苏州北铁路枢纽GSM-R系统网络规划的研究

刘盛尧，费 跃，胡金涛

（中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055）

1 概述

通苏嘉甬高速铁路，简称“通甬高铁”，是国内“八纵八横”高速铁路网沿海通道的重要组成部分、长江三角洲城市群的重要城际通道与纽带。通甬高铁自苏州北站小里程方向引入苏州北站至苏州东隧道入口，在该区段与既有京沪高铁存在近17 km的并线/临近区段；在既有苏州北站北侧新建超10万m2的大型站房，新建站房预留如通苏湖城际铁路的引入条件；在苏州北站大里程方向约4 km处新建动车所及动车所走行线。未来苏州北站区域将成为京沪高铁、通甬高铁、如通苏湖城际铁路交汇以及动车检修作业的综合铁路枢纽，如图1所示。

该区域既有京沪高铁为CTCS-3等级铁路，GSM-R系统网络冗余覆盖[1]，考虑到通甬高铁（CTCS-3等级铁路）、如通苏湖城际铁路（CTCS-2+ATO）线路的引入以及动车所检修作业的需求，需对该区域的GSM-R系统网络进行优化调整。

2 网络规划

2.1 规划分析

经过对调查资料的整理分析，苏州北铁路枢纽GSM-R系统网络规划需重点解决如下问题。

1）苏州北站GSM-R系统网络规划设计：通甬高铁计划在既有苏州北站北侧新建超10万m2的大型站房，与既有苏州北站均为高架车站，站房结构及站台雨棚对GSM-R系统网络信号有遮挡屏蔽，需制定针对性的解决方案。

2）多条线路交叉/并线/临近区段网络规划设计：如图1所示，该区域除既有京沪高铁，拟建的通甬高铁、如通苏湖城际铁路，周边还有既有沪宁铁路、京沪铁路，其中，沪宁城际铁路为CTCS-3等级铁路（GSM-R系统网络冗余覆盖），京沪铁路为450 MHz无线列调系统的普速铁路，该区段无线网规划应以高等级线路的小区规划为基础，兼顾低等级线路的运用需要[2]。

3）网络设备选型：目前，GSM-R系统网络覆盖的主要设备为BTS基站设备、分布式基站设备（BBU、RRU）、数字直放站设备。其中，数字直放站设备作为无线信号中继设备[3]，凭借组网灵活、造价较低等优点广泛地应用于山区、隧道等弱场区段，但是数字直放站设备的网管功能和设备检测功能远不如基站设备，对于多条高速铁路交汇铁路枢纽地区，数字直放站设备不利于运维过程中的故障定位及问题分析，因此在铁路枢纽GSM-R系统网络规划中优先考虑使用基站设备[4]。

2.2 苏州北站GSM-R系统网络规划

苏州北站拟规划建设10万m2以上的大型站房，采用高架结构，如按常规设计方案在车站设置基站铁塔。由于铁塔距离站房很近，站房结构（最高点超过40 m）及雨棚会对GSM-R信号造成遮挡，导致站台下的本站GSM-R基站信号场强低，与相邻基站信号场强无法拉开“差距”，易造成乒乓切换、呼叫失败等问题，会对CTCS-3等级铁路GSM-R系统网络服务质量（QoS）指标造成影响，严重的会导致列控系统降级[5]，这种问题在上跨站舍下方区域尤为明显。对于高速通过的列车，由于车载终端在站台范围内驻留时间短，上述问题不易显现，但是在实际运营中，尤其是车站上跨站舍下方停靠列车时，这些问题却层出不穷。另外，在车站设置基站铁塔也会影响车站站房以及市政设施的整体美观性。

苏州北站既有基站（SuZhouBei）为京沪高铁既有基站，设置在既有车站站房附近，天线挂高38 m，鉴于上述问题，无法满足新建站场的覆盖需求，因此，需要对车站区域内的基站设置进行优化设计。在车站通信机房设置分布式基站BBU设备，综合考虑站房结构的遮挡及正线覆盖的需求，在车站站台外两侧位置设置车站铁塔及分布式基站RRU设备，替换苏州北站既有基站，车站站台外两侧的铁塔天线通过合理的设置天线挂高降低入射角、充分利用定向天线主瓣角的宽度实现站场范围的GSM-R系统网络覆盖。

