特殊CTCS-3级区段GSM-R方案设计与优化

2011-12-31刘立海刘建宇

铁路技术创新 2011年2期

■ 刘立海刘建宇

GSM-R网络是我国铁路综合无线通信平台，为铁路提供无线、有线相统一的调度通信、区间无线通话等语音通信业务及调度命令无线传送、无线车次号校核等通用分组无线服务业务（GPRS），为CTCS-3级列控系统（简称C3）提供电路域数据传输等业务。随着我国铁路建设的发展，GSM-R无线网络已经呈现网状格局，网络化、区域化越来越明显，形成了一些特殊的C3区段，如引入枢纽的C3线路、C3线路与非C3线路并行或共线、枢纽内开通C3的联络线、预留升级至C3的区段等。在这些特殊C3区段内GSM-R系统设计及实施存在一些问题。下面将对其中一些主要问题如覆盖方案、干扰、频率资源分配、接口监测、土建及配套预留等进行研究，提出解决方案与建议。

1 特殊C3区段GSM-R方案设计

1.1 特殊C3区段的形成

（1）新建C3线路引入既有大型车站和枢纽。新建铁路与既有枢纽内各线路速度等级、列控方式可能不同。

（2）新建C3线路沿既有铁路并行、或相近并行、或跨越、或岔行。

（3）低速C3线路，特别是曲线半径小按C3方式运行的低速联络线。

（4）时速250 km的CTCS-2级列控（简称C2）线路升级至时速350 km的C3线路，或按C2标准开通、预留C3的线路。

（5）C3线路在既有C2线路上延伸。

将以上区段称为特殊C3区段，这些区段有个共同特点，均需要建设GSM-R网络并承载C3列控信息无线传送业务。

1.2 GSM-R方案设计遇到的问题

1.2.1 覆盖方案选择困难

覆盖方案是选择加密基站实现单网交织，还是在原站址增加基站实现同址双覆盖，需要进行选择。在特殊C3区段，通常存在既有的450 M Hz无线列调系统或非冗余覆盖的GSM-R系统。由于受地形限制，如弯道、城区等地形因素，通过新建和增加基站方式难以实现冗余覆盖。特

别是既有GSM-R站址位置和间距难以满足冗余覆盖的要求，可能需要迁改既有基站。

1.2.2 干扰及相互影响

在既有GSM-R网络区段附近增建C3线路时，新增基站或直放站设备将面临GSM-R网内干扰，即来自既有GSM-R网络的干扰及相互干扰。联络线一般速度较低，冗余覆盖容易造成基站过密或乒乓切换，频繁地切换可导致无差错传输指标[1]不能满足要求，可能需要调整既有网络。但由于是运营系统，既有铁路的GSM-R网络调整显得非常困难。

1.2.3 频率资源紧张

由于枢纽内各铁路相互独立运行，无线用户较多，无线通信信道需求量大。枢纽内基站较多，载频需求量大，很容易导致频率资源紧张、频率分配困难。

1.2.4 GSM-R接口监测系统数据采集范围

按照目前的标准和规范要求[2-3]，C3区段需要配备GSM-R接口监测系统，通过监测Abis接口、A接口及PRI接口的信令和数据追踪C3用户，监测网络质量，协助故障分析和定位。由于这些C3区段可能由归属于不同基站控制器（BSC）的基站覆盖，而且这些BSC可能还接入其他非C3线路的基站。在A接口信令采集上，如果不采集所有A接口的信令时隙，则可能跟踪不到用户，如果采集所有A接口信令，则代价较大。如果Ab is接口监测范围不够全面，C3用户提前呼叫时可能不能被跟踪。

1.2.5 配套系统设计

由于C3区段的GSM-R网络对传输要求较高，一般相邻或同址的2个基站不能利用同一套传输设备，不能利用同路径的光缆。在既有线增加基站时要考虑如何解决传输系统设置和既有基站的传输通道调整等问题。

