GSM-R技术在柳南铁路电气化改造中的应用

2019-06-17莫志艺

铁道运营技术 2019年1期

莫志艺

（南昆铁路南百段增建二线工程建设指挥部，工程师广西南宁 530000）

柳州至南宁段电气化改造工程无线通信系统采用铁路专用移动通信GSM-R 系统单层网结构覆盖方案。网络子系统利用柳南城际客专在南宁设置的GSM-R核心网交换中心设备，利用既有基站控制器BSC、TRAU 设备及无线子系统网管终端（OMC-R）设备，新设OMC-T 设备，对既有BSC/PCU 等设备进行扩容，以满足该线路基站接入的需求。在基站子系统中，采用普通单层网络覆盖方式，不传送列车运行控制信息，列尾风压数据、告警等信息。该线路在与柳南城际铁路并行地段，地形较好两条线路相距较近地段，利用柳南城际铁路工程建设的GSM-R无线网络对本线进行无线覆盖，同时满足各线行车指挥无线通信需要。

1 应用GSM-R技术的意义与方式

经过十多年的技术发展，GSM-R是在GSM蜂窝系统上增加了调度通信功能和适合高速环境下使用的要素组成，能满足国际铁路联盟提出的铁路专用调度通信要求的技术。由于GSM-R 可实现跨越国界的高速和一般列车之间的通信；能将现有的铁路通信应用融合到单一网络平台中，以减少集成和运行费用；而且由于GSM-R是由已标准化的设备改进而成，GSM 平台上已经提供了大量的业务，因而引入铁路专用的功能时只需最低限度地改动，故能保证价格低廉、性能可靠地实现和运行；添加了增强的语音呼叫业务特性，能灵活地提供专网中所需的语音调度服务如VBS、VGCS和eMLPP，因此GSM-R是面向未来的技术，它将从广阔的GSM 公网市场和GSM 技术的不断演进中获益，具有巨大的发展空间。GSM-R 在欧洲取得巨大的成功，目前超过30个铁路公司已承诺在其国际路网中使用该技术。GSM-R网络结构如图1所示。

图1 GSM-R网络结构图

1.1 建设GSM-R 的必要性一是满足铁路运输生产指挥手段现代化的需要。替代目前各种分散的无线通信系统，成为铁路综合移动通信平台实现了调度、编组场、区间、公务、工程施工、应急抢险等需要的移动通信功能解决了450 MHz模拟无线通信系统存在的问题。二是满足信号控制技术现代化的需要。以分散自律调度集中（CTC）和中国列车运行控制系统（CTCS）为代表的现代化信号系统，都将基于移动通信平台实现车-地双向数据传输。提供列车诊断信息传输、移动互联网接入、信息广播、车辆跟踪、移动售票、旅客信息服务等各种新兴业务的承载平台。有利于提高铁路运输效率、增加服务项目、提高服务质量。

1.2 GSM-R 的组网方式对于运送旅客的高铁列车，运行安全是首要目标。尤其对于时速300km/h及以上客运专线较普速铁路在列车控制、调度通信等业务应用方面对无线通信系统的场强覆盖、网络服务质量和系统可靠性要求更高，GSM-R无线系统的设计要充分考虑这些因素，合理布站。一般有三种无线规划方案：

1）单网交织冗余覆盖。图2为单网交织冗余示意图。

图2 单网交织冗余示意图

特点是交织站址冗余覆盖中的冗余基站位于原来两个连续的基站之间，提供无线冗余覆盖。每个基站有独立的机房、铁塔和天线系统，所有基站受一个BSC控制。其优点是BTS冗余，中等成本；缺点是除某个BTS 故障，其他基站子系统设备（如BSC）出现故障时网络不提供冗余；对服务质量有一定影响（切换数量增加）；较低的频率利用率（高重叠区域）；基站站址和安装成本增加（需要较多的站址）；中等无线参数设置复杂度加大。

2）双层网覆盖（主要有同站址双层网络覆盖和交织双层网络覆盖），分述如下。本文只介绍同站址双层网络覆盖。

（1）同站址双层网络覆盖。图3 为同站址双层覆盖示意图。

图3 同站址双层覆盖示意图

其特点是在铁路沿线上，同一地点设置两套BTS，两套BTS 相对独立，有各自的传输，电源等设备，但机房、铁塔共用。每一层网络各由一套BSC控制，形成双层无线覆盖。优点是全系统冗余；较低的站址要求（机房、铁塔共用）：缺点是投资较高；无线参数设置较为复杂；某地发生灾害(火灾、洪水、闪电等)，该处同一站址的两个基站都会损坏，造成该区域内无法进行业务。

