温玉铁路交叉并线区段GSM-R网络方案研究

李宝

GSM-R系统作为铁路通信网中重要的一环，根据铁路运输需要，提供普通电话、调度电话等语音通信业务，以及列车运行控制信息、行车指挥信息、行车安全信息、监测检测信息、运营管理信息传送等数据通信业务。近年来，随着高速铁路的不断建设，现有铁路的运营里程已超过15万km，路网密度的不断加大，意味着GSM-R无线通信系统方案的设计难度越来越大，特别是交叉并线区段的网络覆盖方案已成为设计工作的重中之重［1］。网络规划要符合实际，根据线路不同列控等级，结合现有的铁路资源以及预留铁路的情况［2］，统筹考虑铁路局界、GSM-R切换区域、无线闭塞中心（RBC）切换区域等因素，确定小区覆盖范围［3］。

以温玉铁路温岭站附近与甬台温线、杭绍台动走线交叉并线区段，温岭线路所附近与甬台温线、杭绍台线、甬台温至杭绍台上/下行联络线交叉并线区段为例，结合重叠覆盖区、时延等因素，针对不同类型交叉并线区段，充分利用Atoll无线网络规划仿真软件进行模拟计算，基于得出的基站覆盖有效电平、基站覆盖重叠区域示意图，研究分析确定GSM-R网络无线覆盖方案［4］。

1 温玉铁路概况

新建杭绍台铁路温岭至玉环段位于浙江省台州市南部，行经温岭、玉环两市。线路自在建杭绍台铁路温岭站杭绍台场引出后，在大溪镇境内跨甬台温铁路至温峤镇设温岭西站，出站后向东自坞根镇、城南镇、清港镇、楚门镇、龙溪镇境内通过，跨漩门湾止于玉环市芦蒲镇隔岭村设玉环站，线路长度为37.172 km。在温岭站同步建设甬台温铁路至杭绍台铁路上行联络线，长度为4.683 km。

作为杭台高铁的延伸线，温玉铁路自杭台高铁温岭站引出，止于玉环市芦浦镇玉环站，向南预留跨乐清湾引入温州条件。该条线路在温岭站附近与甬台温线、杭绍台动走线存在交叉并线区段，在温岭线路所附近与甬台温线、杭绍台线、甬台温至杭绍台上/下行联络线存在交叉并线区段。温玉铁路交叉并线区段线路走向示意见图1。

图1 温玉铁路交叉并线区段线路走向示意

2 GSM-R网络覆盖设计原则及相关标准

2.1 设计原则

GSM-R系统的设置原则主要有以下几点［5-6］。

1）应根据铁路统筹规划的原则，实现与既有系统的互联互通。

2）无线覆盖及频率配置应统筹考虑，优先保证高等级铁路的业务需求。

3）设计应根据系统服务质量要求及技术经济合理性，采用必要的冗余方案。系统可靠性、可用性、可维修性和安全性应符合使用管理和设备维护要求。

4）充分利用现有铁路通信设施，结合RBC、移动交换中心（MSC）小区切换区域，统筹考虑基站小区覆盖范围［2］。

2.2 网络覆盖方式及电平要求

温玉铁路设计速度为350 km/h，根据设计时速及列车控制等级，采用单网交织网络覆盖，基站设置在车站，区段按需设置区间基站，利用新设数字光纤直放站并结合漏缆或定向天线方式覆盖隧道等弱场区域，数字光纤直放站近端机及远端机采用环型组网方式［7］。机车接收天线最小可用接收电平见表1。

表1 机车接收天线最小可用接收电平

基站控制器通过E1环的形式（带宽2 Mbit/s）与每个基站设备（BTS）连接，一般来说每个环内基站的数量为3～5个［8］。

2.3 场强覆盖及时延计算

本文主要对温玉铁路正线场强覆盖及时延进行分析［9］。

2.3.1 重叠覆盖区的计算

温玉铁路列车控制等级为CTCS-3级，设计速度为350 km/h，采用单网交织冗余覆盖方案，当任意一座无线基站出现故障，相邻的基站承担该基站小区范围的无线场强覆盖，这就要求最小无线信号重叠区域满足规范要求。根据计算，10 s完成2次切换的最小无线信号覆盖重叠区域为972 m［10］。本线范围内无跨BSC的小区切换，不存在BSC切换区与RBC切换区重叠的情况。

2.3.2 时延计算

温玉铁路作为杭绍台铁路的延长线，采用数字光纤直放站+漏泄电缆解决弱场区域信号覆盖的问题。相比模拟直放站，数字光纤直放站具有数字传输、自动时延调整、非工作频点抑制好、支持多种方式、易于扩展等特点。本工程采用环型组网。

