西成客运专线部分特殊地段GSM-R网络覆盖方案研究

2012-01-22杨玉修

铁道标准设计 2012年9期

杨玉修

(中铁第一勘察设计院集团有限公司通号处,西安 710043)

西安至成都客运专线北起陕西省西安市,设计速度目标值为250 km/h,陕西省境内线路全长343 km,桥梁占线路全长的38.3%,隧道占线路全长的55.4%。沿线公网覆盖率低,铁路通信在多数地段成为唯一通信手段；加之铁路沿线交通不便,设备维护存在一定困难。工程设计时需要对特殊地段的覆盖方案做仔细推敲,以保证沿线GSM-R移动通信系统可靠安全运行,下面就西安至成都客运专线GSM-R移动通信系统工程设计中在部分特殊地段覆盖方案做一探讨。

1 新建线路与既有线路并行一段后双绕

1.1 西成客运专线与客北环线概况

西成客运专线自西安北站引出后,与客北环线并行13 km后上跨客北环线,向西南方向延伸。客北环线GSM-R移动通信系统采用单网交织方式覆盖,与西成客运专线并行地段基站位置已固定,设置于A、B、C、D、E处(图1)。

西成客运专线正线移动通信系统采用普通单网方式覆盖,但在西安北车站14 km范围之内需要按CTCS-3级列控系统设计,在此范围之内需要采用单网交织方式覆盖。

1.2 设计思路

西成客运专线的引入既不能影响既有客北环线交织网络结构,又需要满足本线移动通信的要求。

西成客运专线与客北环线并行地段间距最大为120 m,长度约为1 km,其余12 km与客北环线间距为50 m,根据OH模型分析,西成客运专线在客北环线基站覆盖范围之内,在并行地段不新设基站。

交叉区段内要保证各基站之间信号切换位置相对固定,不出现误切换情况,须尽量将切换区远离交叉区段。西成客运专线上跨客北环线后沿西南方向延伸,其与客北环线交叉位置处最近的基站为D。

在客北环线D基站处同站址增设1套基站及1套传输设备,新增基站的优先级按低于原基站设置。铁塔上层平台增加1幅朝西成客运专线方向的定向天线,铁塔下层平台设置1幅朝西成客运专线方向的定向天线和两幅朝客北环线方向的定向天线,原基站连接上层平台的3幅天线,增设基站连接下层平台的3幅天线,基站馈线通过串接3口功率分配器与平台上的3幅定向天线相连。将西成客运专线绕开段与客北环线切换位置向分支方向移动,并相对固定。

西成客运专线第一个基站F位置选址于距D基站约5 km左右处,降低天线铁塔的高度,并调整下倾角,使覆盖范围不与C、E基站覆盖范围有重叠区域。当D基站其中的1套基站故障或1套传输设备故障,均不影响切换区的位置。西成客运专线增加的第1处F基站与C、E处基站不会发生信号切换,满足在并线及交叉区客北环线与西成客运专线GSM-R移动通信系统交织覆盖的要求,不需迁改客北环线既有的基站。

客北环线A基站和咸阳西车站基站为3载频,区间基站为2载频,沿线频率采用7小区带状复用模式,根据表1客北环线频率划分表,可将小区内富余频点1015、1018调配至D基站处新增的基站,不影响既有客北环线的频率规划。

表1 客北环线频率划分

D处基站同站址增设的1套基站归属于客北环线的基站控制器BSC,GSM-R接口监测系统在A接口信令的采集上可以采集到所有A接口的信令时隙。在路局核心网的2处BSC中只需增加客北环线D处基站与西成客运专线F处基站的临区关系,即可完成西成客运专线与客北环线发生的一次跨BSC之间切换。

西成客运专线与客北环线并线及交叉区段无线覆盖方案见图1。

图1 并线及交叉区段无线覆盖方案

2 隧道辅助坑道GSM-R覆盖方案

西成客运专线全线大于10 km隧道有7座,其中东梁山隧道长14.834 km,在该隧道的一侧出口处与正线平行修建1条辅助坑道,辅助坑道长为6.8 km,与正线水平间距为50 m,与正线隧道之间通过横通道联络。

辅助坑道在隧道建好后作为应急避难所、逃生通道,平时维修人员在非“天窗时间”通过辅助坑道进出隧道内,进行设备维护,对隧道辅助坑道内需进行GSM-R无线信号覆盖。

2.1 正线隧道内无线信号覆盖情况

正线隧道内GSM-R移动通信信号采用光纤直放站加漏泄同轴电缆方式覆盖。直放站之间的间距为2 km,为了降低直放站底噪对基站的影响,西成客运专线设计时1套基站按带4～5台直放站远端机设备考虑,基站设于隧道外,东梁山正线隧道内无线覆盖方案见图2。

图2 正线隧道内无线覆盖方案

2.2 辅助坑道内信号覆盖的设计原则

隧道辅助坑道具有特殊性,大部分时候虽没有通信业务需求,但在应急或维修时又必须能满足信号互通。出口平道内信号覆盖方案不同于正线隧道,辅助坑道内信号覆盖应满足如下设计原则：