如果铁路建设方案是在C2标准基础上升级或预留升级C3标准，要考虑新增基站所需的传输光缆过轨、光缆从桥梁上引下及隧道内设备安装条件等问题。

特殊C3区段还存在列车调度通信地面系统、车载系统与信号接口系统配套及一致性问题，详见文献[5]。

2 特殊C3区段GSM-R方案设计优化

2.1 无线覆盖方案

C3区段的无线覆盖方案包括无线覆盖冗余方式、站址及天线挂高选择、设备连接、设备选型等，其方案还受既有基站设置、频率资源分配、干扰容忍度等因素影响。

枢纽内的无线覆盖规划在文献[4]中进行了详细讨论，提出无线覆盖方案设计要联合进行、统筹规划、分批建设。《高速铁路设计规范》和《铁路客运专线通信技术装备标准》均有C3区段无线覆盖冗余的要求。但是低速C3线路是否需要执行这2个规范，值得商榷；若运营维护管理上有规定另当别论。另外，在枢纽内由于弯道和城区房屋阻挡，难以实现单网交织覆盖，若采用同址双基站覆盖方式比较方便，而且采用后者还可以减少这些特殊地段的征地和电力配套，能有效地控制投资。

在低速C3区段或既有C2普通单网基础上改建高速C3区段，推荐在原站址增加基站，形成双覆盖或双网。特别是既有线升级方面，由于在2个既有基站间插入一个基站，基站间距可能较密，切换次数较多，采用同址双覆盖方案比较合适。但考虑主用、备用层及用户监测跟踪，有条件时，建议此区段的基站统一接入C3区段的BSC。若难以实现，应将主要服务C3用户的基站设置为主用层，连接到C3区段的BSC。

对于沿既有线附近建设高速C3线路，有条件的还是可以尽量采用单网交织，以提高抗站址单点故障能力。

对于分叉和交越的情况，采用同址双基站方式比较合适，此方案在京沪高铁和沪宁城际高铁相关区段运用较多。

无线覆盖设备选择方面，不一定要局限于宏基站和普通直放站模式，可以选择分布式基站或数字直放站扩大小区，以克服频繁的切换和普通模拟直放站由于时延差造成的多径干扰。

此外，要控制好铁塔高度，坚持“铁塔应尽量低，高到满足覆盖即可”的原则，因为过高的天线容易与相邻线路的GSM-R基站形成相互干扰。

2.2 干扰

网内干扰将是主要的干扰类型，干扰来源于多方面。由于GSM-R系统是一个蜂窝网络，采用同频复用提高频率资源利用率，由此引入了同信道干扰（也称同频干扰）。由于枢纽内难以实现大的频率复用间隔，容易造成较大的同信道干扰。邻信道干扰（也称邻频干扰）也影响通信质量。

通过联合频率规划可以减小干扰，但不能完全避免。通过无线规划覆盖仿真可以模拟计算干扰，但不能反映干扰对C3数据传输的影响。实际中，通常将同信道干扰和邻信道干扰要求按高于GSM规范要求的参考值进行设计，增加了覆盖设计和频率规划的难度。如果要提高干扰要求指标，需要清楚这2个指标与最终通信质量之间的定量对应关系。这需要通过开展与实际环境和设备编解码一致的蒙特卡罗仿真（信道仿真、GSM调制解调仿真、编解码器仿真）进行性能估计，并通过实际测试验证获取定量对应关系。目前这方面还很少有较为权威的数据，难以给出定量结果。

干扰强度及影响需要在网络优化阶段通过测试数据来分析，特别是随着GSM-R系统数量的增加，新建线路与既有线路的GSM-R网路之间很容易相互干扰，网络优化需要有全网和面状区域的概念，而不是局限于单条铁路。频率调整是网络优化、干扰控制的一种途径，网络优化更重要的是需要调整天线的角度甚至高度。

2.3 频率分配

在特殊C3区段，覆盖方案、干扰控制与频率资源有直接关系。通常频点少，期望短时间内增加频点数量非常困难，因此需要从频率分配和信道利用率方面缓解矛盾。

首先，考虑C2线路区间，在一个基站下通常最多只有两列车，用户数量非常少，区间除了车次号业务和偶尔的调度命令传送外，语音通话很少。因此建议在频率紧张的区间将现有C2线路区间基站调整为单载频配置，但载频板应冗余配置。还可以考虑开通半速率业务来增加无线信道数量，从而缓解频率资源紧张的局面。