（2）交织双层网络覆盖。其特点是在铁路沿线上，两套BSC下的BTS交错分布，形成双层交织冗余的方式覆盖同一区域。优点是全系统冗余；即使某一站址出现问题，仍可提供服务。缺点是投资最高；频率使用率低；无线参数设置困难；需要较多站址。

经过调研比选论证，柳南铁路电气化改造采用的是单层交织用于覆盖的组网方式。

2 GSM-R技术在柳南电改上的应用

2.1 工程概况柳南电气化改造工程采用GSM-R移动通信系统，新建GSM-R 无线通信系统，完成调度通信、调度命令信息及无线车次号校核信息传送等功能。同时满足各线行车指挥无线通信需要。

在沿线车站新设BTS（与柳南城际铁路并行地段，利用柳南城际铁路工程建设的GSM-R 无线网络）车站基站均按照O3 型BTS 设置，区间根据场强覆盖需要设置O2型BTS。全线共设置BTS 32处，其中O2型22处，O3型10处。

弱场区采用光纤直放站结合漏泄同轴电缆、天线的方案进行覆盖。光纤直放站近端机与远端机间通过新铺设8 芯光缆，采用星型相结合的方式连接。漏泄同轴电缆采用在铁路弱电侧铺设的方式。为减少弱场区设备数量，本工程漏缆采用1-5/8”型号。图4为工程组网示意图。

图4 工程组网示意图

该工程并行线路中柳州进德至黎塘区段利用柳南客专GSM-R 基站覆盖与该线交叉、并线区域，共利用既有柳南客专基站10座进行信号覆盖，其他区域由本线新设基站覆盖。

2.2 电改工程GSM-R 网络建设的优点柳南铁路电气化改造无线通信工程是全路第一条利用既有客专GSM-R基站覆盖与改造线共、并线的部分区域的系统。该线路的测试结果可以为其他线路提供技术参考。

由于地形、地质等客观因素的影响，既有柳南客专与电气化改造线路距离过近，如果不利用既有客专基站进行信号覆盖，而采取新建基站进行信号覆盖，必将导致新建基站与既有基站之间无线信号相互干扰，无线频点规划难以规划，网络优化难以实施。

由于柳南电气化改造线路部分区域使用柳南客专既有的基站进行信号覆盖，使得网络资源尽可能的得到充分利用，整线的频点规划相对较为容易合理规划。

2.3 并线区段无线通信优化由于柳南客运专线与湘桂线柳州至南宁电气化铁路线路相距较近，因此本方案利用柳南客专GSM-R 基站信号覆盖本线共、并线区域。共利用既有柳南客专基站10 座，其他区域由本线新设基站覆盖，设计采用GSM-R系统单层网结构覆盖方案。

并线区段利用柳南客专基站对柳南电改线路覆盖的优点分析：

1）通过柳南电化指挥部对电力、房建、征地、通信各专业投资概算分析，每座基站需投资150 万元左右（前提条件是征地和赔偿均顺利），扩容和接入基站控制器BSC 需投资200 万元左右，全线10 座基站和BSC 共约节省投资1700 万元，提高了工作效率，减少了要天窗点等作业时间，减少了上报审批相关部门配合等环节，经济效益明显。

2）共线、并线、交叉线路区段如果不利用相邻线路的既有客专基站进行信号覆盖，而采取新建基站进行信号覆盖，那么带状分布的线路两侧将布满基站设备，频点资源占用非常严重，若是CTCS-3等级线路或者是双网交织、单网交织覆盖的方案，那么后期网络优化阶段将难以实施，增大了后期网优难度。

3）并线区段合理的设备布置有利于编号方案的实施，最大限度的减少同频干扰和邻频干扰，使线路切换关系更为清晰，频点规划更为合理。

3 电改工程GSM-R网络建设的思考

由于地理环境较为复杂，再加上柳南客专基站位置已经固定，本着对柳南客专无线G 网运行安全的考虑，网络设置的前期勘查设计工作必须认真细致，综合考量，以尽可能减少信号覆盖弱场区。柳南电气化改造工程柳州进德至黎塘区段利用柳南客专GSM-R基站覆盖，弱场区采用光纤直放站结合漏泄同轴电缆、天线的方案进行补强覆盖。其他区域由本线新设基站覆盖。在工程建设过程及网优过程来看，有以下几点值得思考：

