了小区切换次数；由于覆盖区域扩大，减少该区域内的频率需求，并且频率复用距离增加，方便频率规划；RRU之间采用深度交织冗余覆盖，即使某一处RRU设备宕机也可很好地保证覆盖距离。

（2）分布式基站A/B网组网。异地设置2套BBU设备（BBU 1和BBU 2），每处站址设置2套RRU（RRU1，RRU2）（见图6）。3处RRU1均连接至BBU1，设置共小区，形成A层无线网；3处RRU2均连接至BBU2，设置共小区，形成B层无线网。正常工作时，A，B网同时开启，当A网话务溢出或A网某个节点RRU故障时，B网可承载业务，当A网BBU故障时，B网独立承载业务。

该方案有如下特点：保证覆盖冗余，将切换点向各分支方向进一步延伸，且切换位置固定；减少覆盖区域内的频率需求，并且频率复用距离增加，方便频率规划；相比宏基站同址双网覆盖区域更大，可以很好地保证GSM-R网络覆盖深度交织冗余。

2.4 其他等级与C3转换区域方案

长春站为C3铁路与C2铁路的分界点。根据C3列控系统的GSM-R网络需求，转换区域主要操作所需时间约为80 s。假设转换区段列车运行允许最高时速为200 km，则该转换区的距离约为4.44 km，即C3铁路的GSM-R网络需向C2铁路延伸4.44 km（网络安全等级要求达到C3铁路的要求），等级转换区域GSM-R网络覆盖范围见图7。实际工程中可通过如下2种方式实现网络延伸：

（1）由于C2铁路的GSM-R网络为单网覆盖，因此，需在4.44 km的延伸线路上实现单网交织覆盖。

（2）在长春站采用同址双网方案，通过采用高增益天线、适当增加天线挂高等手段，保证4.44 km延伸线路的冗余覆盖。

3 大型车站或编组站解决方案

目前在高速铁路建设中，出现高速场与普速场平行、高速场与动车所平行、高速场与编组场平行、高速场与机务段平行等场景，这些地点用户数量大，业务相对集中，对GSM-R无线频率资源需求非常大。

以一个大型车站或编组站（可以为上述任何一种场景）为例，用户集中在车站两端1 km左右范围内，经过车站C3线路，分别探讨车站两端7.5 km范围内的不同GSM-R覆盖解决方案（见图8）。

3.1 单网交织解决方案

如图8中①所示，在15 km范围内设置7套基站，全部采用单网交织覆盖方式，基站间距保持在2.5 km左右。所有基站正常工作时，采用8频组进行频率规划，车站基站最大有5个载频可用。该方案的特点：（1）当车站基站故障宕机，需由两侧基站通过单网交织进行冗余覆盖，不会造成业务中断；（2）车站基站宕机时车站处于切换带上，容易造成低速运动用户和静止用户在两侧基站上乒乓切换。

3.2 同址双网解决方案

如图8中②所示，在15 km范围内设置7处基站，其中车站按同址双网设计（作主、备使用），其余节点均采用交织单网覆盖，采用8频组进行频率规划，车站最大能配置5个频点。根据同址双网特点，正常工作时B网控制信道载频工作，并不分配业务信道，为实现A网基站宕机时车站基站容量不下降，B网基站可按4载频配置，其中3个业务信道载频与A网基站载频一样（A网控制信道载频除外），但只有在A网基站故障时B网才启用。该方案的特点：（1）能够有效避免当A网故障时，车站出现容量不足，网络可靠性高；（2）当A网故障时，如需启动B网无线业务信道（TCH）载频，需对B网基站进行数据配置，会造成部分业务短时间中断（分钟级）。

该方案在大秦线有过应用，在目前高速铁路建设中还没有应用。

3.3 分布式基站解决方案

如图8中③所示，在15 km范围内设置3套宏基站，设置6套RRU和2套BBU（主、备用）。RRU之间、RRU与车站基站之间、RRU与两端基站之间均采用交织覆盖方式，并将6个RRU设置成共小区。该方案的特点：（1）由于采用BBU+RRU共小区方式，多个RRU扩大了覆盖区域，实现和枢纽车站和线路资源共享，覆盖采用类似“中区制”方式，可以减小同频复用因子，更好利用频率资源；（2）由于采用共小区技术，扩大了覆盖区域，减少了切换次数（15 km范围内切换4次），有效保证C3线路20 s无线传输无干扰时间的要求；（3）单个RRU覆盖半径在1.5～2 km，为保证RRU交织覆盖，可设置低铁塔天线提供冗余覆盖，这样可较为精确地控制每个站点天线覆盖范围。

4 结束语

随着科技的不断进步、通信设备的不断更新，GSM-R系统特殊区段的解决方案也将不断创新。以上是以往工程经验的总结，在实际工程中，GSM-R系统特殊区段还有许多其他的解决方案，这需要在未来的工作中进一步研究和探讨。

[1] 钟章队，艾渤，刘秋妍，等. 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、北京交通大学出版社，2009

[2] 科技运［2006］120号 GSM-R数字移动通信网技术体制(暂行)[S]

[3] 铁建设［2007］92号 铁路GSM-R数字移动通信系统工程设计暂行规定[S]

[4] 刘立海，胡晓红，刘建宇，等. 枢纽GSM-R 无线覆盖方案设计与讨论[J]．中国铁路，2009(12)

[5] 科技运［2008］168号 CTCS-3级列控系统GSM-R网络需求规范[S]