基于铁路运用场景的GSM-R系统无线信道资源估算方法研究

李 坚，陈晓辉,陈建平

(1.中国铁路北京局集团有限公司 通信与信号部， 北京 100860；2.南京泰通科技股份有限公司，江苏 南京 210039;3.中国科学技术大学 电子工程与信息科学系，安徽 合肥 230026)

目前，新建GSM-R系统在工程设计及实施过程中，大多仅考虑覆盖本线，涉及与之相关的枢纽、交越、并线区段等特殊场景，极少考虑相邻线路的覆盖需求[1]。随着GSM-R系统覆盖里程的迅速增大，枢纽、交越、并线等复杂区段，既有GSM-R系统与新建GSM-R系统协调统一的问题逐步凸显[2-3]。因此，需要从全局的角度顶层设计，统筹规划符合运输组织需求、设备现状、布局合理的网络覆盖方案[4]。网络覆盖方案的核心，是确保各条线路的GSM-R系统性能指标均符合标准[5-6]，各业务满足相应运输生产组织场景下的运用需求[7]。然而，由于现有GSM-R系统频率资源受限，因此，科学、合理地配置频率资源是确保GSM-R系统满足铁路运输生产组织需求的基础，传统的基站小区频率资源配置方案普遍存在频率资源利用度不高的问题。

GSM-R系统的工作频段为上行885～889 MHz、下行 930～934 MHz，划分为20个频点，频点号为1000至1019，每个频点号代表一个带宽为200 kHz的无线信道资源。传统的GSM-R系统频率资源分配原则，是按照不同业务的话务量模型估算枢纽大站、中间车站、区间等场景的总话务量(单位：Erl)，通过查询爱尔兰B表的方法确定相应基站小区的频率资源配置[8]。话务量是一个统计学概念[9]，适合于海量用户数量的大型公共通信网络[10-11]。公共移动通信系统、GSM-R系统的用户数量较少，按照中国铁路总公司的规划，GSM-R系统远期用户数量15万，仅相当于中国移动一个县级区域的用户数量。因此，实践表明，该方法存在频率资源利用度不高的问题。

为此，需要立足铁路GSM-R系统的特殊性，从运输组织的角度、从运用的角度，结合GSM-R系统的技术特点，分析车站、区间等两个GSM-R运用场景，以满足运用需求为目标，研究基于铁路运用场景的GSM-R系统无线信道资源估算方法，合理配置基站小区频率资源，提高频率资源利用效率。

1 车站基站小区无线信道资源需求估算

1.1 CTCS-3级列控系统业务无线信道资源需求估算

为满足运输生产组织需求，需要立足车站的最大接发车能力，估算CTCS-3级列控(以下简称C3列控)业务无线信道资源需求X。

( 1 )

1.2 语音业务无线信道资源估算

科学估算车站站区的语音业务无线信道资源需求，首先需要根据铁路运输组织中各语音业务的运用现状估算各语音业务的单元话务量。车站站区的语音业务大致可分为4类。

(1)车机联控话务量Ec。文献[12]要求，车机联控应内容简单明了，车机联控时间通常不超过3 min，即λ0取0.05 Erl/列。车机联控属于机车乘务员与调度员或车站值班员的通话，因此该话务量也适用用于直通股停车后、发车的语音通话场景。Ec表达式为

Ec=M×λ0

( 2 )

式中：M为该车站股道数(含直通股道、到发线)；λ0为每一次车机联控所产生的话务量。

(2)车上人员间的语音通信话务量。其是指机车乘务员、列车长、乘警长和机械师等之间的语音通信。通常，在区间,列车长或机车乘务员统一指挥列车在区间的一切行车事宜；在车站,车站值班员统一指挥在车站的一切行车事宜。车站发车前司机与列车长间会进行一次通话试验，通话时长不超过3 min；除此之外，车上人员之间不进行通话试验。因此，在车站站区，比较固定的是司机与列车长之间的通话试验，其话务量2倍于1次车机联控话务量。