1）在建设施工实施过程中，各参建单位应严格按照设计意图按照施工图纸施工，施工单位不应对设计联合勘定的基站、直放站地址随意挪动。在网优阶段发现，因施工现场阻工，施工单位对LJ-PT01（K619+000）基站位置往山体转弯角处挪动200米左右，导致平塘向柳州方向信号覆盖弱场不达标，经网优仿真确定利用K 621+320 处已废弃的既450 MHz区间中继房，在该处新设光纤直放站远端机设备进行弱场补强覆盖。

柳南电气化改造K 754+240处LL-YN04基站由于征地困难，施工单位为方便施工擅自挪动了基站的位置，导致山体阻挡和江水水域的存在减少了信号衰耗导致相邻基站之间信号频繁切换。将LLYN05(K 759+100)柳州方向天线调至25 度，LLYN04（K 754+240）南宁方向天线调至285 度后解决。

2)该工程利用既有柳南客专基站对电化改造线路进行信号覆盖，在网络优化阶段会发现柳南电化改造的无线GSM-R网信号确实对柳南客专GSM-R网还是存在着或多或少的干扰影响的，在协调两张网络的优化过程中，我们又需确保优化调试柳南电化改造线无线网络的时候尽可能不会影响柳南客专无线网络的正常运行，这给电化改造线的网优增加了不少难度，为确保柳南客专的安全运用不受影响，同时减少施工要点难度及施工方案报批，我们采用在并线段既有柳南客专的基站上增设天线、调整天线俯仰角和水平角度和增建低强度信号直放站进行信号覆盖。

来宾北基站至JD-LLB09 有弱场及乒乓切换，该区段分别是由柳南客专的JD-LBB09与LaiBinBei基站天线旁瓣覆盖柳南既有线，考虑到柳南客专既有天线朝向主要覆盖的是柳南客专线，柳南电改既有线为客专旁瓣天线覆盖，因此信号较差，若调整客专天线方向角,可能将影响客专的覆盖，同时增加对柳南客专的优化工作。后经各参建单位及路局相关部门研究后，决定在来宾北基站和JD-LLB09 既有客专基站基础上各增加一副方向角朝向柳南电改线天线解决。

在柳州至南宁下行方向LB-LJ01（K 608+750）基站所接漏缆在隧道外有500 m左右的弱场区域,最低电平达到-103 dBm.通过在柳南客专LBBHJZXLS02 既有基站上增加一副天线朝向柳南电改既有线路，在柳南电化改造线LB-LJ01 基站链接的漏缆末端增加定向天线覆盖弱场解决。

3）对于枢纽铁路线路交汇处，各路局应提前统筹规划整合好枢纽区域频点资源和频点分配规划。由于黎塘枢纽地区位于南广客专、柳南客专、黎湛电气化改造工程，柳南电气化改造工程无线GSM-R网的交汇处，该区域包含7 座隶属不同线路的基站，LITANG 基站至HJZXLS-BY01 基站区间载干比小于9，存在干扰信号,网优过程中发现通话中断，LiTang 基站柳州方向乒乓切换等问题。

后按枢纽地区频率配置方法采用面状复用方式进行配置频点，并为黎湛铁路电气化改造线的引入预留接入频点，在通过动态测试并具备运营开通条件后，再行输入正式工作频点解决。

4）目前，铁路总公司对GSM-R网络的验收指标是以动车速度（250 km/h）和高铁速度（350 km/h）为标准的。而电气化改造线路及新建、增建普铁线路的列车运行速度远达不到上述标准。运行速度的不同将影响切换、成功率等多项指标。同时，在网优阶段容易导致设备管理单位及参建单位对所依据验收测试标准的争论，柳南电气化改造工程从柳州进德至黎塘区段利用既有柳南客专GSM-R 基站结合新建光纤直放站挂载漏缆进行信号覆盖，黎塘至南宁区段新设基站覆盖的单层网络，存在着并线、交叉、枢纽、新建线等情况，需要有关单位协调配合认真加以解决。