既有线交叉并线等特殊区段GSM-R系统方案研究

陶 岩

（中国铁路沈阳局集团有限公司，沈阳 110001）

1 概述

近些年我国铁路发展迅速，已形成覆盖全国的高铁和部分普速线的GSM-R数字移动通信系统网络，GSM-R系统在承载列控信息传送及公务移动通信等方面发挥了巨大作用。当前，面临450 MHz频率资源收回的国家政策以及无线列调设备超期使用两大问题，既有线450 MHz模拟无线列调系统改GSM-R数字移动通信系统的建设势在必行。由于高铁建设形成了高速、普速铁路交叉并线的错综复杂结构，且高速铁路建设之初缺乏高普兼顾的统筹规划，给普速铁路的GSM-R系统方案规划和实施带来了极大的困难。

2 京哈、沈大、哈大客专线交叉并线概况

京哈线和沈大线纵横贯穿东北地区，连接东北三省省会哈尔滨、长春、沈阳和东北对外开放窗口大连，是东北经济发展的运输大通道。京哈线运行速度160 km/h，沈大线运行速度140 km/h。

哈大客专北起黑龙江省会哈尔滨，经松原、四平、铁岭、沈阳、辽阳、鞍山、营口、终到滨海城市大连，故取名哈大客专。哈大客专设计速度350 km/h，目前运行最高速度310 km/h，GSM-R网络承载CTCS-3（简称C3）级列控信息，基站采用单网交织冗余覆盖方式，平均站距2.88 km。

哈大客专与沈大线位置关系：在沈阳—浑河、张台子—首山区段，哈大客专与沈大线完全并行，长度约30 km；有4处与高铁交叉穿越；3 km以内并线约30 km。

哈大客专与京哈线位置关系：沈阳—文官屯之间哈大客专与京哈线完全并行，长度约16 km；在昌图—双庙子、公主岭—陶家岭之间有两次交越；3 km范围内并线长度约50 km。

3 既有线GSM-R改造面临的问题及解决方案

3.1 双线交叉区段

双线交叉是高铁和普速线中比较常见的状况，以大连北-普湾之间为例，DLB-PW09基站为哈大客专和沈大线交叉区域设置基站，高铁建设之初，沿着高铁大连方向和沈阳方向分别设置一面天线。既有线改造时，在DLB-PW09增设2面天线，分别覆盖沈大线大连方向和沈阳方向，无需额外增设其他设备，即可解决交叉区域的无线覆盖，如图1所示。

图1 双线交叉区域覆盖示意图Fig.1 Coverage areas of two lines cross section

3.2 双线并线区段

1）现状

京哈、沈大线与哈大客专存在多处相距1～3 km的并线区段。由于高铁为C3线路，为满足承载列控业务的需要，基站采用交织覆盖，间距约3 km。以沈大段高铁对应的盖州西至营口东区间为例，普速线与高铁间距保持在1.3～3 km（如图2所示，图中带基站的位置为高铁）。目前按照八频组的频率规划方案如表1所示，对应高铁8个基站、24 km左右覆盖范围，共使用17个载频（除1015、1017号频点外）。如果普速线和高铁并线区域单独设置基站（8 km左右间距），最少4个基站需8个频点，GSM-R只有19个频点可用。因此，既有线邻近高铁，单独设置基站将面临无合适的频率资源可用。

图2 测试结果及覆盖示意图Fig.2 Test results and coverage diagram

2）解决方案

既有高铁基站天线均采用波瓣宽度为65°的天线，因此平原地区高铁两边2～3 km范围内GSM-R无线信号仍然较强，测试结果如图2所示。高铁GZX-YKD02基站至GZXYKD08基站之间，普速线测试高铁场强基本能够达到-80 dB左右，但在普速线上发生频繁切换（图2中基站与线路的细连线表示当前位置所使用的基站信号）。例如：在垂直高铁基站方向的普速线 上 A点（ 距 离 GZX-YKD03、 GZX-YKD04分别1.7 km、3 km），GZX-YKD03基站天线旁瓣覆盖信号较弱，而GZX-YKD04为主瓣方向信号较强，必然切换，类似切换发生频繁。

