集包四线特殊地段无线覆盖研究

吴 静

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

集包四线特殊地段无线覆盖研究

吴 静

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

研究集包四线工程中线路并站、并线及接入等特殊地段对无线设计的影响情况。分析与京包线既有车站并站通信模式选择，与包西线三角地带建设标准及BSC切换选择、与京包线线路接入小区选择等无线覆盖问题，提出切实可行的解决方案。工程的实施可为GSM-R系统的安全性及可靠性提供切实的保障，为类似工程的无线通信系统的设计、建设和使用参考借鉴。

铁路通信;无线覆盖;通信模式;切换;可靠性

在铁路建设中，因不同等级、不同运行速度、不同建设工期的线路相互会出现并站、并线及接入的情况，必然导致列车机车电台在不同GSM-R网络间及不同无线通信模式间频繁切换问题，影响无线网络服务质量及行车安全。为此，针对特殊地段的无线覆盖进行调整优化，提升无线网络覆盖质量，满足工程需求。

1 工程概况

集宁至包头增建四线(简称集包四线)工程位于我国华北地区的内蒙古自治区西部，属京包通道西段，本项目基本沿京包线平行布设。东起内蒙古自治区乌兰察布市，西至内蒙古自治区包头市，途经自治区首府呼和浩特市及卓资县、土默特左旗、土默特右旗等旗(县)。全线均位于呼和铁路局管内，集宁南站至包头站增建四线全长303.108 km。

全线开行设置古营盘、集宁南、葫芦、卓资东、旗下营东、陶卜齐、白塔、呼和浩特东、呼和浩特、呼和浩特西、台阁牧、察素齐、三卜素、萨拉齐、南园村、包头东、包头、包头西等18个车站。集包四线工程与既有京包线集宁至包头段(简称京包线)、包西线出现并站、并线及接入等情况。集包四线车站及线路示意见图1。

2 系统设计

2.1 系统组成

图1 集包四线车站及线路示意

集包四线采用900 MHz频段GSM-R数字移动通信系统。移动交换控制利用呼和浩特新设核心网交换机(MSC);基站子系统采用单网覆盖方式，在呼和浩特通信站设置基站控制器(BSC)，负责管辖设计区段内的基站(BTS);按照车站分布和场强覆盖需要在铁路沿线设置BTS，构成链状通信网，基站通过传输系统提供的2M环通道接入基站控制器;各个车站基站按3载频配置，区间基站按2载频配置。根据全线运营维护需要配置GSM-R通用手持台(GPH)、作业手持台(OPH)、汽车台等各类移动终端。隧道、路堑等区间弱场采用光纤直放站结合漏泄同轴电缆方式解决。

为了方便维护和管理，在相应的检修机构设置无线子系统网管(OMC-R)及光纤直放站网管(OMC-T)及其远程网络管理终端。

2.2 设计标准

根据不同的速度目标值，铁路对GSM-R网络无线覆盖和性能指标要求各不相同。集包四线场强覆盖设计标准:在95%的时间和地点概率下，机车顶部接收天线处的最小接收电平不小于-98 dBm［1］。

2.3 系统业务

GSM-R系统除提供其所具备的各类电信业务(话音业务、数据业务、与呼叫相关的业务)外，并通过组呼叫、广播呼叫、多优先级强占及强拆、功能寻址、基于位置的寻址、紧急呼叫等功能为铁路提供特定业务:调度通信、区间公务移动通信、应急通信、无线车次号校核信息、调度命令信息传送等［2］。

3 特殊地段的无线覆盖

3.1 与京包线并站无线覆盖

集包四线新设车站与京包线既有车站并站设置，线路示意见图2。行车调度要求在集包四线运行的机车可以驶入京包线既有车站(车站内有交叉渡线)，并能在京包线上运行;在京包线运行的机车可以通过并站车站驶入集包四线上运行。这样在并站车站内形成GSM-R数字移动通信系统与450 MHz模拟无线列调系统2种无线通信模式并存的情况，而且2种通信模式的站内覆盖都是相同的。

