基于GSM-R的铁路通信网络设计研究

张健

上海局集团有限公司电务部 上海 200000

GSM-R是为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统，它是在GSM蜂窝系统的基础上增加调度通信功能和适用于高速环境下的要素，可满足国际铁路联盟提出的铁路专用调度通信要求。基于GSM-R的铁路通信网络主要由无线网络、有线传输网络以及交换网络这三个方面构成，核心网络采用二级结构模式，通过设置移动业务大区汇接中心以及本地业务端局的方式，实现汇接中心间的网状连接。在列车运行速率较高的情况下，基于GSM信号会导致通信质量下降，影响话音质量，造成误码率升高的问题。因此必须通过双网覆盖的方式，促进系统可靠性水平的提升。即在GSM-R网络设计中，应用GSM-R理论，提高了铁路通信系统的可靠性，并解决了信道拥塞率高，呼叫成功率低等问题，实现对网络建设成本的灵活控制。

1 无线网络

首先，从场强覆盖的角度上来说，结合既往相关实践经验来看，场强覆盖在很大程度上受到无线网络所处地理位置分布条件的影响，因此需要参考基站实际情况以及所处地理环境特征对场强覆盖进行相应的调整。目前技术条件支持下，可用于对下行链路信号覆盖强度进行调节优化的方法包括以下几个方面：第一是增加天线挂高水平，第二是对天线垂直角、水平角进行调节；第三是的促进基站发射功率提升；第四是增设直放站。对于铁路通信网络而言，考虑铁路线路敷设需求与特征，应当优先采用基于沿线线路的带状覆盖分布，基站可以优先选择双扇区形，各个扇区所对应覆盖角度为180．0°，天线选用高增益定向天线（双极化17．0dBi，水平面HPBW65°）。为确保铁路通信网络信号覆盖水平有效，高增益定向天线呈背向放置，信号最大辐射方向与铁路辐射方向保持一致。在此过程当中，针对沿线话务量低的实际情况，可以在无线网络基站体现的配置上兼顾设备成本，优先选用低频双极化定向天线。

其次，从无线参数设置的角度上来说，基于GSM-R的铁路通信网络中，网络服务性能会直接受到与无线设备以及无线接口相关参数量的影响，如小区选择、无线测量参数、控制信道参数、功率控制参数等，不同程度上影响小区无线信号覆盖、网络业务性能以及信令流量分布情况。因此，在铁路通信网络设计过程当中，必须综合对当前无线信道基本特征、信令流量承载水平以及话务量特性，对无线参数进行合理调整，将无线资源充分利用起来，通过业务量对全网业务量以及信令流量进行分配与承担[1]。

再次，从话务量设置的角度上来说，在基于GSM-R的铁路通信网络系统建设中，设置话务量的核心目的是预先对通信网络话务量进行均衡处理，平均网络业务负荷水平，同时注意对交换机阻塞问题的合理处理，以提高话务量优化质量。

最后，从重叠区划分的角度上来说，铁路沿线应结合线路敷设所处地区的实际地理环境条件，对重叠区域大小进行合理设置，以免弱场区对信号覆盖产生影响。结合既往经验来看，可参考频率复用方案得到重叠区所对应移动台接收C/I（干扰保护比）值，对于n小区而言，频率复用方案下定义重叠区宽度为a，则存在如下式（1）所示关系：

还需根据场强曲线图以及切换关系，确定相邻小区之间的重叠区大小，如图1重叠区场强曲线图所示。

图1 重叠区场强曲线图

此外，根据相邻小区间的切换准则和切换Margin，确定相邻两个小区之间的切换重叠区。

2 频率规划

频率规划的本质是在铁路通信网络设计构建的过程当中，结合地区交叉并线分布情况对频率资源进行合理分配，以最大限度确保覆盖的有效性，目前GSM-R频段为上行885MHZ-889MHZ下行930MHZ-934MHZ，频点可用为1000-10018，随时铁路通信的发展尤其在车站枢纽及交叉并线区段频点难以分开。在频率规划过程当中，必须对国家无线电管理规定与标准进行综合考量，同时纳入对频率服用效率、同频干扰、邻频干扰等相关因素的分析，尤其需要注意同一区域内不同移动网络对频率规划的具体要求。频道分布时需要突出互调干扰、邻频干扰、同频干扰等因素的重要性，确保干扰保护比符合要求。一般情况下，同频干扰保护比需要满足≥12．0dB的要求；邻频干扰保护比需要满足≥-9．0dB的要求；除此以外，还需要纳入对频率规划方法以及基站站型因素的考量，基站站型应当参考目标阻塞率以及话务量进行设置，以上述参数为依据，结合如一定关系，对需进行配置的频点个数进行灵活设置，同时判断控制信号是否属于单独分配，以及掌握业务信道的频率复用方式问题。还需要特别注意的一点是，在频率规划过程当中，针对同频干扰可以尝试通过对天线倾角、天线高度进行调节，并引入定向天线覆盖技术的方式加以弥补；针对邻频干扰问题的处置则可以尝试对信道进行合理分配，并对滤波器精度进行适当提升；而在相邻小区频率间隔问题的选择上可以以最大值的为标准，以免出现频率在相邻小区连续性分配的情况，同时在必要的情况下可牺牲系统容量来避开频率干扰问题[2]。

