包西铁路GSM-R系统单绕区段弱场解决方案

■ 李庆

包西铁路大保当—何寨车站，线路全长约561 km，全线设25个车站，延安以南为速度200 km/h新建双线，延安以北为速度160 km/h新建单线，区间隧道达201 km，最长的冒天山隧道长为14.9 km，全线地形复杂，GSM-R基站子系统按单层网络覆盖设计，沿线弱场区段覆盖针对具体的地形条件采用光纤直放站空间波直接覆盖和光纤直放站加漏泄电缆/天线等方案加以处理。

1 GSM-R系统概述

采用GSM-R系统为列车调度、维修人员等提供无线话音通道，为调度命令传送、无线车次号校核提供无线数据传输通道。

GSM-R系统主要新设基站子系统（BSS）、运行与维护子系统（OMC）及终端子系统，其他子系统利用西安既有本地网。

无线场强覆盖指标是在满足95%的时间地点概率条件下，机车顶部天线处（距轨面4 m）所需的最小接收电平不低于-95 dBm，沿线按场强覆盖要求设置基站。

网络结构：GSM-R系统采用900 MHz频段，铁路沿线设置基站构成链状通信网，基站控制器与基站之间利用2M通道环形连接。

2 弱场解决方案

包西铁路集合了平原、山区、丘陵等地形，因此GSM-R系统需要解决路堑、隧道等多种地形地貌的无线覆盖问题。

沿线隧道及区间弱场强区的覆盖采用光纤直放站＋漏泄电缆的方式解决。

光纤直放站近、远端机间光纤采用星型连接，即一台光直放站远端机用一根光纤，基站至光纤直放站远端机的光传输利用有线通信敷设的光缆。

以蟠龙镇—瓦窑堡区间为例说明设计思路。

2.1 线路方案

蟠龙镇—瓦窑堡站间距为27.849 km（上行）和27.355 km（下行），瓦窑堡站是越行站，包西线在出站端双线绕行，尔后新建二线（左线单线）逆羊马河而上，为绕避不良地质，线跨羊马河，以14 915 m长隧道翻越冒天山，顺蟠龙川而下，双线绕行进新设蟠龙镇站。既有神延线（单线）从瓦窑堡站通过羊马河隧道（3 810 m）、关路坡隧道（3 159 m）、翅膀沟隧道（1 722 m）、长山梁隧道（678 m）、石咀隧道（579 m）到达蟠龙镇站。

2.2 设计思路

为便于运营维护方便，隧道内不设置基站。蟠龙镇—瓦窑堡站的设计思路见图1。

场强覆盖指标按机车顶部95%概率、-95 dBm考虑。蟠龙镇基站与基站A、基站A与基站D、基站C与瓦窑堡基站、基站C与基站E的切换在空间完成。

2.2.1 链路传播模型

采用Okumura-Hata模型。Okumura-Hata模型的市区的路径损耗中值为：

式中：f ——工作频率（按930 MHz计算）；

hb——基站天线高度（m）；

hm——机车台天线高度（4 m）；

a（hm）——移动台天线高度校正因子，按中小城市取值，对于中小城市：

d ——传播距离（km）；

S（a）——建筑物密度修正因子，a为建筑物密度，市区S（a）=0.6 dB，郊区S（a）=0.6 dB，乡村S（a）=-4.95 dB。

对于郊区环境（丘陵），需要在市区模型基础上进行修正：

对于农村准开阔地形（开阔地），需要在市区模型基础上进行修正：

2.2.2 基站上下行链路预算

基站上下行链路预算见表1。

2.2.3 重叠覆盖区计算

对于采用蜂窝式覆盖的GSM-R系统而言，当列车从一个小区跨越到另一个小区时，为保证通话的连续性，需要在2个小区之间进行切换。在计算两小区切换所需的重叠覆盖距离时，需要考虑列车在跨区时进行2次切换所需要的距离，这样当第1次切换不成功时，还可以有足够的距离尝试第2次切换。