(1)保证辅助坑道内GSM-R信号覆盖质量；

(2)最大程度降低投资；

(3)减少对正线GSM-R无线信号的干扰。

2.3 辅助坑道内无线信号覆盖方案比选

方案1：采用新设直放站和漏泄同轴电缆方式覆盖。

利用正线隧道口设置的GSM-R基站,在辅助坑道内设置光纤直放站远端机,侧壁上附挂漏泄同轴电缆。根据辅助坑道的特殊性,直放站单侧所带漏泄同轴电缆的长度根据计算确定。

直放站上下行增益可以分别调整,由于直放站噪声限制,直放站系统一般是上行受限,因此下行方向的增益可以较为灵活的调整。辅助坑道内移动台移动速度v<220 km/h,根据表2参数值对上下行做功率预算。

表2 链路预算各因子参数值

下行最大路径损耗：

Lp=直放站发射功率-直放站馈线及接头损耗-功分器损耗-移动台馈线及接头损耗-设计余量-移动台设计最小接收电平=43-2-3-2-14-(-98)=120 dB。

上行最大路径损耗：

Lp=移动台发射功率-移动台馈线及接头损耗-直放站馈线及接头损耗-功分器损耗-设计余量-直放站设计最小接收电平=39-2-2-3-14-(-102)=120 dB

上下行链路最大路径损耗相等,设计取最大路径损耗取值为120 dB。根据路径损耗值计算的直放站单方向所带漏泄同轴电缆的长度为1.6 km,辅助坑道采用直放站加漏泄电缆覆盖方式,见图3。

图3 辅助坑道采用直放站加漏泄电缆覆盖

取直放站上行增益与基站发射机至直放站的所有损耗相等,计算直放站对基站接收灵敏度的影响。

基站接收端噪声

(1)

式中，N为热噪声,N=-121dBm；Nfbts为基站噪声系数,Nfbts=2dB。

基站连接5台直放站远端机时候基站接收端的总噪声

(2)

式中，Nprep为5个直放站的上行噪声,Nprep=-121 dBm+4 dB-10+lg(5)。

由(1)、(2)式得基站灵敏度下降ΔNbts=Nptotal-基站接收端噪声=-109.5-(-119)=9.5 dB。

增加2台直放站远端机时基站接收端的总噪声

(3)

由(1)、(3)式得基站灵敏度下降ΔNbts=Nptotal-基站接收端噪声=-108.2-(-119)=10.8dB。

从计算结果得知,增加2台直放站远端机后引起基站灵敏度下降值增加1.3dB,需要对正线隧道内直放站的上行增益重新进行调整,否则将会抑制隧道口基站的接收灵敏度,缩小隧道口基站的覆盖范围。但若将正线隧道内直放站上行增益设置太小的话,又可能造成正线隧道内直放站覆盖区域的上下行不平衡,使直放站覆盖区域范围收缩,对正线隧道内信号覆盖质量产生影响。

方案2：采用新设定向天线方式覆盖。

利用正线隧道内的光纤直放站远端机,通过耦合器从远端机上耦合GSM-R信号在辅助坑道侧壁架挂定向天线,天线挂高4m,天线水平方向与隧道壁成10°夹角,下倾角为0°,天线朝辅助坑道内辐射信号。

根据表3参数值对上下行做功率预算。

表3 链路预算各因子参数值

下行最大路径损耗：

Lp=直放站发射功率-直放站馈线及接头损耗-功分器损耗+发射天线增益-移动台馈线及接头损耗-隧道内阴影衰落-汽车车体损耗-设计余量-移动台设计最小接收电平=43-4-3+10-2-12-20-14-(-98)=96 dB。

上行最大路径损耗：

Lp=移动台发射功率-移动台馈线及接头损耗-直放站馈线及接头损耗-功分器损耗+接收天线增益-隧道内阴影衰落-汽车车体损耗-设计余量-直放站设计最小接收电平=39-2-4-3+10-12-20-14-(-102)=96 dB

上下行链路损耗值相等,取最大路径损耗值为96 dB。

电磁波在隧道中传播时,具有隧道效应,信号传播是墙壁反射与直射的结果,直射为主要分量,电磁波主要是以主模的形式传播。西成客运专线线路最小曲线半径为7 000 m,选取GSM-R无线信号隧道内传播模型为[5]

(4)

式中，PL为路径损耗；f为信号频率值930 MHz；d为天线至移动台的距离。

通过(4)式计算可得隧道内定向天线覆盖距离为1 127 m,考虑正线隧道内直放站的间距、辅助坑道的尺寸、侧壁的结构和导电率影响,辅助坑道内天线的单方向覆盖长度取值为1 000 m,辅助坑道采用定向天线覆盖方式，见图4。

以上2方案均可满足辅助坑道内无线信号覆盖要求,方案1在辅助坑道内的信号覆盖质量高,但对隧道外基站有一定程度的影响,需要对正线隧道内直放站的上行增益进行调整,电力专业需配套设置辅助坑道内直放站供电电源,隧道专业需预埋通信线缆过轨管线,投资增加较高,后期维护工作量大。方案2实施简便,对正线隧道内信号覆盖干扰小,后期维护工作量少,方案性价比较高。