最大时间提前量（Time Advanced，TA），是指移动台信号到达基站的实际时间和假设该移动台与基站距离为0时移动台信号到达基站的时间的差值。TA值会影响小区的无线覆盖范围，受GSM-R定时提前量编码码位限制，TA包含6位二进制码元，数值范围为0～63，每个码元传输时间为3.69 μs，TA所有码元传输时间最大值为TTA-MAX=63×3.69≈233 μs，可计算得出基站最大覆盖半径为TTA-MAX×V光速≈35 km，相当于电波传输35 km的往返时间，故GSM-R基站所在小区传输的时延最大不能超过233 μs的二分之一，即116.5 μs。考虑工程余量等因素，时延极限值按照不大于100 μs考虑。

根据《铁路数字移动通信系统（GSM-R）数字光纤直放站》（TB/T 3367—2016）数字光纤直放站射频指标要求，单机时延≤18 μs，系统时延≤25 μs［11］；根据《铁路数字移动通信系统（GSM-R）数字光纤直放站系统技术要求》（TJDW 185—2016）数字光纤直放站传输时延要求，单机时延≤18 μs，远端机中继转发时延≤1.5 μs（不含光纤时延）［12］。

环型组网条件下，一个环内数字光纤直放站时延T需要包含工程预留时延T0、光缆时延T1、设备本身时延T2和空中无线传输时延T3，即

式中：L1为最坏情况下距离数字光纤直放站近端机最近的远端机与近端机间光缆终端引起的最长光缆长度，km；N为环内所带数字光纤直放站远端机的数量；L3为空中无线传输距离，km。考虑到工程预留时延的不稳定性，本次T0取固定值6.5 μs。环内数字光纤直放站最坏情况下的时延T不能超过主基站所在小区传输的最大时延，因此T≤100 μs［10］。

3 交叉并线区段网络覆盖方案

3.1 温岭站附近与甬台温线、杭绍台动走线交叉并线区段

温玉铁路在温岭站附近与甬台温线、杭绍台动走线存在交叉并线区段，线路关系示意见图2。图2中，红色为温玉铁路，黑色为甬台温线，蓝色为杭绍台动走线。

图2 线路关系示意（温岭站附近）

甬台温线是时速为200 km的CTCS-2级列控线路，采用普通单网覆盖方案。在甬台温K489+756（温岭站）、甬台温K493+671、甬台温K498+481设有基站，完成无线信号覆盖。小区切换顺序为甬台温K489+756（温岭站）小区→甬台温K493+671小区→甬台温K498+481小区。

杭绍台动走线采用普通单网信号覆盖，在杭绍台K3+977（温岭存车场）设基站，覆盖温岭存车场；关闭甬台温线温岭站基站，并在温岭站设置基站，接入杭绍台线BSC；在杭绍台K1+418、杭绍台K1+662、杭绍台K2+279设有数字直放站，连接温岭站基站，覆盖动走线线路。小区切换顺序为杭绍台K3+977（温岭存车场）小区→温岭站小区。

甬台温线、杭绍台动走线列控等级均低于温玉铁路，交叉并线区段可利用甬台温线、杭绍台动走线的基站或直放站（方案1），或新设直放站设备（方案2），确保交叉并线区段前后区域组成同址小区，满足温玉铁路信号覆盖要求。两种方案优缺点对比见表2。

表2 两种方案优缺点对比

结合工程投资及网络覆盖方案对既有线影响因素的考虑，最终采用方案1进行覆盖。在DK4+750设置基站；利用动走线K1+662、K1+418处光纤直放站，分别增设1副温玉方向天线。暂按在K1+418处设置1座50 m铁塔，后期进一步根据场坪情况研究铁塔设置方案。K1+662、K1+418处光纤直放站主信号引自温岭站，从信号引自DK4+750基站；将甬台温K493+671基站改为数字直放站，铁塔高度、天线方位角不变，DK4+750处、温岭站基站分别作为主备基站信源。小区切换顺序为DK0+000（温岭站）小区（图2黑色圈区域）→DK4+750小区（图2红色圈区域）。

根据时延计算公式，L1取值3.528，N取值3，L3取值1.156，可得出杭绍台K1+418处数字光纤直放站时延T≈43.95 μs；L1取值3.915，N取值1，L3取值3.915，可得出甬台温K493+671处数字光纤直放站时延T≈51.99 μs；L1取值4.4，N取值3，L3取值2.9，可得出杭绍台K2+279处数字光纤直放站时延T≈54.07 μs；因此本方案最大时延为54 μs，满足时延不大于100 μs的要求。

