武广客运专线GSM-R系统集成技术研究

2011-05-08邸士萍

铁路通信信号工程技术 2011年1期

邸士萍

（北京全路通信信号研究设计院，北京 100073）

1 概述

武广客运专线是迄今为止世界上一次建设里程最长、运营速度最高的高速铁路，线路全长1 068.6 km，设计时速350 km。武广客运专线首次采用具有世界一流水平的CTCS-3（以下简称C3）级列控系统，满足了时速350 km、动车运行3 min间隔的列车运行指挥和控制要求，掀开了中国列控发展史的新篇章。而GSM-R系统，也因承载了列控系统车-地双向信息的无线传送，成为武广客运专线系统集成的关键技术之一。

本文将围绕C3级业务的应用，从集成设计、施工调试及网络优化等方面阐述武广GSM-R系统集成的关键技术。

2 武广GSM-R系统集成设计

优秀的系统设计是集成工作顺利开展的前提，这对于承载C3业务GSM-R系统尤为重要。

2.1 提高GSM-R系统可靠性的措施

C3业务的应用对GSM-R系统的可靠性提出了较高的要求，在通信组网上，采取了多种技术措施，保障无线通信的稳定运用。

（1）武广客运专线采用单网交织的网络结构，实现场强的冗余覆盖。线路上任意地点均有两个无线基站的信号覆盖达标；光纤直放站设备也按照冗余覆盖的原则，分别接入左、右两个相邻基站的信号，构成冗余覆盖，提高了无线网络保障能力。这样的网络覆盖，保证了线路上单个基站或直放站设备故障时无线覆盖正常，系统整体性能不劣化，不影响业务应用。

（2）无线基站传输通道采用环形组网技术。无线基站与基站控制系统的连接，采用多个基站2 M电路环形组织的技术方案，在光缆线路或传输系统中断、故障条件下，自动实现传输通道的迂回保护，提高无线网络传输通道的保障能力。

（3）GSM-R核心节点与无线闭塞中心（RBC）的连接。为了进一步提高C3系统车-地信息传输的可靠性，RBC到GSM-R核心节点交换机的传输为光缆物理径路双路由的可靠配置；RBC的设计在容量方面也考虑了1+1冗余，即每个RBC实际最大容量为120个列控终端，工程中按照最大容量60列车配置。

2.2 MSC、BSC分界点与RBC移交区的设计

由于移动终端通过MSC和BSC分界点时，有大量的信令交互，C3系统车载设备通过RBC移交区时，也有大量C3业务数据发送，因此，设计时应使MSC和BSC分界点与RBC移交区错开，避免发生应用数据传输错误。

2.3 基站间距

C3级对GSM-R系统的服务质量（QoS）指标提出了要求，在网络注册时延、连接建立时间、连接建立失败概率、端到端数据传输时延、连接失效概率、传输干扰时间及恢复时间等方面做出了规定。其中，传输干扰时间及恢复时间对基站的站间距提出了要求。

指标要求上、下行传输干扰99%概率下小于1 s，95%概率下小于0.8 s；传输恢复时间99%概率下大于7 s，95%概率大于20 s。这个指标是对GSM-R网外干扰和网内系统设计和优化的综合要求。一方面，要通过电磁环境测试和清频工作，克服中国移动等运营商对于GSM-R网络的干扰；另一方面，优化设计方案，也可避免不必要的指标下降。目前，设计时速350 km的客运专线线路，GSM-R系统均采用单网交织的无线网络结构，这种结构，大大提高了系统的可靠性和抗外网干扰的能力，但是单点故障不造成系统指标下降这一要求，也会因地形原因造成基站间距过小，并进一步造成相邻两次切换距离过短，影响传输恢复时间。

由于移动终端从一个基站向另一个基站移动时要进行小区切换，切换会引起小于0.5 s的数据传输中断，这个中断对于列控业务即为传输干扰。相邻两次切换之间如果没有其他干扰则视为传输恢复，指标要求95%的传输恢复时间应大于20 s。如果连续几个基站间距过小（<1 944 m），则列车在时速350 km下，相邻两次切换间隔很难控制在20 s以下，这就会造成传输恢复时间小于20 s，使指标劣化。

