高速铁路GSM-R无线网精细化设计研究

杨 帆

(中国铁建电气化局集团有限公司 北京 100043)

1 引言

近年来，全国铁路建设系统深入贯彻落实党中央和国铁集团高质量发展理念，铁路建设正在由速度规模型向质量效益型转变。质量效益除了施工建设实体控制外，设计工作是铁路建设的起点，设计质量和设计的精细程度直接影响铁路的质量和效益。根据现场工程实施经验，在铁路建设中存在精细程度不够或设计余量过大而导致的投资浪费和施工、维护不便等问题。

无线网基站或直放站，GSM-R无线网区间基站及直放站的选址、间距和场坪面积大小直接影响着铁路投资和建设、维护的便利性，开展高速铁路GSM-R无线网精细化设计势在必行。

2 选址原则及场坪布置

2.1 选址原则

(1)合理确定基站间距。平原开阔区域，铁塔高度高出轨面20～25 m时，单网交织覆盖方式基站站间距可设置为3.7～4.2 km，单网覆盖方式基站站间距可设置为6～8 km。基站间距还应结合所在区域电磁环境、山体或建筑物阻挡等因素综合确定。根据已开通高速铁路测试数据，平原开阔区域连续4～4.2 km基站间距可以满足场强覆盖和服务质量要求。

(2)合理确定直放站间距。直放站用在隧道内及隧道口附近，目前设计基本采用数字直放站[1]。单网交织覆盖方式[2]隧道内远端机间距为1.5 km；单网方式为2.5 km[3]。

(3)无线信号为视距传播，前后两处站址之间应避免山体或建筑物阻挡。

(4)应选择在地势较高且平坦的地方[4]，为便于施工和维护，减少通站道路等配套设施投资，原则上选择在既有道路旁边，并注意躲避高压线、坟地和房屋。

(5)基站、直放站院落的开门位置要根据地形和既有道路位置合理确定，使通站道路最短，投资和占地更少。

(6)在特宽河道以及山区丘陵地区、隧道区段等特殊地形区域，应先布设这些区域的基站，再布设其他区域基站或直放站。

(7)山区基站选址要考虑控制填方、挖方的土建工程量，要兼顾通站道路的设置条件，兼顾施工及维护的便利性。

(8)要关注站址所在地区空军、机场等对铁塔高度的要求。

(9)为节约用地，节省相关配套设备的投资，在满足本系统技术要求的前提下应进行综合、集约化选址，基站原则上应与信号中继站合设[5－6]。

(10)用地图应根据现场踏勘情况在线路图和站场图标注基站和直放站，标明机房和院落的长宽尺寸，提高上图精度，注意现场踏勘确定的位置与图纸上位置的一致性。

(11)基站院落内一般设有电力箱式变压器，部分基站还设有电抗器，直放站院落内可能没有电力箱式变压器，在设计用地图时，应与电力专业核实每个点的电力设施类型和尺寸，合理设计院落尺寸，并准确体现在用地图中。

(12)选址应满足50年或百年洪水位要求，尽可能避开地势低洼区域，在地势低洼长大区域布设基站时，应合理确定该区域内站址高程，可采用在吊脚楼上设置机房的方式。

(13)隧道口直放站选址应结合隧道口地势情况合理确定，若地势较为平缓可在隧道口设置直放站，若地形陡峭或为滑坡地段，可将直放站设置在距离隧道口最近的洞室内。

(14)隧道区域基站仅作为信源接直放站近端机，由于时延问题不宜再接天馈线[7]，基站的物理位置可以在较大范围内移动。在保证冗余覆盖和直放站系统时延的前提下可灵活选址，将基站设置在地形较好，有通站道路，便于维护的位置。当基站选址困难时，可考虑合设，但每处合设的基站不宜超过2套。

2.2 场坪布置

(1)基站场坪布置

基站机房约为30 m2，由于设备机柜和防静电地板尺寸均为0.6 m×0.6 m，为减少防静电地板切割，提高机房的整体性和美观性，建议机房内实际尺寸应为0.6 m的整数倍，将机房尺寸设计为3 m×9.6 m。

基站院内一般为4个引入井，其中2个是通信引入井，1个是防灾引入井，1个是电力引入井，引入井尺寸应根据维护单位需求确定。

高速铁路通信铁塔一般为四柱钢管塔，这种铁塔地面以上部分较小，根开一般不大于5 m，但制作铁塔基础时的开挖面积较大，可按10 m×10 m设计。由于四柱钢管塔的无缝钢管质量难以把控，目前正在逐步改为组合式单元铁塔，组合式单元铁塔的基础与四柱钢管基础大小基本一致。

基站场坪内机房、铁塔和箱变一般按“品”字形布置，如图1所示。

图1 “品”字形基站场坪(单位:m)

在丘陵、山区等地势不好的区域，结合具体地形，基站场坪内设施可按“一”字形设置，如图2所示。

图2 “一”字形基站场坪(单位:m)

(2)直放站场坪布置

直放站机房一般不大于10 m2，可按3 m×3 m设计。由于直放站铁塔高度一般在35 m及以下，铁塔基础的开挖面积可按8 m×8 m设计。带铁塔和箱变的直放站典型场坪如图3所示。

