铁路大型站房GSM-R室内覆盖系统设计研究

■ 赵留俊 江凌翔

1 概述

随着我国高速铁路的快速建设，铁路大型枢纽一般会新建或扩建适合高铁运营需要的客运站房。这些站房规模都比较大，建筑质量也比较高。由于新建站房普遍采用钢筋框架结构和新型墙体材料，对无线电波有较强的屏蔽和吸收效果，造成GSM-R信号在传输过程中产生较大的衰耗，在站房内及站房地下建筑物（地下中转大厅、出站通道等）内形成了无线通信的盲区和阴影区，导致这些区域出现单向通话或通话时断时续，甚至不在服务区的现象，影响了车站值班员和维修人员的正常使用，在一定程度上危害铁路运营安全。因此需要在大型站房设计GSM-R室内覆盖系统，解决站房内的覆盖和通话问题。

我国GSM-R网络只有4 MHz频率，共19个频点，而大型车站所在的枢纽地区话务量较大，GSM-R频率资源紧缺严重制约这些区域的系统容量，给枢纽地区的频率规划带来极大的困难。因此需要确定合理的大型站房室内覆盖方案，提高频率资源的使用效率。

目前一般在面积大于1万m2的站房新设GSM-R室内覆盖系统。

2 GSM-R室内覆盖系统方案

铁路大型站房GSM-R室内覆盖系统由信号源和信号分布系统两部分组成，根据信号源的不同，主要有以下3个设计方案。

2.1 微蜂窝有线接入（方案1）

室内新建微蜂窝基站作为信号源（见图1）。根据站房的面积和结构，该方案需要配置一定数量的光纤直放站近端机和远端机。

方案1的优点：微蜂窝基站能分担室外宏蜂窝覆盖基站的话务量，增加网络容量，且对室外宏蜂窝基站干扰小。其缺点是要为微蜂窝基站配置相应的传输和电源系统，解决基站至交换机间的传输通道，投资比较大。另外，在车站进出口处需做宏蜂窝和微蜂窝的切换，网络优化指标要求较高。

2.2 宏蜂窝无线接入（方案2）

在室外基站容量富余的情况下，室内新建射频直放系统，通过施主天线接收室外宏蜂窝大站射频信号，经放大后转发至室内天线阵，覆盖室内弱场区（见图2）。

方案2对室外基站影响小，不需要专用的传输通道引入，但是通过空中接口接收室外大站信号，信源不稳定，易受干扰，可靠性低，因此目前铁路站房的室内覆盖基本不采用此方式。

图1 微蜂窝有线接入方案

图2 宏蜂窝无线接入方案

2.3 宏蜂窝有线接入（方案3）

在室外基站容量富余的情况下，在基站所在处设置光纤直放站近端机，在站房内的通信机械室或弱电设备间设置一定数量的光纤直放站远端机，由此将室外信号引入室内的覆盖盲区（见图3）。

方案3成本较方案1低，施工方便，避免了室内覆盖与站场覆盖小区切换带来的影响，缺点是光纤直放站会降低基站的接收灵敏度，减小基站的覆盖范围。

目前，全路已GSM-R做室内覆盖的站房都采用方案1或方案3。

3 信号源设计

方案1和方案3的主要区别在于信号源不同，即新设基站与正线共用基站。信号源的选择应该从站房室内用户的业务量推算出相关的信道需求，进而决定是否新设基站。

室内覆盖系统的用户主要有：车站值班员、运营管理人员、通信检修人员、信号检修人员和供电、电力检修人员等。根据目前铁路局GSM-R网络数据维护报表分析可知，一个省会、直辖市或路局所在地的大型站房约有50个用户，具体分类见表1。

3.1 新设基站信道需求

站房室内GSM-R覆盖系统新设基站专门给站房室内用户使用，车站停靠的列车及其用户使用正线的基站。为避免列车、用户误切换，正线基站与室内覆盖基站只做单向切换关系，即室内用户可以切换到正线基站，室外用户不能从正线基站切换到室内覆盖的基站。新设室内覆盖基站的载频配置应根据站房话务量需求确定。

《GSM-R数字移动通信系统工程设计暂行规定》对车站地区移动用户忙时话务量规定见表2。

根据表2推算出站房室内用户忙时话务总量为：

根据《GSM-R数字移动通信系统工程设计暂行规定》，GSM-R无线信道呼损应不大于0.5%。查爱尔兰B表可知，站房室内覆盖系统新设基站时需要有12个业务信道。2载频基站能提供15个业务信道、1个控制信道，即站房室内覆盖系统新设2载频基站才可满足室内用户业务需求。