因此，在GSM-R网络设计时就要考虑这个因素，理论上在设计时速350 km时，基站间距建议大于1 944 m，再考虑切换触发地点的不确定性，还应适当加大，可控制在3～3.5 km范围内。

2.4 隧道口直放站设计

武广客运专线隧道长度168.743 km，占线路总长的17.4%。

由于采用单网交织，每个直放站远端机都需要与相邻的两个基站相连，以其中一个基站的信号作为主用，另一个作为备用。当隧道口直放站与备用宿主基站的距离大于800 m时，一般将切换区设置在该直放站与备用宿主基站之间，如图1所示。这种设计，如果不考虑一些细节，会存在一定的问题。当图1中DK1200+810直放站宕机时，由于基站6的信号无法在DK1200+810与DK1202+900间提供理想的覆盖，导致基站6到基站7的切换无法正常，可能导致切换失败引起的掉话。

这种情况，在武广线较多，可以考虑在漏缆末端（DK1200+810）增加耦合器，并通过馈线将此耦合信号输入至隧道口天线，将基站6（DK1200+460）的信号提取并辐射至图1中DK1200+810至DK1202+900之间的空间区域；原隧道口单极化天线需更换为双极化天线；对于漏缆长度较长，损耗较大的，选用3 dB功分器取代耦合器，同时个别天线选用21 dBi高增益双极化天线。通过上述措施，解决了隧道口直放站切换问题。

具体的连接方式如图2所示。

2.5 隧道内直放站设计

个别隧道内直放站宕机时，由于连接关系配置问题，导致主用宿主基站的信号突然衰减，可能会由于来不及切换而掉话。

如图3所示，基站19、20之间设有3个直放站远端机。设备工作正常时，基站19、20在DK1828+855和DK1829+855两个直放站远端机之间切换。当DK1829+855直放站宕机时，切换不能在设计的切换带进行，而是转移到DK1829+855至DK1830+855区段内。但这一段由于DK1829+855直放站宕机，没有基站19（DK1827+850）的信号，所以，当机车台运行至DK1829+855至DK1830+855区段内时，基站19的信号将突然消失，不能实现从基站19到20的切换而掉话。

如果将基站20的位置移至DK1830+855之后，可以解决上述问题。

总结规律，隧道内直放站设置应遵循以下原则：切换带两端单侧远端机数量应为两个或两个以上。这样，在切换带两端的某个远端机故障时，切换带向左或向右移动，但不会导致切换失败。

2.6 相邻短隧道间空间覆盖方案

相邻两个短隧道之间的空间部分，如果距离小于600 m，宜采用漏泄电缆贯通，这样不仅可以省去设置在一个隧道口的直放站，还可以避免空间波跃入隧道内，增加网络优化的工作量。

3 武广线GSM-R系统施工及调试

3.1 隧道口基站、直放站设置地点

根据设计方案，设置在隧道口的基站或直放站，其位置一般按照隧道出口考虑，但在实际施工中，因征地等原因，经常移至距离隧道口几十米或一百多米的位置。系统建成后，隧道口至设备放置地点之间的空间，由于是定向天线的背瓣覆盖，出现信号电平的急剧下降，虽然信号电平值也在覆盖指标要求之上，但这种突变会对数据或语音通信的质量造成不良影响，工程中应尽量使设备设置在隧道口，如确有困难，应在基站或直放站处向隧道口方向设置小天线覆盖这段区域。

3.2 直放站子系统短段光缆使用

武广线地形复杂，隧道众多，因此使用了大量的直放站对隧道区段进行覆盖，随之而来的是直放站近端机和远端机之间的大量光纤需求。武广线每处直放站有3根光纤与之相连，其中2根主光纤连接至主用基站，1根从光纤连接至备用基站；武广线的短段光缆在充分利用光缆资源、为每根从光纤备用1根光纤的前提下，最大限度地降低光纤数量，降低了工程成本。

4 GSM-R系统网络优化

4.1 优化目的及优化前提

网络优化，其目标是使GSM-R系统的场强覆盖和QoS指标达到承载业务的要求。网络优化，不能克服系统设计的缺陷，因此，合理的设计方案是网络优化结果达标的前提。如前所述，如果基站间距在设计之初就不能达到要求，则传输恢复时间必定不能达标；同样，如果各基站频率配置不合理，存在GSM-R网络内部干扰，也影响系统指标。此外，传输干扰指标还受外网干扰的影响，网优工作做得再彻底，如果有大量外部强干扰存在，系统指标也不能达标，甚至会影响网络优化的正常进行，所以网络优化开始前，应进行电磁环境测试和清频，清除外网干扰。

