基于单网交织网络的GSM-R基站间距分析

赵 旭

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251）

GSM-R移动通信网络是专门为铁路服务的专业通信网络，它高效、快捷的将地面信号（CTCS-3级列控、CTC或TDCS等）传输至机车内部，同时将列车运行情况反馈到地面，使得铁路调度中心可以实时快捷的掌握列车运行情况。

对于高速动车组（运行速度350 km/h及以上），由于列车运行速度快，列车司机已经无法在很短时间内对机车控制做出反应，在这种情况下，采用CTCS-3级无线列车控制信号对列车进行ATP自动控制，CTCS-3级信号的有效传输就由GSM-R网络承担。无线电波传播按照统计平均的规律分布，基站间距近，则大概率下（95%以上）信号强度高，覆盖效果好，但带来的问题就是移动台切换频繁。因为移动台的每次切换，都会导致信号的暂时中断，所以尽量减少切换也是对信号安全传输的必要条件。若基站间距远，虽确保了切换，但损失了场强的有效覆盖。

1 CTCS-3级列控信号对无线覆盖的要求

《CTCS-3级列控系统总体技术方案》（简称总体技术方案）4.3中明确了GSM-R网络需要达到的技术指标。

（1）移动台发起的连接建立时间：＜8.5 s（95%）、≤ 10 s（100%）；

（2）连接建立失败概率：＜10-2；

（3）最大端到端传输时延（30 B用户数据块）：≤ 0.5 s（99%）；

（4）连接丢失概率：≤10-2/h；

（5）传输干扰时间TTI：＜0.8 s（95%）、＜1 s（99%）；

（6）传输无差错时间（传输恢复时间）TREC：＞ 20 s（95%）、＞ 7 s（99%）；

（7）网络注册时延：≤30 s（95%)、≤35 s（99%）、≤ 40 s（100%）。

在基站覆盖设计方面，为满足CTCS-3对GSM-R的通信指标要求，GSM-R基站布置应采用单网交织的网络形式[1]，如图1所示。

单网交织的优势：如遇到基站单点故障，相邻基站的信号均可按照CTCS-3级列控系统的参数要求，对区间铁路进行覆盖。比如，当图1中的基站3因供电、外力等因素掉站，则基站2与基站4可以对基站3所在位置的无线信号进行覆盖，且满足基站2与基站4之间的切换要求（它们有切换交叠区），单网交织的容灾性能优越。

从切换层面考虑，单网交织组网在线路上只形成了一层网络，无论移动台是新入网注册，还是在不同基站间切换，都不会造成接入不同网络的情况，这对于切换机制和参数的控制，也比较简单。

2 基站间距设计分析

速度在350 km/h的列车控制通常采用ATP自动控车，需要CTCS-3级列控系统自动指挥行车。基站是GSM-R信号在铁路区间覆盖的最终设备，传输列控数据的列控机车台在速度大于280 km/h、95%统计概率情况下，机车电台8 W、天线增益为0 dBi，车顶天线处最小接收电平PrMIN≥-92 dBm[2]。为达到以上标准，基站应确定具体覆盖范围。

2.1 从场强覆盖方面确定基站最大间距

因GSM-R移动通信系统频率在900 MHz频段，基站天线高度满足30～200 m，移动台天线高度满足1～10 m，覆盖范围在1～20 km区间，满足Okumura-Hata模型的预测条件，比较接近实测结果。其他模型在使用范围及实测结果方面都不及该模型，因此在GSM-R工程覆盖设计中采用Okumura-Hata模型[3]。Okumura-Hata模型公式如下：

其中，hb为基站天线高度，f为工作频率，α（hm)为移动台修正因子，取6.43，d为传播距离，S（a)为建筑物修正因子，郊区取值为20。

根据Okumura-Hata公式可以得到在不同覆盖距离下，路径损耗中值。而对于移动台和基站来讲，移动台的功率小，基站的功率大，往往当基站覆盖到移动台，下行场强满足-92 dBm时，移动台到基站的上行发射功率到达基站时，已经低于基站最小接收电平（通常为-110 dBm），从而造成移动台有信号而无法发起呼叫，或通话一方声音清晰，而另一方语音质量很差的情况。所以，在计算基站覆盖范围时，还应该考虑覆盖信号的上下行平衡。