(3)其他语音通信话务量Er。通常由车站外勤值班员、车站(助理)值班员、各专业施工防护员和其他值守人员岗位产生。车站外勤值班员的一次通话时间按3 min计算，即话务量为0.05 Erl/岗；车站(助理)值班员一般使用车站FAS台进行联络,不使用GSM-R手持终端进行通话，因此岗位数按车站FAS台数量进行统计即可；各专业施工防护员的作业，一般在天窗点内进行，而天窗点内不行车，C3列控业务的无线信道资源可以供其使用，因此可以不做考虑；应急值守人员一般为工务、供电、电务等专业人员，每岗1人，其话务量按0.05 Erl/岗估算。因此，Er的估算式为

Er=(P+Q+U)×λ0

( 3 )

式中：P为车站外勤值班员岗位数；Q为车站(助理)值班员岗位数；U为应急值守人员岗位数。

(4)组呼通信话务量。由于299、210组呼作为高优先级语音业务，可以强占其他话音业务的无线信道资源，因此，进行无线信道资源估算时，无需考虑组呼通信话务量需求。

综合上述4种运用场景，车站基站小区的语音业务话务量Ee可以表示为

Ee=3×Ec+Er=(3M+P+Q+U)×λ0

( 4 )

文献[8]规定，GSM-R系统的呼损率应不大于0.005，因此，通过查询爱尔兰B表，得到在呼损率为0.005的条件下，车站基站小区的语音业务话务量Ee所需的语音业务无线信道资源ZZQ[9]。

1.3 GPRS无线信道资源

目前，GPRS承载的主要业务的流量需求见表1。由于GPRS的实际速率只能达到理论速率的30%～40%，因此一个无线信道资源可提供的速率约2.5 kbit/s(按CS-1编码速率估算)，下行业务需2个时隙，上行需4个时隙，因此，GPRS信道通常配置1个GPRS专用静态信道，3个GPRS动态可用信道。由于GPRS动态信道与语音业务信道共享无线信道资源，因此按1个无线信道资源估算GPRS业务的信道资源需求。

表1 GPRS承载业务流量

综上所述，覆盖车站的基站小区无线信道资源需求为

W=X+ZZQ+1=

( 5 )

2 覆盖区间的基站小区无线信道资源需求估算

2. 1 C3列控业务无线信道资源需求估算

图1 GSM-R系统基站小区覆盖示意图

( 6 )

( 7 )

2. 2 语音业务无线信道资源估算

( 8 )

( 9 )

(10)

(2)其他语音通信话务量ERqj。按每公里R名维护人员估算，则ERqj可以表示为

ERqj=R×LBTS×λ0

(11)

因此，该高速铁路线路区间的基站小区覆盖范围内的语音业务话务量Eeqj可由式(12) 估算。文献[8]规定，GSM-R系统的呼损率应不大于0.005，因此，可以通过查询爱尔兰B表，得到在呼损率为0.005条件下，Eeqj所需的语音业务无线信道资源ZQJ[9]。

Eeqj=ERqj+Ecqj=

(12)

综上所述，覆盖高速铁路线路站间区间的基站小区无线信道资源需求WQJ可采用式(13)估算。式(13)包含了GPRS业务的1个无线信道资源需求。

WQJ=XG+ZQJ+1=

(13)

3 车站基站小区频率资源优化配置应用案例

3.1 高速铁路车站基站小区频率资源配置

北京南站总计24个股道，3个到发场，其中京沪线普速场5股道(2条到发线、3个直通股道)、京津城际场7股道(到发线)、京沪高铁场12股道(到发线)。京沪高铁、京津城际采用C3列控系统，具备3 min跟踪运行条件；京沪线普速场计划改造为GSM-R系统。京津城际、京沪高铁在北京南站采用CTCS-2级列控(以下简称“C2列控”)系统发车[14]；京津城际、京沪高铁北京南站不执行车机联控，普速场执行问路行车[12]。

(1)C3列控业务需求。北京南站总计有19条到发线采用C2列控系统发车,C3列控系统接车；考虑列车进站及司机退勤等操作时间需求，每列动车组以C3列控模式进站停稳到退出C3列控模式，须10 min；极限情况下，19条到发线，仅进行接车作业，且所接列车均使用C3模式进站，10 min之内北京南站仅能接来自京津城际、京沪高铁区间的8列动车组进站，在此情况下，覆盖北京南站的基站小区需提供8个无线信道资源以满足8列动车组的C3列控业务。