4.2 GSM-R网络优化

GSM-R系统网络优化需在电磁环境测试和清频工作完成的基础上进行，分为4步，即频率核查、覆盖优化、切换优化、QoS达标优化。

4.2.1 频率规划方案优化

合理的频率规划也是消除网内干扰、提高网络服务质量指标、保证C3业务正常运营所必须的。GSM-R使用频段：上行为885～889 MHz，下行为930～934 MHz。武广客运专线频率分配方案按照六频组复用的方式进行，但由于车站基站为O3或O4站型，六频组复用规律被打乱，会导致同频复用距离变近，加之工程实施过程中由于各种因素，也可能出现与设计方案不相符的现象。当BCCH同频复用距离过近时，可能导致比较严重的网内干扰，造成切换失败、CSD传输误码率高甚至掉话等问题，因此需对相关基站频率方案进行核查，优化配置。

武广线某段线路优化前的频率配置如表1所示。其中，BTS02与BTS05的BCCH载频同频。

表1 频率配置方案举例（优化前）

在这种情况下，在BTS02至BTS05之间，就存在同频干扰。这种同频干扰，使业务通信质量下降甚至掉话，使切换成功率降低，也会导致连接建立成功率的降低，这将直接劣化整网的QoS指标。

修改后的频率配置方案如表2所示。

表2 频率配置方案举例（优化后）

由此可见，频率配置的核查是GSM-R网络优化的重要一环，在现有频率资源的前提下，频率规划的原则是按照六频组复用的原则，尽量加大同频复用距离。

4.2.2 覆盖优化

覆盖优化的目的有2个：一是使覆盖电平达到设计指标的要求，最大限度地消除盲区；二是调整基站覆盖区至理想的范围，为切换调整奠定基础。目前的设计，电平一般高于指标要求，因此优化重点在于后者。

覆盖优化手段主要如下。

（1）调整天线的俯仰角和方向角

调整天线需要施工人员的配合，且调整工期一般比较长，在现实操作中，将耗费较多的时间。

（2）调整基站的发射功率

弱场区可提高基站发射功率，越区覆盖的降低发射功率。需要注意的是，调整发射功率在网络有关参数不变的前提下，会使切换位置发生变化。

（3）调整直放站远端机的衰减和增益

如图4所示，直放站1和直放站2主信号为黑色，从信号为白色；直放站3主信号为白色，从信号为黑色，切换在直放站2与3之间。黑、白2个信号分别来自左右两个相邻基站。根据设计方案，主信号应高于从信号6 dB。图中为优化前的场强曲线，直放站1与2之间有很长一段主信号（黑色）与从信号（白）几乎无差值，这可能会导致切换提前，并进一步导致乒乓切换。因此，需要通过减小黑色信号的衰减或加大白色信号的衰减来解决。

4.2.3 切换调整

切换调整应重点考虑以下几个方面。

（1）切换优化的目标

切换优化的目标是使两次切换的间隔应大于20 s（与速度有关，时速350 km时，按照2 km考虑），同时通过调整切换位置，使上下行切换点相对均匀，确保正常情况下无紧急切换发生。

（2）高速、低速切换的不同点

高速和低速切换优化存在一定的差异。高速时希望切换尽早发生，避免“犹豫不决”的切换判定，导致切换发生到下个基站附近；低速时则希望切换的判定更加“谨慎”，避免乒乓切换。因此，一般来讲，高速时切换余量和窗口值都应设得较小，低速时较大，但由于实际工程情况千变万化，优化时应在该原则的基础上灵活掌握。

（3）直放站区段优化

直放站漏缆区段的优化必须在直放站开通并完成相关调试的基础上进行，这一点通过直放站区段的覆盖测试可以验证。

（4）室内覆盖与正线的优化

武广线共18个车站，为满足站内铁路人员的通信需求，设置了室内覆盖系统。当站内用户较多时，室内覆盖设置单独的基站作为信源，武汉、长沙、广州站就是这种情况。此时，要考虑正线与室内覆盖之间的切换优化。