3 有线传输网络

相较于PDH传输技术，基于SDH的传输技术体现出了网络配置灵活、传输容量大、兼容性高、维护管理能力强等一系列应用特点与优势。因此，在基于GSM-R的铁路通信网设计过程当中，可以优先考虑选用基于SDH技术的传输技术，基于光缆线路满足有线信号传输需求。目前技术条件支持下，在G652-655光纤中，ITU-T分别对4类不同单模光纤作出了基本定义，基于SDH的传输网络可适用于引入G652以及G655光纤，对应关键参数如下：对于G652光纤而言，1550．0nm衰减对应值为≤0．25db/km，零色散波长对应值为 1300．0nm-1324．0nm，1550．0nm 色散对应值为15．0ps/nm·km-20．0ps/nm·km，偏振模色散对应值为0．5ps/nm·km，光有效面积对应值为80．0um²，模场直径对应值为（9．5±0．5）um； 对 于 G655光 纤 而 言，1550．0nm 衰 减 对 应 值 为≤ 0．25db/km，零色散波长对应值为＜ 1530．0nm，1530．0nm-1560．0nm 色散对应值为 1．0ps/nm·km-6．0ps/nm·km，偏振模色散对应值为0．5ps/nm·km，光有效面积对应值为55．0um²-75．0um²，模场直径对应值为（8．0-11．0）±10．0%umum。

对于G652光纤线路而言，其所对应色散系数在1550．0nm波长条件下取值为15．0ps/nm·km-20．0ps/nm·km区间内。在对10．0Gb/s的WDM以及TDM系统进行传输的过程当中，可以通过介入具备负色散系数光纤的方式在进行色散补偿的同时促进中继距离的增加。而对于G655光纤线路而言，其所对应色散系数在1530．0nm-1560．0nm 波长条件下取值为 1．0ps/nm·km-6．0ps/nm·km。在同样对10．0Gb/s系统进行传输的过程当中，由于色散水平维持较低区间，因而无需采取色散补偿措施。因此，在基于GSM-R铁路通信网络构建过程当中，基于对设备成本因素，建议优先选用G655光纤系统。

4 设计方案

将整套基于GSM-R的铁路通信网设计方案应用于盐通铁路通信网络设计中，正线线路全长为156．686km。全线共设车站7座，线路所2座，动车所1座，全线共设车站7座，线路所2座，动车所1座，分别为盐城站、大丰站、东台站、海安站、如皋南站、南通西站、南通站、国道村线路所、陈桥线路所、南通动车所，其中盐城站、南通西站、南通站为接轨站，其余车站为中间站，敷设沿线地形条件复杂，给通信网络规划、运营以及后期维护等工作的开展均带来了非常严格的要求。搭载GSM-R的铁路无限列调系统能够满足铁路列车无线调度、数据传输、应急通信以及信息服务等相关功能的实现。整套铁路通信网络设计方案选用双网覆盖工作系统，通信展设置一套BSC。采用单网交织+同站址双网覆盖方式，但单个基站故障时不影响C3业务，同时增加配套的传输和开关电源设备，确保设备可靠运行[3]。

由于铁路GSM-R无线通信关系到列车运行的安全和效率，特别对于承载列控业务的网络来说，对GSM-R网络的系统可用性和服务质量要求都很高。GSM-R网络调试和优化尤为重要，现场测试图如图2所示，利用场强测试系统，在关闭全线基站和直放站的情况下，对各频点（884．8+n＊0．2MHz、929．8+n＊0．2MHz，n=0，1，……21，22）的接收电平进行扫频测试，测试车沿铁路线低速行驶（≤60km/h），同时记录GPS信息。当出现干扰信号时，如果可以目测确认是来自周围运营商基站的干扰，可以提交无委会协调；如果无法确认，则需要进行干扰的定点测试。可根据测试结果，通过无委会协调要求干扰发射单位关闭干扰源，在无法关闭干扰源时，通过在此处调整频率规划避开干扰。

图2 频率干扰测试图

5 结语

本文尝试基于GSM-R理论对铁路通信网络数字移动通信系统进行规划与设计，并对无线网络覆盖、频率规划以及有线传输网络这几个方面的设计问题进行分析与探讨，在此基础之上对基于GSM-R的铁路通信网络设计方案给出具体思路，整条线路可实现双网络覆盖，对解决传统意义上GSM-R网络存在的呼叫成功率低、以及信道拥塞率高的等问题有非常积极的作用。考虑到GSM-R系统在铁路的运用中话务量很低的情况下，在交叉并线区域采用分布式基站或者数字直放站的覆盖方式进行小区合并，彻底解决频率规划中频点不够用的问题同时也避免了异小区非正常越区切换的问题，值得引起业内人士的关注与重视。