3.1.1 并站的通信模式及存在问题

无线列调通信模式系统主要由无线列调调度台、无线列调车站电台、机车电台(通用式)、便携台、车次号解码器、车站转接器、调度命令车站转接器等组成。车站电台、机车电台、便携台之间的通信采用无线方式;调度台、机车电台之间的通信采用有线、无线相结合的方式，调度台至车站电台的有线通道由数字电路或四线制音频话路构成。可提供话音、车次号校核信息、调度命令无线传送等业务［3］。

图2 集包四线与京包线并站线路平面示意

GSM-R通信模式如3.1所述。固定用户接入交换机(FAS)、机车电台(CIR)、便携台之间的通信采用无线方式。MSC完成交换控制;BSC完成呼叫建立及无线资源管理;BTS完成无线信道与有线信道的转换［4］。

2种通信模式实现方式差异很大，如果需要满足行车调度要求，无线覆盖设计中将存在以下问题。

(1)设备问题

①机车电台的配置

装配450 MHz无线列调机车电台的机车仅能在无线列调线路上行驶;装配CIR的机车则支持2种无线通信模式，但是在同一时刻仅能工作在一种通信模式下，模式选择可以自动或手动切换［5］。

②车地设备的同步配置

车站设备与机车设备必须选择同一种无线通信模式，否则，会造成通信不通或信息丢失，存在安全隐患。

(2)运营管理问题

两种无线通信模式的并存，司机进站前存在通信模式选择和切换的困惑，难以控制切换点，车地无线通信使用存在一定的混乱，影响行车安全。

3.1.2 并站的通信模式选择

集包四线与京包线实现跨线机车的行驶要求，必须在机车上配置支持2种无线通信模式的CIR电台。在此前提下，提出以下并站时无线通信的解决方案。

(1)同时使用规定模式的设备

并站时通常要接2种模式的列车进来，两线车站值班员和助理值班员需要同时使用规定模式的车站设备及手持台。

①采用互设无线列调车站电台的方式

在集包四线车站上设置无线列调车站电台、车次号解码器、调度命令车站转接器，通过有线方式接入既有京包线调度。在车站进站信号机前设置无线列调切换标志，无论从哪条线行驶的机车都可以按照无线列调的方式无障碍地进入任意并站车站，并通过。

②采用互设车站FAS的方式

在京包线车站上设置 FAS，通过有线方式接入集包四线调度。在车站进站信号机前设置GSM-R网络切换标志，无论从哪条线行驶的机车都可以按照GSM-R网络无障碍地进入任意并站车站，并通过。

(2)采用规定的运营管理方式

在运营管理方式中规定，机车驶入车站前，呼叫本线(集包四线/京包线)值班员，无线通信模式不变，顺利驶入本线车站;在驶离车站时，机车司机通过 CIR电台从本线车站值班员获知的调度命令信息后，根据情况判断是否需要切换通信模式，进入另一条线路。

3.1.3 并站的通信模式比较

2种方式都可以满足行车调度的需要，不会让机车司机产生通信上的不便，但是前种方式需要配置新设备，增加部分投资，并且在切换点需要人工设置的警示标志，警示标志的设置还存在安全隐患(夜间行车);后一种方式仅仅在运营管理方式上的规定，实现简单方便。集包四线与京包线都采用第2种方式解决并站时的无线通信问题，实现跨线机车的行驶要求，提高了行车的安全性。

3.2 与包西线的三角地带无线覆盖

既有包西线正线接入包头车站，联络线接入包头西车站，集包四线与包西线在包头、包头西、包头南车站形成三角地带，线路平面及基站布置示意见图3。

图3 与包西线的三角地带线路平面及基站布置示意

既有包西线在包头南、K4+375、包头西机务段设置2载频基站，在包头站设置3载频基站，接入东胜西BSC。为不影响集包四线的GSM-R系统连续覆盖，在包头站、包头西六场设置3载频基站，在DK19+160设置2载频基站，关闭既有包头站基站(与本线基站不兼容)，机务段既有基站当做库检基站使用，接入呼和浩特BSC。

