高速铁路长大隧道GSM-R网络冗余组网方案分析

袁廷瑞，熊 洁，路晓彤，焦晓辉

（1.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031；2.中国国家铁路集团有限公司工管中心，北京 100844）

1 概述

国内高速铁路多采用基于GSM-R 网络的CTCS-3 级列控系统，根据《铁路数字移动通信系统（GSM-R）设计规范》（TB 10088-2015）第4.2.11 条要求规定，“CTCS-3 级列车运行控制区段、机车同步操控区段应根据需要进行冗余无线覆盖设计”。目前高速铁路隧道内冗余覆盖支持多种方案，根据设备类型可分为数字直放站与分布式基站；根据组网方式可分为交织组网与同站址组网。本文主要针对长大隧道的冗余覆盖方案进行分析对比。

2 铁路无线通信设备简介

目前，国内铁路无线通信弱场区一般使用数字直放站或分布式基站与漏泄同轴电缆覆盖。其中数字直放站由近端机（MU）与远端机（RU）组成，一个MU 可以携带多个RU；分布式基站由室内基带处理单元（BBU）和射频拉远单元（RRU）构成，一个BBU 可以携带多个RRU。各厂家的数字直放站设备配置和实现方案基本一致，组网方案主要受限于传输时延；分布式基站各厂家配置差异较大。

国内GSM-R 分布式基站供应商主要有中兴、华为、诺基亚和凯普施。4 个厂家的设备配置如表1 所示。

表1 各厂家分布式基站设备配置情况Tab.1 Equipment configuration of distributed base stations by different manufactuers

中兴、华为、诺基亚、凯普施分布式基站的设备配置和组网方案各不相同。凯普施的分布式基站基本上与数字直放站组网方式相同，中兴、华为、诺基亚的分布式基站实现方式基本一致，RRU 无法同时接入两个不同BBU 信源，均需在同一站点设置两套RRU 分别接入不同BBU。同时各厂家设备配置能力有较大差异，导致各厂家具有不同的隧道覆盖能力。下面将针对数字直放站与分布式基站隧道内冗余组网方案开展对比分析。

3 长大隧道GSM-R网络冗余组网方案

3.1 冗余组网基本原则

铁路冗余组网中采用“交织”“同站址”来区分网络覆盖方式，采用“主从”“主备”来区分业务承载情况。

“交织”方式中，两相邻站点的场强需相互覆盖到对方站址，站间距一般为单个站点覆盖半径；“同站址”方式中，两相邻站点场强不需要覆盖到对方站址，只需满足同小区场强连续、异小区重叠覆盖距离满足切换要求，因此站间距可大于单个站点覆盖半径。

“主从”网络中，不同基站互为主从信源，正常工作时均承担业务，任一基站故障时由另一基站承载全部业务；“主备”网络中，主基站作为主用信源，承载所有业务，备基站只作为备用信源，平时不承载业务，仅在主基站故障时承载业务。“主从”网络比“主备”网络具有更高的载频利用率。

3.2 数字直放站

方案1：数字直放站交织主从冗余覆盖（1.5 km 站间距）

方案1 组网方案如图1 所示，该方案与模拟直放站基本一致，在隧道口设置基站，在隧道内每站点设置单套数字直放站远端机（RU）。以RU3 与RU4 中间为切换区，将不同BTS 设置为主/从信源，主/从信源信号电平差距6 ～8 dB。正常情况下，BTS1 和BTS2 共同承载业务。

图1 数字直放站交织主从冗余覆盖方案（1.5 km站间距）Fig.1 Interleaved master-slave redundancy coverage scheme of digital repeater (1.5 km station spacing)

相较于模拟直放站，数字直放站可以调节时延，RU 站间距可以增加到1.5 km，而且具备噪声抑制能力，通信质量得到提升。但由于数字直放站系统时延问题，组网上相对于模拟直放站有两个不同之处：一是基站处也需要设置远端机，BTS 射频无法直接使用；二是近端机连接远端机的最远限制距离减少，在交织主从冗余方案下，仅支持16.5 km 左右的隧道冗余覆盖。在更长隧道进行冗余覆盖时，一般采用同站址主从冗余（方案2）或同站址主备冗余方案（方案3）。

方案2：数字直放站同站址主从冗余覆盖（2 km 站间距）

方案2 组网方案如图2 所示。该方案在隧道口设置基站，隧道内每个站点设置2 套远端机RU 分别接入不同BTS 信源，以中间切换区将不同BTS 设置为主/从信源。在主远端机RU 故障情况下，由备RU 提供覆盖，主/从信源信号电平差距6 ～8 dB。

图2 数字直放站同站址主从冗余覆盖方案（2 km站间距）Fig.2 Master-slave redundancy coverage scheme at the same site of digital repeater (2 km station spacing)

数字直放站组网时，小区切换主要靠信号电平强弱来进行，单个RU 设备故障时，会发生2 次小区切换，如图2 所示。为保证单设备故障后小区重叠覆盖距离满足2 次切换需求（按10 s 考虑，长度约为1 km），最长站间距建议控制在2 km 左右。当隧道长度小于16.5 km 时，该方案相对于方案1站间距即无法有效增加，反而会增设更多的远端机，不具备优势；当隧道长度大于16.5 km 时，该方案才具备应用价值。