车站室外用户的忙时话务量需要根据车站的大小规模而定。设铁路大型车站忙时有8列列车停靠，2列列车通过。

车站通过列车忙时话务量为：

图3 宏蜂窝有线接入方案

表1 大型站房移动用户数量统计分类

表2 车站地区移动用户忙时话务量

车站停靠列车忙时话务量为：

车站室外用户的忙时话务总量为：

设呼损率为0.5%，查爱尔兰B表可知，车站室外用户语音业务需要有12个业务信道。

对于CTCS-3级列控业务，设同一时间在车站内有10列CTCS-3级列控系统的列车与地面RBC通信，则需要10个业务信道。

车站室外用户共需要22个业务信道，再加上1个控制信道，1个GPRS信道，则覆盖车站的室外基站至少应配置3载频。

3.2 共用基站信道需求

站房室内覆盖系统与正线共用基站时，车站的忙时话务总量为室内覆盖用户忙时话务量加上车站停靠、通过列车及其用户的忙时话务量。

根据2.1节的分析，在同样的设定条件下，共用基站时车站的忙时话务总量为：

设呼损率为0.5%，查爱尔兰B表可知，站房室内覆盖系统与正线共用基站时语音业务需要有19个业务信道。对于CTCS-3级列控业务，也需要10个业务信道。

以上29个信道，再加上2个控制信道和1个GPRS信道，共计需要32个信道。即站房室内覆盖系统与正线共用基站时，共用基站应为4载频。

以上分析仅对较大型站房粗略估算，在实际设计中，应根据车站的实际情况和规模，合理估算站房室内覆盖和车站站场通信的信道需求，进而明确共用基站的载频配置。

3.3 方案对比及建议

室内覆盖新设基站时，室内用户和室外用户共需要5个载频，频率使用率低，也增加了频率规划的难度。为了保证新设基站尽可能吸收话务，同时保证小区边界通话的连续性，必须设置好小区重选和切换参数，以避免停靠和通过列车误切换和重选。做系统设计时，应严格控制室内覆盖基站的信号强度，避免对正线其他基站形成干扰。新设基站需要相应的传输系统，因此投资也较高。

室内覆盖与正线共用基站需要4个载频，频率利用率较新设基站高，基站也无需特殊的参数设置，室内信号泄露不会对其他基站造成影响，投资也比较低。缺点是站房内用户较多时会占用外部站场的业务信道，导致站场话务拥塞率提高，降低了调度通信的可靠性。

从频率利用率、基站设置、频率规划和投资方面对2个方案的对比分析见表3。

根据以上分析，建议室内覆盖系统与正线共用基站。但需要说明的是，因为枢纽地区情况复杂，有的枢纽地区两个大型车站相距较近，如沈阳站和沈阳北站仅相距3.8 km，这2个站之间还有皇姑屯站，GSM-R有限的频率资源根本不能满足3个车站各4载频的规划，还需要考虑新设室内覆盖基站的方案。

4 信号分布系统设计

信号分布系统的设计主要是选择合适的馈线、耦合器、功分器和天线，使得GSM-R信号覆盖站房内部尽可能多的地方，同时天线的功率要满足国家《电磁辐射防护规定》（GB 8702—1988）和《环境电磁卫生标准》（GB 9175—1988）的要求。

以共用基站为例，信号分布系统的设计以信号源所处位置为中心，应先找通信机械室或弱电设备间，确定每个直放站远端机的位置及覆盖区域。再分别对每个远端机覆盖区域的实际情况确定天线的布放位置和类型，根据覆盖距离估算单个天线需要的入口功率，确定天线的布放和馈线的路由，计算该区域的总功率要求，确定系统的结构。整个方案以最少的天线数目、最少的有源器件达到最佳的覆盖效果为目的。同时应考虑到特殊区域的特殊覆盖方式，如高架候车厅顶棚不能安装天线，要考虑选择壁挂天线或美化天线等。