(2)车机联控话务量需求。北京南站普速场总计有5股道的接发车进行车机联控，因此，最多同时有5列车进行车机联控，话务量为0.25 Erl。

(3)车上人员话务量需求。极限条件下，每列车在站区内均进行1次通话试验操作；北京南站总计有24个股道，估算话务量为1.2 Erl。

(4)其他语音通信话务量需求。车站地面用户、维护人员等业务需求。极限条件下，每个站台均有1名移动用户使用GSM-R系统，北京南站总计有21条到发线，估算话务量为1.05 Erl。

所得到的多元线性回归模型的R2达到0.9990，这说明回归模型的拟合优度很高，可以初步判定模型具有一定的可靠性，但这只是一个较为模糊的判断，需要从统计学方面进行进一步的检验分析，才能判断模型的可靠性与适用性。因此，需对该模型进行显著性检验，结果如表5所示。

由式( 5 )可知,覆盖北京南站的基站小区需提供17个无线信道资源,即3载频。

京沪高铁开通之初，覆盖北京南站的基站小区(BeiJingNan)配置了4个载频，分别是1004、1002、1006和1000；其中1004为BCCH，其他均为TCH；每载频可提供8个无线信道，分别记做时隙TS-x1至TS-x7(x=0,1,2,3；x=0代表1004载频，x=1代表1002载频，以此类推，下文相关内容与之同)，共计32个信道；其中TS-01、TS-02配置为公共逻辑信道，TS-37配置为GPRS专用信道(即GPRS静态信道)，其余29个时隙资源，均可供C3级列控业务、语音呼叫及GPRS动态信道使用；配置TS-34、TS-35、TS-36等3个无线信道为GPRS动态信道[15]。

2017年12月，为解决与BeiJingNan相邻的BJN-DCD01频率资源不足的问题，将BeiJingNan的1000频点调配给BJN-DCD01使用；BeiJingNan的载频配置数缩减为3个(即1004、1002和1006)；TS-01、TS-02配置为公共逻辑信道；TS-27配置为GPRS静态信道，TS-24、TS-25、TS-26等3个无线信道为GPRS动态信道可用信道。优化方案实施后，经统计BeiJingNan的日峰值话务量仅为1.25 Erl(图2)。话务统计结果显示，该小区的信道资源分配类指标也没有明显变化，均符合标准。

图2 三载频配置下，BeiJingNan 2018年1月话务量统计

如果采用传统估算方法，由于BeiJingNan的峰值话务量为1.5 Erl，在0.005呼损率条件下，仅需配置1载频、提供6个无线业务信道即可。显而易见，1载频配置无法满足10 min之内北京南站连续接入8列动车组进站的C3列控业务需求。这也证明了本文提出的基于铁路运用场景的GSM-R系统无线信道资源估算方法能够较好的对车站基站小区频率资源进行配置原则，较传统的话务量估算方法更加符合铁路运用特点。

3.2 普速铁路车站基站小区频率资源优化配置

京九线霸州站有10股道(含到发线3条)、2站台；GSM-R系统采用单网覆盖方式，提供车机联控、调度命令、进路预告和无线车次号校核信息传送等业务；执行问路行车；无C3列控业务。

(1)车机联控话务量估算。每列车到站、发车前，均需进行车机联控。霸州站有3条到发线，发车时需执行发车联控；京九线为复线电气化铁路，因此霸州站可同时办理直通列车的能力不大于2列；除去上述股道霸州站可供列车在站内停留的股道数为5，假设每列停留的列车均执行1次车机联控,因此该车站的车机联控话务量估算为0.5 Erl。

(2)车上人员话务量估算。比较具有代表性的是列车长与机车乘务员间的通话试验。极限条件下，每列车在站区内均进行1次通话试验操作，每次试验时间为3 min；霸州站总计有10股道，因此霸州站内的车上通话话务量估算为0.5 Erl。

(3)其他语音通信话务量估算。极限条件下，每个站台均有1名移动用户使用GSM-R系统，通话时间按3 min计算，霸州站总计有2站台，极限情况下的话务量为0.1 Erl。

