浅谈GSM-R无线网络规划

宋雨来 中铁建电气化局集团南方工程有限公司 430074

浅谈GSM-R无线网络规划

宋雨来 中铁建电气化局集团南方工程有限公司 430074

本文根据GSM-R系统的业务特点，从小区规划、覆盖规划、频率规划、容量规划和切换规划等方面阐述了GSM-R无线网络的基本方法。

GSM-R;无线网络;规划

无线网络规划设计是GSM-R网络建设的基础，无线网络规划结果的好坏直接影响到列车运行的安全，因此GSM-R无线网络的规划方法就显得至关重要。虽然GSM-R由传统的GSM发展而来，但GSM-R服务于铁路系统，必须考虑列车高速前进导致的信号快衰落、移频现象以及特殊地形（如隧道、山谷等）的覆盖，同时应尽可能减少切换次数以减少掉话的发生。因此，GSM-R无线网络的规划有独特之处。

1.GSM-R系统构成及其业务类型

GSM-R系统主要由以下几个部分组成:基站收发信机（BTS）、基站控制器（BSC）、移动交换中心（MSC）、归属和访问寄存器（HLR和VLR）、认证中心（AC）、设备标识寄存器（EIR）、组呼寄存器（GCR）和运行维护子系统（OMC）。与列车有关的应用均基于组呼寄存器。如图1所示。

目前，GSM-R主要提供以下几种类型的业务:

(1) 无线列调；

(2) 机车同步控制传输；

(3) 列车尾部风压及控制命令的传输；

(4) 调度命令传输；

(5) 无线车次号传输；

(6) 应急通信；

(7) 列车停稳信息及进站进路信息的传送；

(8) 调车无线机车信号。

GSM-R技术在国内才刚开始应用，提供的业务也有限，以后随着GSM-R技术的不断发展和成熟，提供的业务将会多样化。

2.GSM-R小区规划

图1 GSM-R系统构成

通常，沿铁路线越区切换的次数应该尽可能少，以尽量保证最高的系统性能。因此，GSM-R小区宜采用双方向单小区的形式，即将一个小区分裂为两个方向（如图2所示）。可采用功分器双方向单小区和八字形天线双方向单小区。采用双方向单小区可以消除同一基站内的切换。

功分器双方向单小区适用于拐弯较多的铁路沿线，每个基站使用两根定向天线，两个不同的方向分别使用一根天线，两根天线通过一个功率分配器耦合，然后连接到基站内相同的收发信机。

八字形天线双方向单小区适用于比较直的铁路沿线，采用八字形双向天线，使信号从不同方向传播，不需增加馈线和天线。

对于火车客运站及货运枢纽站，可采用正常的一基站三小区的覆盖方案。

3.覆盖规划

G S M-R覆盖比较特殊，和一般GSM网络的区别就是需要满足切换要求和弱场覆盖。无线网络应能为速度为0～350km/h的移动台提供通信服务。

3.1 小区覆盖重叠要求

列车高速运行时，要保证切换成功而不掉话，相邻小区的覆盖必须要有一定的覆盖重叠区。因GSM信号解码和切换判决大约需要5秒的时间，则重叠覆盖的铁路线长度可用下式计算:

3.2 基站位置的确定

根据建站条件进行实地勘测，调查无线传播环境，结合覆盖指标及功率预算情况，可估算各类基站在各类覆盖区域中的覆盖距离，初步选定铁路沿线需要建站的站址，然后对该基站拟覆盖的区域用无线发射机发射信号进行覆盖测试，分析测试数据，预测基站的覆盖范围，根据测试结果和建站条件确定理想的基站位置。站址应远离树林、江河湖泊以及正面阻挡的高大建筑物。

3.3 弱场覆盖规划

在GSM-R系统中，在隧道内应做到信号均匀分布，避免两辆火车错车时信号快速衰减而导致掉话或切换失败。解决弱场覆盖的基本方案是:基站+光纤直放站+泄漏电缆。由于受泄漏电缆指标的限制，泄漏电缆每段长度以950m为限。光纤直放站分为近端站和远端站。根据目前的光纤直放站性能，一个近端机最多带8个远端机。在规划时必须重点考虑下行链路的场强、载噪比，以确保隧道及其出入口的覆盖效果。图3为一个隧道弱场解决方案。

列车在出入隧道时，由于隧道内外信号变化较大，车速较快，会使隧道内外两个小区信号之间来不及切换而产生掉话。在隧道出口的泄漏电缆末端加一副定向天线，向隧道外发射信号以延长隧道内小区的覆盖范围即可解决列车出隧道时的切换问题；在隧道入口处，可架设抛物面天线将隧道内能量向外辐射，若隧道内能量到隧道口已经很小，可在隧道口安装直放站，将隧道外信号放大后引入泄漏电缆以增强信号重叠区的信号，以解决切换问题。

图2 双方向单小区

图3 隧道弱场解决方案

4 GSM-R频率规划

频率规划是GSM-R网络规划的重要环节，良好的频率规划将为网络奠定良好的质量基础。 GSM-R系统中同一频点的复用必须满足一定的空间隔离要求。空间隔离要求取决于载干比（C/I）。铁路系统一般利用八字天线或功分器将一个小区分为两个方向。线状铁路上基站的覆盖一般为线状分布，按照GSM常规频率复用分析，在GSM-R频率规划中，尽量不要出现同频复用小区扇区正对的情况，否则会产生较大的干扰。基于这一原则，GSM-R系统中频率复用组必须为偶数而不能为奇数。依据C/I的计算公式可以推算GSM-R同频复用应该隔的基站数。