表1 八频组规划表Tab.1 Eight-frequency combination planning table

根据频率使用情况和测试结果，普速线综合利用高铁基站进行覆盖，可不单独设置基站。但是为减少普速线上基站频繁切换，在高铁相应基站分别增设1副65°天线，加强垂直高铁方向覆盖。

3.3 多线汇聚区域的问题及解决方案

多线交汇区域多位于市区枢纽地区，线路错综复杂。以沈阳西附近为例，永安车站附近有4条铁路6个方向交汇，秦沈客专已经实现G网覆盖，其中秦沈基站1和秦沈基站2采用分布式基站共小区覆盖方式如图3所示。为保证京沈高铁冗余覆盖需求，基站1和基站2处分别采用（O2+O1）双网覆盖方式，京沈客专（C3等级线路）G网正在建设。既有线改G网时，分别在转弯桥、于洪、沈阳西设置基站，在交汇区域则至少有6个基站12载频信号重叠，根本无法满足相邻小区的控制信道及业务信道载波间隔不宜小于400 kHz的要求，频率规划不可实施。因此，必须对该区域进行统筹规划。

为避免在交汇区域出现多个基站信号，应合理规划载频使用，减少该区域凌乱的切换关系。新的设计方案将秦沈基站2、秦沈基站3、京沈基站1改为分布式基站（均采用O2+O1的A/B双网覆盖），并将同一层网络的三处分布式基站设置成共小区。同时严格控制各条线基站往交汇区域的天线挂高和俯仰角（5°以上），有效控制交汇区域相邻基站的场强和覆盖范围，并将与各条线基站的切换点设置在三角区域共小区基站的覆盖边缘地带（如图3所示重新规划后）。

4 需要进一步研究的问题和建议

1）3 km以内并线区域

图3 沈阳枢纽线路走线及G网规划示意图Fig.3 Layout of lines and GSM-R network plan of Shenyang junction

既有线临近或者与高铁交叉并线（地形平坦距离3 km范围内）时，综合利用高铁基站（或增设天线）实现普速线的覆盖，既符合铁总高速带普速的基本指导原则，同时大量节省基站设备、房屋、电力配套、铁塔、征地等房建的建设资金；降低了载频的复用度，有利于减少网内的干扰，保持系统的稳定性和可靠性，避免对高铁运营安全造成不利的影响。但需要在高铁基站增加天线，需要更换功分器（天馈系统损耗增加）或者进行基站切换参数调整，会造成既有基站之间的切换点位置发生偏移，可能影响高铁C3业务的服务质量不满足要求，从而引起C3降级为C2，影响列车运行效率。因此，普速线对高铁的网络优化将是普速线G网建设非常重要的环节。鉴于高铁运输安全要求的特殊性，优化后需要在高铁上测试GSM-R网络的服务质量，其实施难度巨大、可实施性差。建议高铁规划建设时，当遇到与普速线交叉并线时，采用以下措施避免后期问题。

统筹规划高铁和普速线的覆盖方案。

高铁预留后期可实施的方案（例如采用共小区等方式并预留后期接入）

高铁尽可能采用30等窄波瓣宽度天线，有效控制高铁线路两侧的有效覆盖范围。

2）3～5 km的并线区域

在平原地区既有线与高铁并线，但距离超过3 km范围，需单独设置基站时，建议采用30°窄波瓣宽度天线。同时，为减小高速和普速线基站之间的干扰，建议普速线区间基站或小站采用单载频基站（需要基站支持载频互助功能），并为枢纽或大型车站提供更多的频率资源。

3）枢纽区域

枢纽问题集中在频率资源紧张和干扰问题上，建议根据实际情况采用微蜂窝覆盖（减小覆盖范围避免相互影响）或采用分布式基站拉远扩大小区覆盖范围（减少相邻小区的数量）技术手段。

5 结束语

普速线的G网改造已经拉开大幕，普速线与高铁交叉并线区域GSM-R频率资源匮乏、干扰严重、工期不同步、设备不兼容等问题已经显现，在整体规划和方案设计时，针对不同地区已经提出了不同的系统方案，但还需经过现场测试及工程实践的检验，并进一步优化技术方案、优化设备选型、总结工程经验，为普速线GSM-R系统全面建设提供参考。