1）垂直入射角测算：以车站雨棚区长度450 m计列，高架站轨面距地面15 m计列，雨棚下沿距轨面11 m计列，定向天线垂直半功率角9.3°计列，按照几何学原理，在天线挂高一定距离的情况下，半功率角与轨面相交的点与基站间的相对距离如表1所示。

表1 半功率角与轨面交点距离统计Tab.1 Statistics of distance of intersection point of half-power angle and rail surface

可见，下倾角为0°或2°时，整个半功率角辐射出的能量并不能完全投射向轨面，部分能量向天空（水平面以上方向）辐射，不仅对基站输出能量造成浪费，且容易导致远处的覆盖较强而形成越区覆盖；当下倾角设置为6°或8°时，半功率角辐射出的全部能量投射向轨面，并且还要考虑到车载天线高度（约4.5 m）；因此，当面向站台侧的天线挂高设置在距轨面10 m，下倾角设置为4°时，可实现站台雨棚区域的良好覆盖。

2）水平入射角测算：根据现有规划，站场行车区域（含京沪高铁）宽度约300 m，定向天线水平半功率角65°计列，当铁塔位置距车站中心里程500 m时，定向天线水平半功率角覆盖范围将超过500 m，足以满足站场行车区域的覆盖需求。

3）小区规划：根据《铁路数字移动通信系统（GSM-R）设计规范》（TB 10088-2015）的要求“车站至上、下行进站信号机外侧宜在同一小区覆盖范围内”[6]，并考虑通甬高铁CTCS-3等级列控系统，及如通苏湖城际ATO系统对GSM-R系统网络冗余覆盖的需求[7]，可将两处铁塔GSM-R系统网络按A/B网共小区设置，以避免站台范围内的越区切换。

2.3 交叉/并线/临近区段网络规划

2.3.1 BSC规划

如图2所示，通甬高铁自苏州北站小里程方向引入苏州北站至苏州东隧道入口，在该区段与既有京沪高铁存在近17 km的并线/临近区段，区段内分布着既有京沪高铁WXD-SZB05、WXD-SZB06、WXD-SZB07、SuZhouBei、SZB-KSN01、SZBKSN02、SZB-KSN03等7处既有GSM-R基站。京沪高铁既有基站设备接入设置在上海的BSC设备，经调查，京沪高铁和通甬高铁在该区段均无RBC切换区，根据GSM-R系统设计规范的相关要求，在区段内可以出现跨BSC切换，同时，为了给列控系统提供可靠的GSM-R系统网络，在枢纽规划中也需避免频繁的跨BSC切换[8]。由于京沪高铁的基站设备及BSC设备都是2011年开通使用的，已投入运营11年，且不具备分布式基站组网的能力，因此，该区段内新设基站设备考虑接入通甬高铁设置的BSC设备。

2.3.2 基站小区规划

京沪高铁与通甬高铁均为CTCS-3列控等级的铁路，苏州北铁路枢纽区段的GSM-R系统网络应采用冗余覆盖方案。在规划过程中，还需考虑充分利用京沪高铁既有机房及铁塔等基础设施。根据调查情况，既有京沪高铁区间机房为箱式机房，空间较小，因此可使用分布式基站设备组网，充分利用分布式基站有组网方式灵活、体积小、便于安装的优点[9]。

1）苏州北站区段小区规划

a.交叉并线区段

如图3所示，通甬高铁在苏州北站小里程方向引入苏州北站，在线路临近、交叉区段内有京沪高铁WXD-SZB06、WXD-SZB07两处既有基站，按常规规划方案，可在WXD-SZB06增设一套与既有BTS基站设备同型号的基站设备，与既有BTS基站设备设置同站址双网，并在WXD-SZB06增设通甬高铁方向的天线，对通甬高铁进行延伸覆盖。但是，这个方案存在很多不确定因素。