在铁路枢纽站，汇聚了来自不同方向的铁路线，应在枢纽位置建设大站型全向基站，这样，在此全向站覆盖的半径范围内，调度时才不会发生切换，以免产生掉话而导致事故的发生。枢纽站相邻的各基站的覆盖范围要合理控制，以免产生强干扰。

在目前的GSM-R系统中，我国采用GSM协议规定的E-GSM频段，而中国移动也在用该频段，为不互相影响需要互相协商。

5 GSM-R容量规划

在GSM-R容量规划中，主要考虑点对点、组呼、广播呼叫、数据业务以及移动用户的容量。

5.1 点对点用户容量

GSM-R点对点通信的话务量大小取决于以下参数:

1）、固定用户话务P-Traffic

固定用户一般为车站的工作人员，话务比较固定，人员数量按每基站100人，每个用户的话务量在0.01Erl～0.02Erl之间，则每个基站固定的话务量P-Traffic在1.5Erl左右。

2）、列车用户话务T-Traffic

列车用户话务量为以下两项之和:

经过列车话务量=经过列车数目×每次呼叫时间（h）×单位时间发起呼叫次数；

停靠列车话务量=停靠列车数目×每次呼叫时间（h）×单位时间发起呼叫次数；

综合1、2两类话务，经估算，点对点呼叫容量约为2.67Erl左右。

5.2 组呼呼叫容量

组呼容量主要考虑经过的列车、依靠的列车以及车站集群组呼用户三个方面的话务。

1）、经过列车的组呼话务

经过列车的组呼话务量=经过列车数目×每次呼叫时间（h）×单位时间发起呼叫次数×话务权值；

2）、停靠列车的组呼话务

停靠列车的组呼话务量=停靠列车数目×每次呼叫时间（h）×单位时间发起呼叫次数×话务权值；

3）、车站集群组呼用户话务

车站集群组呼用户话务量=车站集群组呼数目×每次呼叫时间（h）×单位时间发起呼叫次数×话务权值；

经估算，上述3项之和约为1.58Erl。

5.3 广播呼叫容量

广播呼叫话务包括:经过列车广播呼叫话务、停靠列车广播呼叫话务、车站集群组呼用户广播话务。

1）、经过列车广播呼叫话务

经过列车广播呼叫话务量=经过列车数目×广播呼叫时间（h）×单位时间发起广播呼叫次数×话务权值；

2）、停靠列车广播呼叫话务

停靠列车广播呼叫话务量=停靠列车数目×广播呼叫时间（h）×单位时间发起广播呼叫次数×话务权值；

3）、车站集群组呼用户广播话务

车站集群组呼用户广播话务量=车站集群组呼数目×广播呼叫时间（h）×单位时间发起广播呼叫次数×话务权值；

综合上述3项，经估算广播呼叫话务量约为0.14Erl左右。

在GSM-R系统中，点对点呼叫、组呼、广播呼叫等3项业务所占话务量约为:2.67Erl+1.58Erl+0.14Erl=4.39Erl。若呼损为2%，则查爱尔兰表得到总共需要的信道数目为9个。

5.4 数据业务

数据业务主要考虑GPRS、调车机车信号传递、同步控制这3种业务。主控机车到从控机车、列车操控命令及确认、从控列车到主控列车、异常事件告警等功能都非常重要，不能和其他信道共享，必须配置固定信道。

GPRS业务一般车站需要2个信道。调车机车信号需2个信道。每个车头同步需1个信道，一列机车有4个车头，考虑两列火车错车，则机车同步需8个信道。因此，数据业务约需12个信道。

5.5 一般车站话务量

完全考虑点对点、组呼、广播呼叫、数据业务一共需要的信道数目为:9+12=21个，再考虑2个信令信道，则需23个信道，需要配置3个TRX。

6 GSM-R网络规划的特殊考虑

由于GSM-R服务于铁路通信系统，部分普通GSM技术不能应用于GSM-R系统中。

1）、DTX （不连续发射）

数据通信是GSM-R系统的重要部分，DTX会影响信号强度和信号质量，影响列控信息的可靠性，因此在GSM-R中不使用DTX。

2）、功率控制

功控的使用将带来3个TDMA帧延迟，引起信号波动，因此功控不被使用。

3）、TA（时间提前量）限定

GSM-R中要求小区控制准确,调度尽量在基站所覆盖的范围内发生,但是由于组网和实际建站条件的限制,会导致越区覆盖,除调整硬件来控制每个基站工作范围外,还可通过设置TA确定基站小区的实际服务范围。

4）、载频互助

考虑到铁路通信的安全，需要应用小区内载频互助，这样在其中一块出现故障后，不至于小区瘫痪，保证通信不中断。

7 结束语

GSM-R是基于GSM技术来解决铁路通信的新技术，在常规业务方面延续了GSM的特点，所以GSM-R无线网络的规划与GSM有相同的地方。但由于铁路覆盖和铁路业务需求有其自身的特点，因此GSM-R无线网络规划与传统GSM无线网络的规划又有所不同。由于GSM-R技术在我国铁路系统中才刚开始应用，因而GSM-R无线网络的规划方法还在不断探索之中。

[1] 华为技术有限公司.GSM无线网络规划与优化.北京:人民邮电出版社.2004

[2] 戴美泰,吴志忠 等.GSM移动通信网络优化.北京:人民邮电出版社.2003

According to the service characteristic of GSMR system, basic methods of GSM-R wireless network layout in cell planning, cover planning, frequency planning, capacity planning and handover planning are introduced in this article.

GSM-R;wireless network;layout

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.09.058