3.2.1 三角地带存在问题

(1)建设标准不统一

集包四线与包西线对GSM-R系统无线覆盖和性能指标要求不同:集包四线无线覆盖和性能指标如3.2所述;包西线无线覆盖和性能指标最小接收电平不小于-95 dBm。

(2)网络优化困难

DK19+160基站与K4+375基站相距不到2 km，两相邻小区的重叠区域过大，机车通过此处三角地带时，会造成了移动台在此区域频繁地进行小区重选或乒乓切换问题［6］。

(3)存在BSC间的切换

集包四线与包西线的基站由不同的BSC控制，BSC间的切换故障一般比BSC内部切换故障多，原因如下。

①BSC间的切换比BSC内部切换要求时间长，移动台会在同一个小区占用更长的时间。对于行驶中的列车而言，正在服务的小区信号可能下降得非常快，这样移动台在服务小区上耗费的时间将会缩短，BSC间呼叫掉线的风险将会加大。

②切换指令与切换完成之间发生呼叫掉线(切换导致的呼叫掉线)。BSC间切换导致的呼叫掉线比BSC内部切换导致的呼叫掉线故障率要高。

3.2.2 三角地带解决方案

(1)统一建设标准

在网络优化时，集包四线与包西线三角地带无线设计需统一建设标准，采用就高不就低的原则［7］，即包西线的建设标准。

(2)杜绝乒乓切换，减小BSC间的切换次数

①单网覆盖

在集包四线上DK19+160处按单网覆盖方式设置1套基站(O3)，并面向包头南方向增加1副天线，取消包西线上K4+375处基站，基站接入呼和浩特BSC。但是，DK19+160基站距离包头南约7 km，其覆盖和切换难于保证。为满足切换要求需要增加DK19+160铁塔高度。

②光纤直放站覆盖

与单网覆盖方式一样，在DK19+160处设置1套基站(O3)，用光纤直放站远端机代替包西线上 K4+375处基站，并接入DK19+160处直放站近端机。但是，K4+375基站距离包头南约5 km，光纤直放站发射功率为5 W，覆盖距离有限，切换难于保证。为满足切换要求需要在K4+375与包头南间增加1处光纤直放站远端机接入DK19+160处直放站近端机，满足切换要求［8-10］。

③分布式基站覆盖

采用分布式基站基带部分+射频拉远部分(BBU+RRU)共小区覆盖方式。在DK19+160、K4+375处分别设置1套3载频 RRU。在 DK19+160设置 1套BBU，BBU接入呼和浩特 BSC。RRU发射功率为30W，其覆盖效果优于直放站，其覆盖和切换可以保证［11］。

3种解决方案都能有效避免频繁小区重选或乒乓切换问题。在网络优化时，可根据工程难易及投资大小进行选择。

3.3 与京包线线路接入点无线覆盖

集包四线客车利用既有京包线，途径集宁南至古营盘，货车直接通过集包外绕线(集宁隧道)至古营盘，集包四线与京包线分别有2处接入点。在葫芦、集宁南、古营盘分别设置 3载频基站，DK494+660、DK500+800、K501+200分别设置2载频基站，线路平面及基站布置示意见图4。

图4 与京包线接入线路平面及基站布置示意

3.3.1 接入点存在问题

为了保持移动台在移动中通话的连续性以及网络的服务质量，移动台必须进行切换，工程中对越区切换进行合理设计。集包四线在工程设计中的切换位置尽量选在开阔地带，避免选在高话务区、隧道口、弯道以及有阻挡的地带［12］。

但是，集包四线与京包线接入点不远处就是集宁隧道，接入点地形开阔，若切换区(小区A/B/C或小区D/E/F)设置于两线的接入点，无法通过网络优化手段保证CIR正确地切换至目的小区，极端条件下有可能掉话，造成行车安全隐患。

3.3.2 接入点解决方案

为了确保集包四线与京包线接入点区域的的覆盖，同时保证每条线路上的CIR切换区切实落在行驶线路上，合理设置基站的覆盖区域。

(1)减小小区A和小区B基站的覆盖范围，让接入点只有小区C的信号，这样客车的切换关系为小区A与小区C切换，再切换到小区B，货车的切换关系为小区A与小区C切换;反之亦然。