由式( 5 )可知，覆盖霸州站的基站小区(BaZHou)仅需提供7个无线信道资源即可满足业务需求,换算成载频数，BaZHou配置1个载频即可。

京九线GSM-R系统开通时，BaZHou配置为2载频，配置了两个公共逻辑信道，1个GPRS静态信道和3个GPRS动态信道。经统计，BaZHou的日峰值话务量仅为0.2 Erl(图3)。为了验证本文的结论，2018年4月17日，将该基站小区设置为单载频，话务统计显示，BaZHou的日峰值话务量仅为0.14 Erl(图4)，且相关资源分配类指标也没有明显变化，均符合标准。由于车站区域GSM-R用户比较集中，考虑到一定的冗余性，普速铁路车站按2载频配置即可。

图3 BaZHou 2018年3月10日至4月7日话务量统计

图4 BaZHou 2018年4月18日至5月16日话务量统计

4 区间基站小区频率资源优化配置案例

4.1 高速铁路区间基站小区(京沪高铁)

京沪高铁为双线电气化铁路，采用C3列控系统；采用AT供电模式，Lpwrsply小于24 km，每个供电臂供电范围内每股道的设计最大可运行动车组数量为2；GSM-R系统采用单网交织覆盖方式，北京南站(K000+000)至廊坊(K60+401)区间的GSM-R基站小区最大间距为3.2 km，最小间距2 km。

统计结果显示，2载频配置条件下，BJN-LF14的月度峰值话务量仅0.12 Erl(图5)。如果按照传统的话务模型来估算，BJN-LF14仅需配置1载频即可。但是，由式(13)可知，1载频无法满足极限条件下该区段京沪高铁的信道资源需求。这也证明了本文提出的基于铁路运用场景的GSM-R系统无线信道资源估算方法，能够较好的对高速铁路区间基站小区频率资源进行优化配置，较传统的话务量估算方法，更加符合铁路运用特点。

图5 2018年3月10日至4月7日BJN-LF14话务量统计

4.2 普速铁路区间基站小区(京九线)

京九线为双线电气化铁路，站间区间2股道；GSM-R系统覆盖方案采用普通单网，基站小区间距约5 km；信号系统采用四显示自动闭塞信号系统，闭塞分区长度约为2 km。京九线王佐(K179+920)至肃宁(K187+555)由WangZuo、WZ-SN01和SuNing等基站小区覆盖；其中WZ-SN01为区间基站，下面估算WZ-SN01的频率资源配置。

(1)车机联控话务量估算。按照基站间距与闭塞分区长度估算，每个基站的覆盖范围内，每股道最多有2列列车运行，即上下行总计不超过4列列车，按均需车机联控，总计话务量为0.2 Erl。

(2)车上人员间语音话务量估算。每列计通话1次，总计车上人员的通信话务量为0.2 Erl。

(3)其他语音通信话务量估算。正常情况下，区间仅有工务、电务、供电等专业维护人员进行巡视，每专业按2人计算、共有6人，总计话务量为0.3 Erl。

利用式(13)可知,WZ-SN01需提供7个无线信道资源即可满足业务需求，换算成载频数，WZ-SN01应配置1个载频。统计结果显示，2载频配置条件下，WZ-SN01的月度峰值话务量仅0.07 Erl(图6)。为了验证本文的结论，2018年4月17日，将该基站小区设置为单载频，话务统计结果显示，该小区的月度峰值话务量仅为0.06 Erl(图7)，且该基站小区的相关资源分配类指标也没有明显变化，均符合标准。

图6 2018年3月10日至4月7日WZ-SN01话务量统计

图7 2018年4月18日至5月16日WZ-SN01话务量统计

5 结论

本文立足铁路运输需求及GSM-R系统技术特点，在继承既有话务量模型估算方法优点的基础上，提出一种新型的基于铁路运用场景的GSM-R系统无线信道资源估算方法，该方法能够较好用于GSM-R基站小区频率资源的优化配置工作，较传统的话务量估算方法，更加符合铁路运用特点。该方法在京沪高铁、京九线GSM-R系统的网络优化工作中得到了检验，结果良好；上述创新性成果，对GSM-R系统设计、调试和日常维护工作具有较好的理论和实践指导意义。