为保证C3级的正常运行，减少不必要的切换带来的传输干扰，需要优化和调整室内覆盖基站与正线基站间切换参数，保证正线列车不切入室内覆盖基站。

（5）正线与联络线的优化

联络线是联系武广正线与其他正线的铁路，联络线与正线衔接区段的优化主要考虑两个方面的因素：一方面要保证武广正线的C3列车不切入联络线并引发进一步的掉话，另一方面也要保证联络线的列车顺利接入武广正线。

（6）半数基站的优化

单网交织的网络结构，提高了系统的可靠性，即：无线设备单点故障时，系统整体性能不下降。因此，在全线基站正常工作情况下的网络优化完成后，需要进行半数基站（包括奇数站、偶数站）的优化。

半数站优化要确保全基站的优化成果，因此建议不再调整天线覆盖、切换窗口类参数，可以调整有第二相邻关系的奇数或偶数站的切换余量参数和防回切参数，必要时可以将切换余量参数设大一些，需要改小的时候要谨慎，防止无单点故障时切换跳站，发生紊乱。防回切参数可以灵活运用，它在某些情况下起到了类似窗口类参数的作用，特别是在相邻奇数或偶数基站之间电平相近的区段比较长的时候，如果车速较低，可能会发生回切，此时可以考虑加大此值。

4.2.4 QoS指标测试

网优要基于大量测试进行，安排足够的测试可以确保对网络状态的全面了解，确保尽可能多的发现潜在的问题，因此耗时较长。应根据测试结果，进行全面分析，对症下药，按照测试—发现问题—进行调整—复测调整结果的往复循环，不断提高网络性能。

网络优化是一项循序渐进、精益求精的工作，建设阶段有，维护阶段仍要继续，不能急于求成。在各项业务的应用过程中，可以对网优结果进行验证，进一步发现问题、解决问题。

5 C3级车-地信息传送应用速率的选取

5.1 不同的应用速率对GSM-R网络需求的理论分析

对于9.6 kb/s的数据信道，其业务数据速率为48 b/5 ms，按照一定的格式填充控制信息bit后，形成60 b/5 ms的数据流，每4个60 b的数据块在尾部追加0000共4个bit，成为244个bit的数据流，再按照1/2卷积编码后形成488个bit的数据流，但删除其中32个冗余bit，形成456 b的数据流，这456 b传送时间为20 ms，因此码流速率为22.8 kb/s。

对于4.8 kb/s的数据信道，其业务数据速率为48 b/10 ms，按照一定的格式填充控制信息bit后，形成60 b/10 ms的数据流，每个60 b的数据块在尾部追加16个0 bit，成为76个bit的数据流，再将两个76 b联合在一起，形成152 b的数据流，按照1/3卷积编码后形成456个bit的数据流，码流速率也是22.8 kb/s。

从上述分析可见，9.6 kb/s和4.8 kb/s的卷积编码的性能不同，较低的数据速率增加了更多的冗余码，提高了纠错能力，带来了更加安全稳定的传输效果。在相同的网络和环境下，4.8 kb/s的业务速率应该较9.6 kb/s有更好的通信效果。

5.2 武广试验段测试结论

通过对武广试验段的大量测试数据进行分析，认为，4.8 kb/s的应用数据传输速率容易获得稳定可靠的传输效果，在目前满足C3系统应用需求，并为C3级车-地信息传送数据量的加大预留了一定空间的情况下，是比较适合C3系统的传输速率，这一点可以从以下几方面得到验证。

（1）在相同的网络条件、相同的移动终端模块和相同的运行速度前提下，4.8 kb/s传输干扰时间和传输恢复时间的指标明显优于9.6 kb/s。

表3是武广试验段CSD业务的实测结果。

表3 9.6 kb/s与4.8 kb/s传输干扰率测试结果对比

（2）随着运行速度的提高，在9.6 kb/s情况下，速度高于240 km/h时，非切换引起的传输干扰次数明显增多，且速度高于340 km/h时，传输干扰次数成倍增长；4.8 kb/s情况下，速度高于300 km/h时，非切换因素引起的传输干扰明显增多，300 km/h以下时基本没有非切换引起的传输干扰。

通过对大量数据的统计，得到不同速度等级下每发送万帧数据被干扰的数据帧数，得到以下传输干扰随速度分布示意图，如图5、6所示，可以说明上述问题。