4.1 理论分析

根据ITU-R P.138室内覆盖模型和Keenan-Motley室内传播模型，结合工程设计和测试经验，在铁路大型站房可以使用以下模型来预测天线的覆盖范围。

式中：f为频率，MHz；n为室内路径损耗因子，取值为3.14；d为移动台到天线的距离，m；Lf为穿过一面墙的损耗；x为隔墙的数量，根据经验，GSM-R网络的信号穿过一层普通砖墙约损耗8～10 dB，穿过钢筋承重墙约损耗15～25 dB；Xδ为慢衰落余量，取值与覆盖概率要求和室内慢衰落标准差有关，一般取6 dB。

表3 信号源选择方案对比

根据公式（5），可以计算出，设一个吸顶全向天线出口功率为10 dBm时，相隔一道普通墙，离天线15 m的地方，无线信号边缘场强为：

4.2 馈线选型

馈线的选型根据最后各个天线入口功率而定。建议主干路馈线先采用1/2馈线（每百米损耗7.3 dB）设计，若最后天线入口功率不能满足覆盖的要求，再考虑将主干路馈线部分或全部换为7/8（每百米损耗4.5 dB）馈线，7/8馈线主要用于长距离信号传输。室内覆盖系统在站房大部分区域与铁路信息专业合用槽道，只有在无信息槽道时才专门布设走线槽。

4.3 漏泄同轴电缆

漏泄同轴电缆可有效减小信号阴影及遮挡，且信号波动范围小。在一些狭长覆盖区域，如地下通道，可采取漏泄同轴电缆进行覆盖。需要说明的是，漏泄同轴电缆的成本较高，同时挂在地下通道的墙壁上也破坏了站房的整体环境，而顶棚能否挂设也受房建和施工的影响，所以实际设计中大型站房室内覆盖使用漏泄同轴电缆的情况较少。

4.4 天线选型

天线是室内覆盖系统最后的环节，选用的天线是否合适直接影响无线信号的覆盖质量及站房整体环境。大型站房室内覆盖系统最常用的天线是全向吸顶天线，主要用于站房内办公区域覆盖。其次是定向吸顶天线，主要用于解决狭长通道或电梯间的覆盖问题。

根据公网室内覆盖经验，对于一些不具备吊挂吸顶天线的地方要考虑安装壁挂天线。室内壁挂天线主要用于室内防信号外泄；八木天线、对数周期天线主要用于电梯内覆盖。

对于新设基站的室内覆盖系统，一般在站房入口处布设天线，以保证室内覆盖系统的基站与室外基站正常切换，控制切换区域，同时防止信号泄漏到室外，造成干扰。

随着人们对电磁辐射的关注，在铁路站房旅客较多的候车厅、售票厅和出站通道等地方也需要考虑布设美化天线，或者与房建专业协调做一些伪装的设备来遮挡天线，提高旅客和铁路用户的满意度。

5 需要进一步研究的方案

GSM-R网络4 MHz的频率资源制约了枢纽地区的频率规划。对于枢纽车站站房的室内覆盖系统来说，有2个解决频率资源不足问题的方案值得研究。（1）新设室内覆盖基站时，在部分枢纽地区，可以将室内覆盖基站的频率设为与正线某小区的频率相同或相邻，但该小区必须要与车站相隔至少2个小区，同时要防止室内覆盖的信号泄露对对正线基站造成干扰。（2）当室内覆盖与正线共用基站时，是否可以设定CTCS-3级列控系统的呼叫为高优先级，这样在频率资源被占满的情况下，CTCS-3级列控系统列车可以强拆低优先级的呼叫，保证列车的安全运营。

6 结束语

随着当前我国高速铁路的大面积建设，需要做室内覆盖的大型站房将会越来越多。室内覆盖系统设计方案是否合理在一定程度上影响铁路的安全运营，尤其对于要求高安全性和高可靠性的铁路通信网络更是如此。铁路大型站房所处的枢纽区域环境复杂，应根据站房所处的环境，因地制宜地设计合理的室内覆盖系统方案，以达到既能覆盖站房内部关键区域又不影响正线行车的目的。

[1] 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

[2] 铁建设［2007］92号 GSM-R数字移动通信系统工程设计暂行规定[S]

[3] 华为技术有限公司. 室内覆盖设计技术，2009

[4] 马君. 铁路客运专线GSM-R室内覆盖系统的设计应用[J]. 中国铁路，2009(7)

[5] 林诚. 浅谈铁路GSM-R中的室内覆盖系统[J]. 铁道勘测与设计，2005(4)