铁路枢纽GSM-R无线覆盖方案研究

■ 赵旭 彭良勇

在铁路枢纽区段，因不同等级、不同运行速度、不同建设工期的线路均接入枢纽内大型车站，经常出现并线、交叉及穿越编组场的情况，容易出现列车机车台在不同GSM-R网络间频繁切换问题，影响GSM-R覆盖服务质量（Qo S）。为此，应针对铁路枢纽内既有GSM-R网络进行调整优化，并统筹考虑不同等级、不同运行速度、不同建设工期的线路引入，提升GSM-R覆盖QoS，满足工程需求。

1 基站切换机制

GSM-R系统用户在切换时需经历采样、判断、触发、执行、完毕5个过程。其中采样时间每次为480 m s；判断时间取决于当前接入基站的忙闲程度；触发条件是6次采样值的平均值满足切换电平；执行过程时间取决于基站的忙闲程度；完毕是GSM-R基站给列车机车台返回命令Handover Comm and Com plete，表明当前切换完成，接入新基站的无线业务信道（TCH），上一个基站的TCH业务信道释放。

据工程测试，GSM-R系统用户整个切换过程在300 m s内完成，但GSM-R基站切换是硬切换，切换过程中所有语音、数据业务将中断。为保证GSM-R无线信号20 s无故障传输，即GSM-R系统在20 s内无切换，20 s后若切换故障，用户仍能继续切入或切回可用TCH，所以工程中需满足GSM-R系统用户2次切换成功率。对列车时速为350 km的高速铁路，GSM-R基站布置间距需在2.5 km以上，以确保GSM-R无线信号20 s无故障传输。

2 铁路枢纽内既有基站分布情况

以太原铁路枢纽为例， 枢纽内无线系统采用GSM-R数字移动通信设备，且已开通的工程有石太高速铁路、太中银铁路（见图1），其无线覆盖均采用单网覆盖方式，最大基站间距为3.633 km，最小基站间距为1.94 km，（见表1）。随着城市发展，太原铁路枢纽内沿线环境发生较大变化，新修多处高层建筑，对GSM-R系统无线覆盖造成了不利影响。

3 枢纽GSM-R无线子系统方案

3.1 枢纽内铁路线位情况

枢纽地区线路主要有“人”字形交叉与“十”字形交叉2种，交叉的不同线路GSM-R基站可能连接自不同的M SC或BSC，甚至有可能属于不同调度台。在太原铁路枢纽中，石太高速铁路属于北京客专调度所，大西高速铁路属于西安客专调度所；两条线路在太原北以上区间呈“人”字形交叉，导致从太原枢纽驶出到石太、大西高速铁路的列车机车台原本应该向本线的GSM-R基站通信，却连到对方基站，造成调度命令、车次号无法交互，威胁行车安全。

当枢纽线路为“十”字形交叉时，驶入相交点的列车机车台会接入信号较强的基站，而非其本线基站，这样也会出现线路的接入错误，影响行车安全。

3.2 既有GSM-R无线子系统方案调整

为防止列车机车台误连其他基站，在交叉点处将所有存在信号的基站整合成同一个基站。列车机车台驶入交叉区域，接入整合基站；驶出交叉区域后，再与行使方向的下一基站作切换，以保证列车与调度的顺利通信。

整合交叉点基站可将涉及的基站均迁改到交叉点处，该处新设一套同站址双网站型基站，接入其中某一个线路的移动交换中心（M SC）、基站控制器（BSC）中，用交叉点基站与各线以远基站做切换。若交叉点涉及的基站单网线路基站距交叉点大于2 km，交织线路基站距交叉点大于500 m，就会造成各线交叉点基站距正线基站太远，场强不能满足切换要求。而且迁改需要新建、调测、割接多条线的多个基站，可能影响本线其他车辆正常运行，方案可行性差。

