谈重载铁路GSM-R网络设计

2011-05-08孙传斌

铁路通信信号工程技术 2011年5期

孙传斌

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

以GSM-R为基础通信平台的机车同步操控技术在我国铁路重载运输过程中发挥着巨大作用，以大秦线、北同蒲线、云岗支线、迁曹线等最为明显。随着我国经济快速发展，铁路货物运能大幅度提高，重载技术的推广使用将是提升铁路货物运能的有效手段，也是未来铁路货物运输发展的必然趋势。因此，高可靠性GSM-R系统设计是确保重载安全的关键。

1 中国重载铁路发展

我国当前重载运输指列车载重在5 000 t以上，按每节车载重60、70、80 t计算（外加自重20～23 t），约需50、54、60节车厢，列车长度达650 m、700 m、780 m长（车厢长度为13 m左右），1万t列车长度则分别为1 300 m、1 400 m、1 560 m；2万t列车更长。列车载重量和长度增加，单机车将无法牵引，须由多台机车牵引。

多台机车牵引首先需要解决如何编组，其次解决多台机车同步加速牵引、减速制动。2004年初，2万t重载组合列车试验在大秦线拉开，先后以450 M数字电台和800 M数字电台作为机车同步操控系统中LOCOTROL技术的数据传输平台、4台韶山4型机车分别牵引5 000 t列车组成的2万 t组合列车实验成功。由于是点对点通信，其可靠性较差，传输距离受限。2005年11月，以GSM-R为机车同步操控LOCOTROL技术的数据传输平台，由2列单元万吨列车组成的2万 t列车试验成功。2006年3月，由4台韶山4型机车以“1＋2＋1”方式牵引的2万 t列车成功开行。后来陆续成功实现“1+1+可控列尾”组合2万 t（和谐号机车牵引+C80货车）、“1+1+可控列尾”组合1.5万 t（C70货车）、“1+1+列尾”组合万吨（S4机车牵引+C80货车）、“1+列尾”单元万吨（和谐号机车牵引+C80货车）等编组方式。这是世界重载铁路领域中，率先将LOCOTROL技术与GSM-R平台进行有机结合的成功典范。

目前货运的线路多为既有铁路，建设时间较早、标准低，路况差、弯道多、坡度大，开行2万 t重载列车需对站场、线路、电力、机车、车辆等配套改造，工程投资较大。因此，近期大量开行2万t列车可能性较小，部分重点线路开行2万 t、多数线路开行万吨以下重载列车将是铁路货运的近期发展方向。当前，采用C70系列货车、S4机车（或同级别机车）牵引的较多，并未大量采用和谐号机车。因此，“1+1+可控列尾”的2万 t组合列车（和谐号机车牵引）、“1+列尾”（和谐号机车牵引）或“1+1+列尾”（S4或同级别机车牵引）的万吨及万吨以下组合列车将是重载铁路的主要编组方式。

2 GSM-R机车同步操控和可控列尾系统原理

机车同步操控系统由车载通信单元（OCU）、地面应用节点（AN）和GSM-R网络构成，如图1所示。通过GSM-R网络和地面应用节点完成的OCU的注册、注销、安全认证、链路连接、会议编组控制和保持等功能，在主控机车和从控机车之间传输机车同步操控的各种数据。所有控车信息由主控机车发出，通过GSM-R网络和AN实现将控车信息传送至从控机车，保证机车同步运行。列车在行驶过程中，主控机车和每个从控机车的OCU均占用1个CSD无线信道。

可控列尾系统由机车部分、列尾主机、GSM-R网络构成，如图2所示。当司机需要制动时，操纵机车制动机减压，这时均衡风缸压力及主风管压力通过机车运行监控装置（LKJ）送到列尾司机控制盒，经过判断后，司机控制盒将减压信息（包括减压起始时间及减压量等），通过OCU→GSM-R网络→AN→GSM-R网络→列尾主机GSM-R数据处理模块（TCU），TCU将相关数据通过RS-422接口送到列尾主机的控制单元里，控制单元根据机车传输的减压信息通过可控电磁阀进行排风、减压，完成机车与可控列尾装置同步减压，达到列车头尾同时制动的目的。列车在行驶过程中，可控列尾主机占用1个CSD无线信道。