方案3：数字直放站同站址主备冗余覆盖（2 km 站间距）

方案3 组网方案如图3 所示。该方案与方案2的组网基本一致，主要区别在于BTS1 为主基站信源，BTS2 为备用基站信源，中间不发生切换，正常工作时网络业务均由BTS1 承载，故障时才由BTS2 承载业务。同时，由于该方案在单个RU 故障时会发生切换，站间距也无法进一步增加。同方案2 一样，只有当隧道长度大于16.5 km 时，该方案才具备应用价值。

图3 数字直放站同站址主备冗余覆盖方案（2 km站间距）Fig.3 Main and standby redundancy coverage scheme at the same site of digital repeater (2 km station spacing)

3.3 分布式基站

由于凯普施的分布式基站与数字直放站组网方式基本相同，可参考方案1 ～3，不再赘述。下面针对中兴、华为、诺基亚的分布式基站分析长大隧道的冗余覆盖方案。

方案4：分布式基站交织主从冗余覆盖（1.5 km 站间距）

方案4 组网方案如图4 所示。在隧道口设置基站BBU，在隧道内每站点均需设置两套RRU 分别接入不同BBU，以中间切换区将不同BBU 设置为主/从信源，正常情况下BBU1 和BBU2 均需承载业务。与数字直放站不同的是，分布式基站方案每个站点都需要设置两套RRU。

图4 分布式基站交织主从冗余覆盖方案（1.5 km站间距）Fig.4 Interleaved master-slave redundancy coverage scheme of distributed base station (1.5 km station spacing)

图4 中红圈RRU2a 故障时，该站点会由RRU2b 发出BBU2 的基站信号，在该站点附近区域的漏缆中BBU2 的信号明显强于BBU1 信号，将导致发生小区切换。同时，为避免连续发生2 次小区切换导致传输无差错时间小于20 s，需分布式基站具备小区切换的优化能力（当切换到备用网络后驻留时间大于20 s，期间不进行切换）。

方案5：分布式基站同站址主从冗余覆盖（2 km 站间距）

方案5 组网方案如图5 所示。该方案组网与方案4 一致，只是将站间距增加为2 km（建议最长站间距控制在2 km 左右，原因同方案2）。这样当某站点单个RRU 故障时发生2 次小区切换后，传输无差错时间也不会小于20 s，但由于站间距为2 km，相临站点无法做到覆盖到根部的交织覆盖，当同站址的两套RRU 同时故障时，该站点区域会存在弱场。

图5 分布式基站同站址主从冗余覆盖方案（2 km站间距）Fig.5 Master-slave redundancy coverage scheme at the same site of distributed base station (2 km station spacing)

方案6：分布式基站同站址主备冗余覆盖（2 km 站间距）

方案6 组网方案如图6 所示。该方案与方案5的组网基本一致，主要区别在于BBU1 为主基站信源，BBU2 为备用基站信源，中间不发生切换，正常工作时网络业务均由BBU1 承载，故障时才由BBU2 承载业务。同时，由于该方案在单个RRU 故障时会发生切换，同小区站间距无法进一步增加。

图6 分布式基站同站址主备冗余覆盖方案（2 km站间距）Fig.6 Main and standby redundancy coverage scheme at the same site of distributed base station (2 km station spacing)

4 方案对比分析

以上方案简要对比如表2 所示。

表2 长大隧道冗余覆盖组网方案对比Tab.2 Comparison of redundant coverage networking schemes for long tunnels

通过以上分析，在长大隧道进行冗余组网覆盖时，分布式基站和数字直放站适合采用的冗余方案不同。考虑只在隧道口设置基站的情况下，数字直放站在隧道长度小于16.5 km 时，适合采用1.5 km站间距的交织主从冗余方案（方案1）；当隧道长度大于16.5 km 时，可采用2 km 站间距的同站址主从冗余（方案2）或主备冗余方案（方案3）。分布式基站交织主从冗余（方案4）存在所需设备数量过多、厂家支持程度不同等问题；更适合采用2 km 站间距的同站址主从冗余（方案5）或主备冗余方案（方案6），主从冗余的载频利用率较高。

5 结束语

本文针对GSM-R 网络在长大隧道内的冗余覆盖情况，结合各厂家设备支持情况与传输无差错时间要求，对比分析了数字直放站与分布式基站的多种组网方案，给出了各种方案的适用范围建议。

分布式基站与数字直放站都可以满足高速铁路无线网络冗余覆盖需求，但实现方式差异较大。两种方案各有优劣：数字直放站建设成本低，但对组网时延要求更高，同时增加了运维工作量和网络故障环节；分布式基站方案更易维护，且对时延约束不敏感，但成本较高。关于各方案支持的最大隧道长度，数字直放站主要受限于时延约束；分布式基站主要受限于BBU 光口数量或光缆距离，如果能进一步优化相关性能，将会有更多运用场景。