包西铁路无线通信应满足速度200 km/h的要求，两次切换时间按10 s计取，因此两个小区之间进行成功切换所需要的最小重叠覆盖距离为：

重叠距离（D）＝最大车速×最大切换时间＝200×1 000/3 600×10＝555 m，本工程按560 m重叠覆盖距离进行设计。

2.2.4 基站覆盖范围

根据Okumura-Hata模型的路径损耗公式，可以计算出不同天线高度情况下基站的覆盖范围（见表2）。

现场动态测试时开通ZC-PLZ04（DK437+538），关闭ZC-PLZ03（DK435+124），可以看出ZC-PLZ03基站的信号覆盖已过半区间（见图2）。

2.2.5 隧道解决方案

本工程隧道区段采用光纤直放站+漏泄电缆的覆盖方案。光纤直放站的关键模块采用冗余配置方式，漏泄电缆在铁路一侧单条敷设。

表1 基站上下行链路预算

表2 不同天线高度的基站覆盖范围

图2 基站信号覆盖范围

漏泄电缆覆盖计算公式为：

式中：Pr——移动台天线处最小接收电平，-95 dBm；

Po——光直放站下行输出到漏泄电缆的功率（dBm）；

Lt——1-5/8”漏泄电缆传输损耗，每百米取2.2 dB，参考TB/T 3201—2008《铁路通信漏泄同轴电缆》；

Lc——1-5/8”漏泄电缆耦合损耗（95%，2 m），取69 dB，参考TB/T 3201—2008《铁路通信漏泄同轴电缆》；

Lp——附加损耗，等于连接电缆加电缆接头的损耗，取10 dB；

Lk——宽度因子，单线隧道取8 dB，双线隧道取14 dB；

D——漏泄电缆长度（m）。

由计算可得，在光直放站下行输出到漏泄电缆的功率为30 dBm（1 W）的情况下，满足最小-95 dBm的接收电平（95%的通信概率），1-5/8”漏泄电缆在单线隧道内可传播约1 727 m，在双线隧道内可传播1 454 m。在光直放站下行输出到漏泄电缆的功率为33 dBm（2 W）的情况下，满足最小-95 dBm的接收电平（95%的通信概率），1-5/8”漏泄电缆在单线隧道内可传播约1 863 m，在双线隧道内可传播1 591 m。考虑预留一定的覆盖余量，两相邻直放站间距按不超过1 800 m（单线隧道）和1 500 m（双线隧道）设计。

光直放站设置：新建的冒天山隧道长14 915 m，为单线隧道，避车洞以420 m的间距交替分布，考虑到设备的同侧布置，直放站间距按840 m设计，隧道内共设置9台。既有线隧道利用既有避车洞设置。

切换区长度：考虑到重叠覆盖区560 m和避车洞420 m间距，切换区长度按隔3个避车洞设计，即1 260 m。

基站D带的3号直放站（侧向：左侧）和基站E带的1号直放站（侧向：右侧）在翅膀沟和关路坡隧道之间有切换区，两直放站间距1 069 m，但两光纤直放站的侧向不同，考虑到重叠覆盖区560 m，漏缆1 069 m变为810 m×2=1 620 m。

3 实际效果

由表3可见，信号电平表征网络覆盖场强，最后测试结果显示基站信号都在-80 dBm以上，全部达标。（排除有故障直放站区域）。

由表4可见，接收信号质量表征网络质量，98.89%的信号通话质量≤2级，通话质量优秀。

表3 漏泄电缆覆盖预算

表4 接收信号质量

越区切换中断时间及切换成功率见表5。测试越区切换中断时间平均为107 ms，切换成功率为99.63%，指标达到要求。

表5 越区切换统计

4 结束语

包西铁路是一条高标准的客货运双线电气化铁路，通信设计充分利用既有铁路通信资源，在普速铁路上使用GSM-R系统，对我国铁路GSM-R系统的建设有重要意义。实际上，每个工程都有其独特性，都会遇到其他工程没有的问题，希望包西铁路GSM-R工程能够为其他类似工程提供一些借鉴。

[1] 铁道部工程设计鉴定中心，北京全路通信信号研究设计院. 中国铁路GSM-R移动通信系统设计指南[M]. 北京：中国铁道出版社，2008