3 GSM-R系统冗余设计

机车同步操控系统由OCU、AN、GSM-R网络组成；可控列尾系统由机车部分、列尾主机、GSM-R网络组成。OCU的GSM-R信道机、控制单元、记录单元和电源部分都各自包含两套独立工作且互为热备的单元；AN节点的编组控制单元采用了A、B双机备份，与GSM-R网络中MSC之间接口板采用“1+1”备份；可控列尾主机的主控单元和GSM-R数据模块采用“1+1”热备方式；均提升了系统可靠性和可用性。因此，采用冗余的GSM-R网络设计就成了提升机车同步操控系统和可控列尾系统可靠性和可用性的关键环节。

3.1 正线线路GSM-R无线网络冗余设计

与客运专线不同的是重载线路LOCOTROL对频率资源需求量较大和可控列尾业务场强电平要求较高，满足重载频率资源和场强需求，保证各种GSM-R业务可用，也是GSM-R网络可靠性和冗余设计需要考虑的问题。

3.1.1 GSM-R网络设计电平需求

GSM-R系统设计暂行规定，机车顶部天线最小可用接收电平应为-95 dBm，由于电平值越低抗干扰能力越弱，通信质量越差，工程设计时一般考虑9～12 dB设计余量。如果有可控列尾设备，列尾主机安装在列车尾部车厢挂钩处，离地面1.5 m左右，天线增益0 dBi，当列车靠近GSM-R基站行驶时，受车厢（金属材质）的阻挡造成衰减约3～5 dB。因此，有LOCOTROL+可控列尾业务的GSM-R网络设计最小可用接收电平至少大于-81 dB。

3.1.2 GSM-R频率资源需求

1）区间GSM-R频率资源需求

2万 t列车需要3个无线信道（同步操控2、列尾1），双向会车时则需要6个无线信道，因此2.7 km（2万 t列车长度）范围内单基站覆盖至少需要11个业务信道（6个CSD信道+1个固定GPRS信道+3个动态GPRS信道+1个语音信道）。如果出现事故，双向列车均只隔1个闭塞分区（2 km估算）紧密追踪，则7.4 km范围（2列万吨+1个闭塞分区）内有4列车，需要17个业务信道（12个CSD信道+1个固定GPRS信道+3动态GPRS信道+1语音信道），考虑其他语音用户，所需信道数更多，因此至少需要3个频点资源。

2）车站GSM-R频率资源需求

车站至少有2条正线和2条到发线（上下行），正常情况下正线不停车，到发线可停靠2列2万 t列车，则LODOTROL+可控列尾需要3个CSD信道资源。车站GSM-R信道总需求：N条到发线×[3个CSD信道（LODOTROL+可控列尾）+1个语音信道]+1个GPRS信道+其他业务信道需求。如果车站有4条到发线，则需要16个CSD信道（LODOTROL+可控列尾）+1个GPRS信道+其他业务信道需求。因此，车站2.7 km范围内至少需要3个频点才能满足需要。

3.1.3 正线GSM-R无线网络冗余设计

合理的GSM-R网络冗余设计是重载列车电平、频率资源需求及运行稳定和可靠的前提。目前GSM-R网络设计主要采用单网交织和同址双网的覆盖方式。

1）同址双网

同址双网采用同站点A、B网组网，采用了双BSC/PCU和TRAU冗余组网设计，提高了无线网络的可靠性。受到同频、邻频干扰和载波间隔的限制，用7频组、8频组无法进行频率规划，只能采用6频组进行频率规划（区间A网基站2个载频、B网基站1个载频），频率复用度非常高，极易造成同频或邻频干扰。因此，要求基站间距不能太过密集，应尽量拉大基站间距，这与机车顶部天线接收处天线接收电平要求较高相矛盾。根据链路预算，要满足-81 dB电平要求和双向紧急追踪频率资源需求，天线挂高40 m时，基站间距不宜超过5.5 km。