温岭站附近基站覆盖有效电平示意见图3。温岭站附近基站覆盖重叠区域示意见图4。

图3 温岭站附近基站覆盖有效电平示意

图4 温岭站附近基站覆盖重叠区域示意

从图3可以看出，杭绍台K3+977（温岭存车场）、温玉DK4+750、温岭站等3处基站信号覆盖电平在-72 dBm左右，信号电平值满足设计时速350 km时，最小电平容量大于-92 dBm的要求；从图4可以看出，温岭站小区与杭绍台K3+977（温岭存车场）切换区在温岭存车场及K2+279之间（图4中青色区域），温岭站小区与温玉DK4+750切换区在甬台温K493+671与三岔段之间（图4中青色区域）。

3.2 温岭线路所附近与甬台温线、杭绍台线、甬台温至杭绍台上/下行联络线交叉并线区段

温玉铁路在温岭线路所至温岭站间区段与甬台温线、杭绍台线以及甬台温至杭绍台下行联络线存在交叉并线区段，线路关系示意见图5。图5中，红色为杭绍台线，蓝色为杭绍台线以及甬台温至杭绍台下行联络线，黑色为甬台温线。

图5 线路关系示意（温岭线路所附近）

甬台温线在甬台温K485+699、甬台温K489+756（温岭站）设基站；在甬台温K486+876设模拟光纤直放站，连接甬台温K485+699基站，完成其线路信号覆盖。小区切换顺序为甬台温K485+699小区→甬台温K489+756（温岭站）小区。

杭绍台线为时速350 km的CTCS-3级列控线路，采用单网交织冗余信号覆盖方案。在杭绍台K0+058（温岭线路所）设基站；在杭绍台K321+483、杭绍台K321+805设数字直放站，连接杭绍台K0+058（温岭线路所）、温岭站基站，分别作为主备基站信源；将甬台温K485+699基站、甬台温486+876模拟光纤直放站改为数字光纤直放站，并连接温岭线路所、温岭站基站，分别作为主备基站信源，完成交叉并线区段信号覆盖。小区切换顺序为温岭线路所小区→温岭站小区。

甬台温至杭绍台下行联络线与杭绍台正线并行，无线网络覆盖标准及方案与杭绍台正线一致。

甬台温至杭绍台上行联络线在BSDK0+650处有CTCS-2与CTCS-3级间转换，故无线网络覆盖方案按单网交织考虑。在BSDK1+638、BS⁃DK2+352设直放站，连接温岭线路所、温岭站基站分别作为主备基站信源，完成其轨面无线信号覆盖。小区切换顺序为温岭线路所小区（图5黑色圈区域）→温岭站小区（图5红色圈区域）。

根据时延计算公式，L1取值2.38，N取值2，L3取值0.94，可得出温玉BSDK1+638处数字光纤直放站时延T≈36.00 μs；L1取值4.39，N取值2，L3取值2.95，可得出温玉BSDK2+352处数字光纤直放站时延T≈52.69 μs；因此本方案最大时延为53μs，满足时延不大于100 μs的要求。

温岭线路所附近基站覆盖有效电平示意见图6，重叠区域示意见图7。

图6 温岭线路所附近基站覆盖有效电平示意

图7 温岭线路所附近基站覆盖重叠区域示意

从图6可以看出，温岭线路所、温岭站等2处基站信号覆盖电平在-72 dBm左右，信号电平值满足设计时速350 km时，最小电平容量大于-92 dBm的要求；从图7可以看出，温岭线路所小区及温岭站小区切换区在温岭站往小里程及三岔段之间（图7中青色区域）。

4 结束语

本文对温玉铁路在温岭站附近与甬台温线、杭绍台动走线交叉并线区段，在温岭线路所附近与甬台温线、杭绍台线、甬台温至杭绍台上/下行联络线的交叉并线区段GSM-R无线网络覆盖情况进行了深入分析，并结合温玉铁路设计中遇到的问题，提出几点建议：①设计中应统筹考虑现有铁路资源、新建及既有铁路线路列控系统等级、预留铁路等因素，合理设置基站小区；②涉及到既有铁路GSM-R网络改造时，充分利用既有通信设施及资源，综合考虑工程成本及方案复杂度；③涉及到既有铁塔加高的情况，实施时重点关注，进一步根据场坪情况研究铁塔设置方案；④数字光纤直放站具有组网灵活、时延补偿、调试方便等优点，实际工程中需结合设备造价、光纤资源利用等综合考虑设置数字光纤直放站［13-14］。