根据上下行链路预算公式：

其中，Pbr为基站接收电平，Pbt为基站发射功率，Pmr为移动台接收电平，Pmt为移动台发射功率，La为人体、车体损耗，Ls为阴影衰落，Lm为设计余量，Gam移动台天线增益，Lb为路径损耗（Okumura-Hata公式计算得到），Gab为基站天线增益，Gdb为基站分集接收增益。各参数具体取值可参考《中国铁路GSM-R移动通信系统设计指南》8.5.3节表8-4“上下行链路预算表”。

根据上述公式及上下行平衡预算，在列车运行速度350 km/h、天线挂高距轨面35 m、郊区中等起伏地情况下，基站间距为4.0 km以内可以满足95%统计概率下-92 dBm的场强覆盖要求。

2.2 从基站切换的角度确定基站最小间距

按规定传输干扰时间应满足：<0.8 s（95%)、<1 s（99%)。传输无差错时间（恢复时间）应满足95%概率大于20 s，99%概率大于7 s[1]。

移动台在不同基站间执行切换时，列控数据业务的传输会瞬间暂停，以便利用业务信道发送快速随路信令，因此，切换执行时间会带来传输误码，要求两次切换之间的时间间隔也需要满足95%概率时大于20 s，99%概率时大于7 s的要求。对于速度350 km/h的列车，每秒约走行97.22 m，在95%概率下无差错传输时间20 s，列车走行距离为97.22×20=1944.44（m），因此基站间距最少大于2 km。

又因为移动台在基站间切换时，需要完成“切换判决—切换执行—惩罚时间—二次判决—二次执行”的过程，如图2所示（如果一次切换成功，则无二次判决、二次执行的过程）。要满足列控数据传输干扰时间 TTI：＜ 0.8 s（95%)、＜ 1s（99%)[1]，即在整个切换过程中，切换时间（业务中断）总累计值应小于0.8 s=800 ms。因不同的厂家基站的切换时间和判决时间又不尽相同，且其参数均可设置，为使工程不受限于个别厂家，设计中采用包容性设计，以满足10 s内完成2次切换为原则[3]。故切换过程中，列车走行距离为97.22×10=972.22（m）。

为使移动台成功完成2次切换，基站间距最小应满足：1 944.44+972.22=2916.66（m），即基站间距应大于等于3 km。

综合2.1、2.2可知，在天线挂高距轨面35 m的条件下，均衡上下行链路，并考虑移动台在不同基站间完成2次切换，基站间距d（km）应满足3 km＜d＜4 km。

3 结束语

按照上述计算过程，基站在天线挂高距轨面35 m的情况下，平均间距按3.5 km布设比较理想。但对于多丘陵及山地地形区的线路，需要采用基站+直放站+漏缆+天线的方式覆盖隧道及弱场区，直放站的引入会抬升基站底噪，降低基站接收灵敏度，影响上行链路的信号传输，因此直放站挂设的基站覆盖范围应适当减小接近3 km。同时，在确保信号安全的前提下，本着尽量节省投资的设计原则，平原及开阔地区单网交织的基站间距可以适当放大接近4 km。按照以上基站布设原则，大同枢纽古大线已经开通运营；哈大客运专线已完成实施，处于后期调试阶段；大西客运专线已经完成设计，即将实施。可以说，合理的基站间距已在GSM-R无线覆盖、切换与工程投资上，达到比较均衡的效果。

[1]张曙光．CTCS-3级列控系统总体技术方案[M]．北京：中国铁道出版社，2008.

[2]北京全路通信信号研究设计院．铁建设[2007]92号 铁路GSM-R数字移动通信系统工程设计暂行规定[S].北京:中国铁道出版社，2007．

[3]铁道部工程设计鉴定中心，北京全路通信信号研究设计院．中国铁路GSM-R移动通信系统设计指南[M]．北京：中国铁道出版社，2008.

[4]钟章队．铁路GSM-R数字移动通信系统[M]．北京：中国铁道出版社，2007.

[5]刘立海，刘建宇．交织单网GSM-R网络覆盖方案分析及探讨[J]．铁路通信信号工程技术，2008，5（增刊)：85-90.