2）单网交织

单网交织间距基站约3 km，区间电平能够达到-65～70 dB,能更好克服车体阻挡对可控列尾的影响。区间基站按照2载频设计，则最大可通过8频组进行频率规划，频率复用度降低，出现邻频和同频干扰的机率降低。单个基站覆盖范围内有6个频点可用，能满足局部紧密追踪时突发大容量频率资源的需求。基站间距较密，易引起越区覆盖，应控制天线挂高和覆盖范围。单网交织的弱点在单个BSC/TRAU/PCU，当BSC故障时GSM-R网络不可用，因此BSC的主控版、电源板均采用“1+1”热备。另外业务接口板采取相应的措施提高可靠性：措施1是Abis、Ater和A接口板等业务接口板采用“1+1”热备方式冗余设计进行配置；措施2是将基站环形组网的环头环尾接至BSC的不同Abis接口板上，TRAU的A接口板上的端口接在MSC侧的不同A接口板上。

综合比较，单网交织更适应重载线路LOCOTROL和可控列尾业务的需要。

3.2 大型货运编组站GSM-R无线网络冗余设计

大型货运编组站容量需求较大、频率规划复杂，是工程设计中的重点和难点。枢纽编组站的覆盖方案在不断的研究和探讨，随着新技术、新产品的出现，无线覆盖手段越来越丰富，其中以分布式基站最为明显。分布式基站是一种广泛应用于3G的技术，近年在GSM-R系统中也在逐渐推广和使用。分布式基站摒弃了传统模式，将基站基带和射频部分分离，并通过光纤将射频部分拉远，扩大基站覆盖范围。以1个编组站为例，用户集中在两端2～3 km范围内，编组站两端7.5 km范围内覆盖解决方案如图3所示。

在15 km范围内设置3套宏基站，设置6套RRU（设置成共小区）和2套BBU（主备用）。RRU之间、RRU与编组站基站之间、RRU与两端基站之间均采用交织覆盖方式，避免了单点故障出现覆盖真空。采用了类似于“中区制”方式，实现编组站大容量需求（编组站中心基站最大有6个频点）及枢纽车站和线路资源共享；采用BBU+RRU共小区和冗余覆盖方式，既扩大了覆盖区域，减小同频复用因子，又实现了冗余覆盖，提高了网络可靠性。

3.3 MSC冗余备份设计

MSC是GSM-R网络的核心，冗余备份设计是提高GSM-R网络整体可靠性的关键环节。目前，不同厂家的MSC还不能相互冗余备份，可采用MSC pool技术和双归属技术两种方案。

3.3.1 MSC pool技术

MSC pool（MSC池）的技术是在3GPP R5版中引入的，其概念同时适用于GSM R99网络，具体是指，多个MSC组成一个资源池，每个MSC同等地管辖区内所有BSC，每个BSC与池内每个MSC都相连（采用A-Flex功能后一个BSC可以接入多个MSC）。一旦某一MSC发生不可用（线缆断开、MSC故障、MSC升级等）时，BSC可将其信令和业务转至MSC池中的其他MSC上，从而实现多个MSC间的业务备份。

铁路GSM-R网络如果采用MSC pool技术，由于进行属地化管理，每个路局的MSC只能管辖本路局范围内移动用户，不能管理其他路局的用户，故彼此之间不能组成一个池。只能选择一个独立MSC，与各个路局MSC分别组成池，以实现MSC的冗余备份，实际组网时有“1+1”备份方式和“N+1”备份方式，如图4所示。

3.3.2 双归属技术

双归属是软交换架构下采用的一种MSC冗余备份技术，即为主用MSC server设置一套备用MSC server，同一个媒体网关（MGW）归属于两个MSC server，正常运行情况下，MGW只注册到主用MSC server上，而当该MSC server发生故障时，MGW可注册到备用MSC server上，继续为此MGW下管理的用户提供业务。

铁路GSM-R网络采用双归属技术实现MSC备份时，有两种方式，“1+1”备份方式和“N+1”备份方式，如图5所示。

两种技术冗余备份方式均可行，采用何种备份方式主要取决于工程投资规模和网络现状。