若非同站址双网站型方案，可将涉及交叉点处信号的基站一起改造为分布式基站，即将基站的基带信号与频带信号分离，用基带处理单元（BBU）设备处理基带信号，用射频拉远模块（RRU）射频远端站将信号通过天线发射出去。BBU与RRU间用主备2根光纤连接，两设备光纤最远可达18 km，同一个BBU所带RRU共同实现1个完整基站功能，无论RRU被拉到多远使用，它的逻辑、频点等基站参数不变。利用分布式基站，从交叉处3或4个基站中，根据异地容灾备份原则，选取不同线路的2个点放置BBU，原各线基站所在点每处新设2套RRU，接自不同的BBU。选取其中一组BBU-RRU为主用分布式基站，其余一组备用，设置备用比主用信号低6 d Bm。当主用分布式基站发生故障时，备用基站仍能完成列车通信。RRU的输出功率为40~60 W，等同于原始基站，在不改变原始基站位置、天线挂高、机房机柜数量的前提下，可解决列车交叉区段误接入问题。具体解决方案可根据原基站位、工程要求等选取。

3.3 弱场解决方案

太原站以北地区虽然满足单网交织最低基站间距，但存在3.633 km的长距基站。交织覆盖要求在单点基站故障情况下，前后2个基站可以覆盖站区域，且保证设计场强大于92 d Bm[1]。在这个要求下，3.633 km的基站间距很难满足单点故障要求。而且，在线路两侧已经兴建了诸多高层住宅楼，势必影响基站场强交织覆盖。

解决方案是在该区段增加4处直放站远端机，其中2个在弱场区间，2个与基站同址设置，靠近基站的2个远端机主控信号均连接自本侧基站，从控信号接自对侧基站，中间2处直放站远端机做切换。为抵抗更远基站故障，将补强区间两端基站去掉直放站侧天线，保留另一侧天线（见图2）。

表1 太原铁路枢纽既有GSM-R基站设置情况

在此区段还可通过分布式基站解决弱场问题。在基站点位处设置2处BBU，在中间2处直放站中间点位选1处放置2套RRU，连接两侧BBU。RRU属于数字信号设备，对于光纤与空间波形成的色散时延可以通过时隙调整补偿，故RRU与BBU的间距只要在光纤距离范围内即可。又因RRU与BBU间通过主备2根光纤连接，在线路左右两侧各敷设一条8芯短段光缆，RRU的主备2芯各位于两侧的光缆中。

太原站以南主要有太原南、新鸣李站和动车段等站段。太原—太原南站间最短基站间距为1.94 km，但因该区段为大型客站间联络线，车辆速度等级很低，小于120 km/h，故满足20 s无切换列控系统要求。太原站以南其他基站间距最大3.382 km，最小2.5 km，存在连续2.5，2.6，2.7 km站间距。连续2.5 km左右站间距20 s无切换要求，但是要求机车台一次切换成功，否则一处切换延迟就会造成下一处切换距离缩短，增大20 s内切换的概率。

为解决上述问题，可通过基站

仿真软件对连续站距2.5 km的基站覆盖进行仿真，改变多极化天线倾角，增加或减少覆盖区域，保证切换按时进行。在实际工程中，要进行调整后的路测，保证工程的精确度。

3.4 大型客站站场覆盖

太原南站是综合大型客站，包含几十条到发线及庞大的无柱雨棚。因景观设计要求，太原南站无法将基站放置于站房综合楼通信机械室旁，而是在站外两端设置基站、铁塔、箱变，满足站场区域GSM-R信号覆盖。这样，大型钢构无柱雨棚加大了对无线场强信号的屏蔽作用。为满足雨棚下GSM-R信号实现双信号交织覆盖，在雨棚外设置直放站远端机，考虑到不影响站场景观，设置15 m独管塔覆盖雨棚下区域。雨棚下远端机接单侧基站近端机的信号，将切换区设置在雨棚与从控信号基站间，这样可以避免停靠列车在雨棚下GSM-R信号乒乓切换，降低GSM-R信号覆盖服务质量。远端机布设及连接方法见图3。

4 结束语

当铁路枢纽内既有GSM-R系统采用单网覆盖时，GSM-R系统无线覆盖调整为单网交织组网，满足20 s内无切换、单点基站故障不影响既有覆盖效果。正确连接光纤直放站主、从基站信号，合理设置GSM-R切换区，可实现信号列控系统QoS要求。研究太原铁路枢纽为满足信号列控系统QoS要求对既有GSM-R系统无线覆盖方式的调整可知，铁路枢纽GSM-R无线子系统覆盖应按照满足列控系统QoS要求进行基站布点和频率规划，条件允许时可一次建成，也可按规划分步实施，以避免后期铁路引入的影响，确保运营安全。