长大隧道GSM－R弱场解决方案

阴同

长大隧道GSM－R弱场解决方案

阴同

铁路综合数字移动通信系统是铁路信息化的基础和重要组成部分，也是铁路移动通信的发展方向。主要探讨了长大隧道和隧道群场强覆盖工程中的相关技术难点，并对其中关键技术进行了深入研究。

GSM-R;场强覆盖;方案

新建太原至中卫至银川铁路工程即太中线的山西段，山堑相连，地形复杂。褚家沟至鲍渠间铁路里程260 km，其中，站间距35 km以上的长大区间3个，并有吕梁山双向单线隧道(单线长度为20 km以上，上下行双方向共40 km)等长大隧道及大量密集隧道群。常规铁路无线区间中继设备无法解决如此长距离、大范围的弱场覆盖。通过对各种现有弱场补强设备功能的研究、各项覆盖指标的计算，寻找多种设备配合使用的最佳方案，解决太中线区间弱场的覆盖问题。

铁路总公司对GSM-R系统设计的相关规定明确要求:覆盖区内任何类型的移动台可接入系统的时间概率为99%、地点概率大于或等于95%;同频道干扰保护比C/I≥9 dB;邻频道干扰保护比( 200 kHz)C/A≥－9 dB。实际工程中要加入3 dB的余量。根据铁标规定，在新建及改建铁路工程中铁路专用无线通信系统不允许出现弱场强区的现象。目前国内外常用的铁路无线通信弱场补强系统有如下几种:

1.漏泄同轴电缆加中继器/射频直放站方式。单个中继器/射频直放站所能覆盖的漏缆长度不超过1 km，级联不能超过4台。

2.区间互控中继电台方式。因无法满足调度命令无线传输及车次号传输需要，目前在各工程中已不推荐采用。

3.区间遥控台。受控制电缆衰耗限制，只能在距离车站台5～6 km范围内使用。

4.光纤直放站。单个远端机所能覆盖的漏缆半径约为1.1～1.2 km。

5.无漏泄电缆弱场区无线传输系统方式。明区间内级联不能超过2台，隧道内级联不超过4台。

上述无线通信方式因覆盖距离较短，无法满足长隧道内及隧道群内弱场覆盖。

1 吴堡隧道工程情况

1.1 基站链路预算

选取长大隧道吴堡隧道为例，吴堡隧道位于吴堡车站和义合镇车站之间，通过传播模型计算基站覆盖距离。吴堡车站和义合镇车站间为丘陵地区，地面略有起伏，峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度，障碍物并不稠密。基站天线挂高25、30、35(m);基站覆盖半径(机车台接收)2.88、3.19、3.39(km)。通过分析，基站天线挂高、铁塔高度确定方案如下(参考图1所示)。

1.由于吴堡车站与王家山隧道DK225+975 (km)隧道口间距为1.295 km，吴堡车站与吴堡隧道DK227+215(km)隧道口间距为2.535 km，考虑到吴堡车站新设基站能覆盖到吴堡隧道口，因此吴堡车站的基站天线挂高为25 m即可满足需要。

2.由于义合镇车站与吴堡隧道DK239+400 (km)隧道口间距为0.86 km，因此吴堡车站的基站天线挂高为25 m即可满足需要。

3.天线挂高为25 m，天线挂在铁塔的平台上，铁塔高度应为30 m。

1.2 光纤直放站噪声计算

在没有引入直放站的情况下，基站接收端的噪声称为基站底噪声Npbts，是热噪声N(取值－121 dBm)和基站噪声系数Nfbts(取值2 dB)之和。单个直放站在基站接收端带来的噪声电平Nprep为直放站输出的噪声功率Np＇rep与路径损耗Lp(从基站发射机至直放站的所有损耗)之差。如果基站的连接中有多个直放站并联，则基站接收端的噪声为基站底噪声与基站接收到各直放站噪声的叠加。表1记录了连接多个直放站后灵敏度下降情况。

通过以上分析，光纤直放站的确定方案如下:

1.参考表1结果，建议直放站上行增益Gurep－路径损耗Lp=－10 dB，每台基站所带光纤直放站数量不超过4台。

2.吴堡隧道全长为12.31 km，采用光纤直放站加漏泄同轴电缆覆盖的方式，受漏缆覆盖长度的限制和基站带光纤直放站数量的限制，隧道内必须设置基站。

1.3 漏泄同轴电缆的选择

选择漏泄同轴电缆类型和规格，应考虑现场情况、使用频率和传输距离等因素。漏泄同轴电曏(xiang)的指标有传输衰减和耦合损耗2项。传输衰减反映了电磁能量沿电缆传输的损耗，其大小随频率变化，以dB/100 m表示。耦合损耗(Lc)是表征漏泄同轴电缆与外界环境之间相互耦合强度的特性参数，其定义为:

式中:Pt为漏泄同轴电缆内的传输功率;Pr为标准耦极天线的接收功率。系统损耗是传输衰减和耦合损耗之和，不同型号的漏缆，通过调整其电缆外导体的开槽形式和槽孔结构尺寸，改变传输衰减和耦合损耗的配比。

图1 吴堡隧道的解决方案

表1 光纤直放站引起基站灵敏度下降表

计算链路容量，应将发射机(GSM-R基站BTS、光纤直放站远端机)和接收机(GSM-R机车车载台)之间的所有增益和损耗加起来，如果结果为正值，表示系统有足够的容限。实际应用中，只要满足链路容量，没有必要选择传输衰减最低的漏缆，但是要求耦合损耗比较严格。

漏缆耦合损耗一般在55～85 dB之间。狭长系统如隧道或地铁内，由于其本身能提高漏泄同轴电缆的耦合性能，因此耦合损耗一般为75～85 dB，这种条件下应尽量减少传输衰减。准备扩展的系统，可以选择传输衰减较小的漏泄同轴电缆，以便为今后提供更高频率或扩大服务覆盖区。在漏缆实际应用中，频率反应和带宽非常重要。GSM-R每个信道为25 kHz，属于窄带系统，可以使用任一种漏缆或天线。经过计算，漏泄同轴电缆规格分别为42mm(1-5/8″)、32mm(1-1/4″)、22mm(7/ 8″)时，其最大覆盖分别为1.66 km、1 km、0.73 km。漏泄同轴电缆确定方案如下:

1.1-5/8″规格的漏泄同轴电缆覆盖距离为最大。

2.吴堡隧道全长为12.31 km，使用1－5/8″规格的漏泄同轴电缆可以使用最少数量的光纤直放站达到最好的系统指标。

2 吴堡隧道解决方案

在吴堡车站和义合镇车站新设03全向站型基站，铁塔高度为30 m。在吴堡隧道内DK230+ 575、DK233+935、DK237+295处新设02定向站型基站，为隧道内光纤直放站提供信号源。每个基站接4个光纤直放站远端机，为了保证隧道内覆盖的稳定，每个光纤直放站远端机分别接入不同的基站。采用1-5/8″规格的漏泄同轴电缆对隧道进行覆盖。具体解决方案见图1。

通过本方案，可得出以下结论:采用光纤直放站加漏缆方式弱场补强，是铁路隧道内弱场解决方案的首选方案。

3 工程建设中需注意的问题

在GSM-R工程建设中还需要研究和注意一些问题:在铁路工程的建设中，通常是先进行桥梁、隧道、路基等土建工程的施工，GSM-R通信系统在工程后期才进行建设。但在隧道内GSM-R系统需要安装现场设备，如果不进行基础设施预留，GSM-R通信系统的施工势必会破坏已经建成的隧道设施，由此可能造成工程的不协调，引起土建工程的返工。因此，如何与隧道等土建工程的协调配合十分重要。如:在隧道避车洞内安装基站及直放站远端机，需要有足够的安装空间，避车洞必须经过特殊设计，并需要预留接地装置及电力电源供电装置。

4 结束语

随着铁路运输不断提速改造，车站间距从以前的8～15 km逐渐向20～30 km发展。铁路专用无线通信系统也由20世纪70年代的450 MHz模拟制式的无线列调系统转变为数字制式的GSM-R无线通信系统，上述内容对于GSM-R系统在长大区间长隧道应用起到积极的推动作用。

实现场强无缝连续覆盖是GSM-R提供高稳定、高可靠的QoS的前提，它关系到铁路运输生产的安全，从而也关系到人民的生命与财产安全。铁路是一个狭长的带状区域，其沿途经过的地方一般地形复杂、自然条件差，场强覆盖实施难度大，加上我国的GSM-R系统建设刚刚起步，建设经验相对不足。因此，弱场强区问题是一个需我们不断去探讨并加以解决的重要课题。

［1］中华人民共和国铁道部．铁路GSM-R数字移动通信系统工程设计暂行规定［M］．北京:中国铁道出版社，2007．

［2］钟章队．铁路综合数字移动通信系统(GSM-R)［M］．北京:中国铁道出版社，2003:6－49．

［3］华为技术有限公司．GSM无线网络规划和优化［M］．北京:人民邮电出版社，2004．

The integrated digitalmobile communication system is the basis and one of the important part of railway informatization，which also represent the development direction of railway mobile communication system in the future．This paper focuses on the technical difficulties of weak field coverage of GSMR system within long-distance tunnel and tunnel cluster engineering．In-depth research is conducted on the problems encountered in the process of engineering implementation．

GSM-R;Field coverage;Project

阴同:铁道第三勘察设计院集团有限公司高级工程师300251天津

2014-02-17

(责任编辑:张利)