WXD-SZB06基站对通甬高铁延伸覆盖范围不好控制，网优过程中GSM-R系统网络QoS指标难以达标，尤其是传输无差错时间（传输恢复时间）TREC[10]。

通甬高铁与京哈高铁的夹角地为非铁路用地，如果后期建设了高大建筑物，会对GSM-R系统网络信号传播造成阻挡。

京沪高铁的BTS基站设备已开通运营11年，同型号设备的采购、调试都存在着很大的不确定性。

因此，可考虑利用WXD-SZB07基站的机房及铁塔，在WXD-SZB07基站设置两套分布式基站RRU设备纳入苏州北站的A/B网共小区，替换既有WXD-SZB07基站的BTS基站设备，新设置的分布式基站RRU设备接入苏州北站的分布式基站BBU设备，结合线路走向设置三方向的天线；考虑到WXD-SZB06基站对通甬高铁覆盖的不确定性影响，可对WXD-SZB06基站的BTS基站设备做关闭处理。

同时，为保证京沪高铁GSM-R系统网络的冗余覆盖，需要对WXD-SZB05基站的BTS基站设备进行相应的调整，如补设京沪高铁同型号的基站设备设置同站址双网，依然存在同型号设备的采购、调试的不确定性；如采用通甬高铁同型号基站设备，则存在基站设备跨线传输组网的情况，不便于后期的运维；如采用分布式基站方案，RRU设备可设置在WXD-SZB05基站的机房，但BBU设备的设置位置成为难点。

从苏州北铁路枢纽线路设置来看，京沪高铁、通甬高铁、如通苏湖城际3条铁路线路均为独立线路，除苏州北站外，在区间敷设跨线光缆没有可行性，如在非铁路用地内敷设光缆，则光缆线路的安全性难以保证，因此可考虑在苏州北站集中设置分布式基站BBU设备，以便于RRU设备与BBU设备联络光缆的敷设。同时，考虑到容灾备份的需要，可在苏州北站及距离苏州北站约3 km的聚金线路所两处站点集中设置分布式基站BBU设备，A网的BBU设备集中设置在苏州北站，B网的BBU设备集中设置在聚金线路所，实现BBU设备的异地容灾，从而实现对WXD-SZB05基站设备进行相应的调整：在WXD-SZB05基站的机房设置两套分布式基站RRU设备，在苏州北站、聚金线路所分别设置1套分布式基站BBU设备，实现京沪高铁GSM-R系统网络的冗余覆盖。

b.动车所及动车走行线

由于京沪高铁、通甬高铁正线的GSM-R系统网络有冗余覆盖需求，而动车走行线（列控等级CTCS-2）GSM-R系统网络无冗余覆盖需求，并综合京沪高铁既有BTS基站设备型号问题，因此，考虑在聚金线路所新设双BTS基站设备替换京沪高铁SZB-KSN01基站，实现京沪高铁、通甬高铁、如通苏湖城际正线的GSM-R系统网络覆盖，并设置动车所方向的天线，实现对动车走行线、存车线等动车所室外场所GSM-R系统网络的延伸覆盖。为避免动车所基站对正线的影响，降低动车所基站正线方向天线的挂高以及BTS基站设备的发射功率，控制动车所基站正线方向的覆盖范围[11]。

2）跨阳澄湖区段小区规划

如图1所示，通甬高铁自京沪高铁SZB-KSN01基站至苏州东隧道入口区段为跨阳澄湖区段，该区段与京沪高铁临近，最远处距离约800 m，整个区段约7 km范围内都不具备设置基站及铁塔的条件，因此可考虑利用京沪高铁基站及铁塔实现该区段的GSM-R系统网络覆盖。同时，还需要考虑该区段内GSM-R系统网络与苏州东隧道内GSM-R系统网络的切换问题。

如图4所示，结合现场条件，在苏州东隧道入口新设基站一处，新设基站与京沪高铁SZBKSN02、SZB-KSN03分别设置两套分布式基站RRU设备，在苏州北站、聚金线路所分别设置1套分布式基站BBU设备，按A/B网共小区组网，实现该区段内通甬高铁、京沪高铁GSM-R系统网络的冗余覆盖。其中，苏州东隧道入口新设基站主要负责将该区段内GSM-R系统网络引入苏州东隧道内，苏州东隧道内第一个洞室内的直放站远端按冗余设置，实现正常情况及单点设备故障情况下GSM-R系统网络的正常切换。同时，新设置BBU设备预留如通苏湖城际的接入条件，一并纳入该区段的A/B网共小区。