图3 典型直放站场坪(单位:m)

直放站场坪也可根据不同的地形按“品”字形或“一”字形设计，场坪内是否有电力箱变应与电力专业核实确定。

山区铁路部分基站或直放站场坪内可能无铁塔，在场坪设计时应根据GSM-R无线网方案，核实每处基站或直放站的设备设施，根据实际设施情况设计场坪尺寸，避免简单地采用一种固定的图块，导致用地过大和投资浪费。

3 隧道口区域覆盖方案

3.1 覆盖方案比选

对于短隧道和隧道群较多GSM-R无线网需采用冗余覆盖方案的高速铁路[8]，隧道口多为地形陡峭或滑坡地段，区间及隧道口设备选址困难，若在隧道口设直放站等设备，安全风险和施工难度都很大，通站道路也无法保证。可将隧道口连接天线的直放站远端机放置于距隧道口50～100 m处的洞室内，解决隧道口选址和通站道路困难的问题，将远端机设置于隧道洞室内也更加安全，减少山体滑坡等地质因素对GSM-R系统的影响。

直放站远端机放置于距隧道口50～100 m处的洞室时，连接隧道口天线有以下三个方案[9]。

方案一:在距隧道口50～100 m处的洞室设1套直放站，通过7/8馈线拉至隧道口，接隧道口的天线和漏缆，如图4所示。

图4 直放站经馈线接天线方案

方案二:在距隧道口50～100 m处的洞室设1套直放站，利用电桥实现隧道内、外冗余覆盖，如图5所示。

图5 单套直放站经电桥和漏缆接天线方案

方案三:在距隧道口50～100 m处的洞室设2套直放站，利用双套设备实现隧道内、外冗余覆盖，如图6所示。

图6 双套直放站经电桥和漏缆接天线方案

方案三对隧道外的覆盖距离更远，但为了冗余覆盖，使用了较多的设备，不经济。方案一、二均能实现隧道口和隧道内冗余覆盖。

但方案二在每个隧道口增加了电桥和负载等无源器件，且跳线较多，导致故障点较多，故推荐采用方案一。

3.2 链路预算

对于方案一，考虑到隧道口情况复杂，可能无法立塔，可按天线挂设在12 m钢杆进行设计。采用 Hata模型对铁路沿线的GSM-R网络覆盖进行建模，并分析计算覆盖情况[10]，如图7所示。

图7 Hata模型链路预算示意

Hata模型以市区路径传播损耗为基准，在此基础上对其他地区进行修正，市区传播路径损耗基准公式为:

移动天线修正因子为:

郊区的路径损耗修正模型为:

根据已开通项目联调联试和网络优化经验，单网覆盖时，GSM-R最低电平一般不小于－75 dBm，链路预算时场强覆盖最低电平可按－75 dBm。由于机车电台功率较高，GSM-R为下行(基站发射，移动台接收)受限系统，下行链路预算值就是基站覆盖的最小距离，具体链路预算如表1所示。

表1 隧道口直放站覆盖距离预算(直放站设在隧道内100 m的位置)

根据以上链路预算，直放站设置在隧道内100 m位置，隧道口天线挂高12 m时，单侧隧道口的直放站能覆盖约1.7 km。

4 隧道内切换区方案

为保证切换时不受其他网络影响，隧道区域的切换区建议设置在隧道内。在两个直放站主从信源均不相同的切换区(漏缆内有4个基站的信号)，若其中一处直放站故障，前一个直放站的信号无法进入到下一段漏缆中，会导致切换失败。由于小区重选流程的时间较长，移动台发起小区重选后，可能会移动到下一段漏缆的覆盖区域，无法与前一个直放站建立连接，从而导致小区重选失败，这种问题在以往的联调联试测试时曾多次遇到[11]。

为保证单处直放站故障时小区切换和重选不受影响，切换区的两个直放站要加电桥连接漏缆，如图8所示。

图8 两个直放站主从信源均不相同的切换区设备连接方案

隧道内切换区链路预算[12]如表2所示。

表2 隧道内切换区直放站覆盖距离预算(带电桥)

链路预算结果表明，单处远端机故障时，不影响隧道内切换区的无线覆盖。

5 结论

(1)施工图设计阶段，在进行区间用地图设计时要多做几种基站和直放站的场坪布置图，并根据实际地形和场坪内的实际设施情况，选择合适的布置图。由于设计和实际施工基本都存在一年以上的时间间隔，现场选址和施工期间应根据地形变化情况进行设计优化和调整。

(2)高速铁路的设计、施工和运营都是多专业合作的成果。GSM-R无线网涉及电力、建筑、线路和站场等多个工程配合，通信专业按精细化要求进行GSM-R无线网设计时，也需要相关专业合理控制设计余量，做到集约化、精细化设计。

(3)虽然GSM-R无线网及配套设施的投资占铁路整体投资的比例很小，但精细化设计GSM-R无线网可以在一定程度上减少耕地占用、减少工程投资，增加施工和运营维护的便利性，为铁路建设向质量效益型转变贡献力量。