其次，枢纽内小区尽量扩大覆盖范围，利用Trunking效应，汇聚话务量，提高单个小区内的信道利用率。扩大小区可以增大频率复用因子，从而提高频率利用率。

考虑利用GPRS进行列控信息传输，以解决C3通信对信道单独占用。还可考虑利用公众移动网络提供非专用和非安全应用的语音和数据通信，降低铁路GSM-R网络的负荷。

2.4 接口监测

在特殊C3区段，部分需要利用既有C2线路基站解决覆盖问题，需要注意接口监测系统的方案设计。如果方案选择不当，容易造成C3用户不能被跟踪或用户跟踪丢失。下面通过一个简单的例子说明。新建C3线路与一段既有C2线路并行，后增加的C3线路在原C2线路的基站A1—A4间增加基站B1—B4。分别接入不同BSC的方案（有来回跨BSC切换），见图1（a）。由于C2区段一般没有接口监测系统，为了防止用户在C2线路基站发起呼叫无法跟踪识别用户，或用户切换到C2线路基站下用户跟踪丢失，需要对这些C2线路的基站也进行接口监测。Ab is接口的监测数据采集还比较容易实现，增加相关的几个基站Abis接口即可，但A接口监测数据采集比较麻烦，可能需要对BSC A下所有包含信令时隙的A接口进行监测，这样代价较大，数据处理量很大。因此这些区段通常需要调整为图1（b）的方案，该方案可避免接口监测用户跟踪数据丢失及频繁的跨BSC切换。

当C3线路接入原设计为C2模式控车的车站，并且按C3模式进出站，或既有C2区段改为C3区段时，也存在此类问题。采用图1（b）方案的前提是两条线的基站属于同一供应商的设备，否则直接改换基站连接BSC的方案不可行。这时有以下几种方案：

（1）将几个与C2线路有关的基站更换为与C3线路相同类型的基站；

（2）增加监测BSC A的A接口信令和相关Ab is接口；

（3）将此区段调整为同址双网或同址双覆盖，尽量将C3线路的基站调整为主用层，仅监测BSC B下的基站；少量进入BSC A的用户，通过PRI接口跟踪，待用户回到BSC B下后，通过时间戳或其他方式进行模糊查询确定用户。

2.5 预留C3条件下的传输、土建预留

由于建设成本及客流量等原因，部分线路可能在建设初期按最高速度250 km/h的C2线路开通，站前不易改造的基础设施按预留350 km/h开通C3的方案设计。在此情况下，初期列车控制采用C2模式。对于通信系统，区间不用考虑GSM-R无线信号冗余覆盖，可减少基站数量，节省建设和维护成本，减少对土地资源的占用，降低能耗。但是为了将来提速至350 km/h、升级到C3线路时通信系统及配套系统容易实施，减少废弃工程，避免过多增加投资，有2种较为可行的方案。

方案一：按同址双覆盖或双网规划，初期按单覆盖建设，将来按同址双覆盖增建。机房空间需要考虑预留增加至少1套基站、1传输设备的安装空间，如将来需要安装直放站，还要考虑近端机、远端机的安装空间，光缆可待后期使用时按分歧方式引入。隧道洞室附近预留过轨，桥梁预留锯齿孔便于双侧光缆下桥，路基地段在基站处预留过轨，便于为双基站构造不同物理路径的光传输网络。每区间站点配套电力预留约2 kW余量。

方案二：按单网交织覆盖规划，初期隔站建设，靠近车站区域以及隧道区域按交织方案建设基站、按单网方式实施直放站，直放站按具备升级为冗余直放站方案配置，将来按单网交织增加基站和直放站及铁塔等。隧道设备洞室及过轨（含电力洞室如有）、桥梁引下、路基过轨条件全部按单网交织方式预留。仅预留外电总容量，电力贯通线容量按总容量考虑，中间站点包括征地、机房、铁塔、设备、电力箱变等均不建设。

推荐使用方案二，但是投资较大。