图4 跨阳澄湖区段基站布置示意Fig.4 Base station distribution in cross Yangcheng Lake section

2.4 基站组网

苏州北铁路枢纽GSM-R系统基站组网如图5所示[12]。根据整体网络规划，该区段内所有新设的基站设备均接入通甬高铁的BSC设备，对于通甬高铁在区段内无跨BSC切换，对于京沪高铁在进、出区段有两处跨BSC切换（京沪高铁BSC切通甬高铁BSC，通甬高铁BSC切京沪高铁BSC），很好地避免了频繁的跨BSC切换。

图5 苏州北铁路枢纽GSM-R系统基站组网示意Fig.5 Networking of GSM-R base station in Suzhou North Railway Junction

3 验证分析

3.1 频率规划分析

在京沪高铁、通甬高铁交叉并线的区间，按运行速度350 km/h、列车最小追踪间隔时间3 min考虑，并考虑列车双向行驶因素，则在一处区间基站的覆盖范围内，两条铁路最多共有4列通过列车。按话务模型测算，话音信道4个，调度命令、列尾、车次号共用1个信道，列控业务4个信道，控制信道2个，总计信道数11个，基站设置2载频配置即可满足需求；在京沪高铁、通甬高铁、如通苏湖城际交叉并线的区间，在一处区间基站的覆盖范围内，3条铁路最多共有6列通过列车，按话务模型测算，话音信道5个，调度命令、列尾、车次号共用1个信道，列控业务6个信道，控制信道2个，总计信道数13个，基站设置2载频配置即可满足需求；苏州北站综合考虑京沪高铁、通甬高铁、如通苏湖城际通过接车（6列）、停靠列车（9列）以及地面用户（20个），按话务模型测算，话音信道16个，调度命令、列尾、车次号共用1个信道，列控业务15个信道，控制信道5个，总计信道数37个，基站需按5载频设置。综上所述，在该区段设置11个频点即可满足日常的运维需求，而原京沪高铁GSM-R系统基站自WXD-SZB05基站至SZB-KSN03基站共使用15个频点，本次规划采用分布式基站共小区的组网方案实现了小区频率复用距离的增加，提升了频率资源的利用率，比原基站小区减少4个频点，实现该区段内的频率优化。

考虑到GSM-R系统网络采用高电平切换的方式，可将该处场强值最大的信号判定为载波信号，其余信号判定为干扰信号，通过仿真软件的 C/I 指标分析，铁路沿线的GSM-R无线信号C/I 值均满足邻频C/I值大于-6 dB 的要求，如图6所示。

图6 苏州北铁路枢纽GSM-R系统C/I仿真示意Fig.6 C/I value simulation of GSR-M system in Suzhou North Railway Junction

3.2 无线场强覆盖分析

无线场强覆盖采用基于实地模型的 GSM-R 仿真系统[13]进行分析验证，以修正的 Okumura-Hata 模型为理论基础，利用三维电子地图所提供的地理和地貌信息，通过计算机仿真实现无线场强覆盖分析，各基站覆盖的目标区域内最低电平值均在-90 dBm 以上，无弱场情况，覆盖场强良好，满足设计规范要求，如图7所示。

图7 苏州北铁路枢纽GSM-R系统覆盖场强示意Fig.7 Coverage field strength of GSM-R system in Suzhou North Railway Junction

4 结束语

在铁路下一代移动通信系统投入工程应用之前，GSM-R系统仍然是国内铁路最主要的移动通信制式。随着国内铁路网的不断完善，铁路枢纽GSM-R系统网络规划需要解决的问题也越来越复杂，因此不仅需要规划设计人员全面掌握现有系统设备的技术特点、详尽调查既有线路的现状，还要充分熟悉铁路枢纽的整体规划，在网络规划过程中，对于传统方案无法解决的疑难问题要敢于创新，在实践中不断地丰富网络规划的方式方法。