(2)减小小区E和小区F基站的覆盖范围，让接入点只有小区D的信号，这样客车的切换关系为小区F与小区D切换，再切换到小区E;货车的切换关系为小区D与小区E切换;反之亦然。

接入点切换区采取不同的措施减小基站的覆盖范围:

①降低基站功率;

②在馈线与天线连接处加入衰减器或更换低增益天线，减少天线端的辐射能量;

③调整基站天线的下倾角。但必须严格控制天线下倾角的调整，其下倾角不宜大于10°;否则，下倾角设置过大，会导致波瓣变形，造成干扰。

集包四线通过以上措施，确保了切换的准确性和唯一性，提高了GSM-R网络的安全性和可靠性。

4 结语

集包四线特殊地段的的无线覆盖是关系到整个无线网络服务质量的重要部分，也是工程设计的难点所在。随着技术的不断发展及工程的大量应用，需要不断总结设计经验，探索更加完善的解决方案，保证铁路运输无线通信段安全性和可靠性。

［1］ 中华人民共和国铁道部.铁建设［2007］92号 铁路 GSM-R数字移动通信系统工程设计暂行规定［S］.北京:中国铁道出版社，2007.

［2］ 中华人民共和国铁道部工程鉴定中心.GSM-R综合数字移动通信系统设计指南［M］.北京:中国铁道出版社，2008.

［3］ 中华人民共和国铁道部.TB/T 3052—2002 列车无线调度通信系统制式及主要技术条件［S］.北京:中国铁道出版社，2002.

［4］ 钟章队，艾渤，刘秋妍，林思雨，等.铁路数字移动通信系统(GSM-R)应用基础理论［M］.北京:清华大学出版社，2009.

［5］ 刘立海.GSM-R与无线列调共存区域列车无线通信方案研究［J］.铁路通信信号工程技术，2011(2):28-36.

［6］ 刘立海，胡晓红，刘建宇，等.铁路枢纽GSM-R无线覆盖方案设计研究［J］.中国铁路，2009(12):41-44.

［7］ 胡昌桂.铁路并线区段 GSM-R系统无线覆盖方案探讨［J］.铁道勘测与设计，2010(5):132-136.

［8］ 罗文.长春枢纽特殊地段 GSM-R无线覆盖方案［J］.中国铁路，2011(12):46-48.

［9］ 沈吟.合蚌客运专线特殊区段 GSM-R方案研究与探讨［J］.铁道标准设计，2011(8):108-110.

［10］杨玉修.西成客运专线部分特殊地段GSM-R网络覆盖方案研究［J］.铁道标准设计，2012(9):106-109.

［11］梁延峰.RRU基本原理及应用分析［J］.电信工程技术与标准化，2007(3):51-59.

［12］ 吴静.普速铁路 GSM-R可靠性设计探讨［J］.中国铁路，2012(8):57-60.

Research on Wireless Coverage in Special Area of Jining-Baotou Railway Line 4

WU Jing
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.，Xi'an 710043，China)

For the project of Jining-Baotou Railway line 4，the influences on the wireless design produced by the special areas such as the station mergence areas，line mergence areas，line switching in areas and so on were researched.Meanwhile，several wireless coverage issues were analyzed，including the communication mode selection of station mergence to the existing Beijing-Baotou Railway stations，the selection of construction standard switching over to the triangle zone of Baotou-Xi'an Railway as well as to BSC，and the cell selection of switching in Beijing-Baotou Railway.Afterwards，the feasible solutions were proposed.The implementation of the project could provide practical guarantee for the security and reliability of GSM-R system，and also could serve as a reference for the design，construction and operation of the wireless communication system of similar project.

railway communication;wireless coverage;communication mode;switching over;reliability

U285.5

A

1004-2954(2013)04-0111-04

2012-08-27;

2012-09-21

吴 静(1979—)，女，工程师，2003年毕业于兰州交通大学通信工程专业，工学学士，E-mail:mistally@163.com。