商合杭高铁与京九铁路并线区段GSM-R无线覆盖方案

赵留俊

（中国铁路设计集团有限公司电化电信工程设计研究院，天津 300308）

1 线路概况与难点分析

商合杭高铁起自商丘站，与郑徐高铁并行约5 km后向南与京九铁路并线，并线区段长度约115 km。京九铁路无线通信系统为GSM-R 系统，两线并线区段京九铁路共有21 处基站，其中中国铁路郑州局集团有限公司（简称郑州局集团公司）8处，中国铁路上海局集团有限公司（简称上海局集团公司）13 处。商合杭高铁是CTCS-3级列控系统高速铁路，GSM-R系统承载列控数据传送业务，实时控制高速列车的行车速度，对GSM-R 无线场强覆盖和服务质量要求更加严格。京九铁路为国铁Ⅰ级干线铁路，列车密度大，施工天窗既少又短。商合杭高铁与京九铁路、郑徐高铁交叉并线示意见图1。

商合杭高铁与京九铁路并线区段是全国已开通GSM-R 铁路中并线距离最长、涉及既有基站最多，也是商合杭高铁全线实施难度最大的区段。根据GSM-R无线网络特性，并行区段只能利用京九铁路既有基站或关闭京九铁路既有基站再新建基站。在商合杭高铁GSM-R 系统调试开通过程中，如何既满足商合杭高铁工期和无线覆盖要求，又不影响京九铁路列车的正常运行，成为商合杭高铁通信系统设计和施工的最大难点。

图1 商合杭高铁与京九铁路、郑徐高铁交叉并线示意图

2 并线区段GSM-R无线覆盖设计方案

2.1 初步设计批复方案

为节省工程投资，最大限度利用京九铁路既有通信设施，并线区段GSM-R 无线覆盖初步设计批复方案为利用既有的同站址双网方案。利用既有京九铁路基站，商合杭高铁在京九铁路基站位置同站址对侧新设基站，形成同站址双基站冗余覆盖。并线区段以商合杭高铁新设基站为主用基站，京九铁路既有基站为备用基站，为满足频率规划需求，将京九铁路既有基站全部调整为1 载频，商合杭高铁新建基站为2 载频。同站址双基站覆盖示意见图2。

图2 同站址双基站覆盖示意图

2.2 初步设计批复方案问题分析

按照初步设计批复方案，并线区段利用京九铁路既有基站实施难度较大，主要原因如下：

（1）全部新建基站是设计规范和指导文件的要求。商合杭高铁GSM-R 系统承载C3 列控数据传输业务，实时控制列车车速，安全等级高；京九铁路GSM-R 系统仅承载语音调度通信、调度命令和车次号传输业务，等级较低。根据TB 10088—2015《铁路数字移动通信系统（GSM-R）设计规范》，GSM-R 系统无线覆盖和频率配置应统一规划，优先考虑高等级线路业务运用要求［1］。根据《中国铁路总公司关于做好特殊区域GSM-R 无线网规划工作的意见》（铁总运〔2014〕252 号），“线路平行或交越（交汇）地段，无线网规划应以高等级线路的小区规划为基础，兼顾低等级线路的运用需要”［2］。当主用基站宕机时，用京九铁路既有基站承载商合杭高铁C3 列控数据不符合规范要求。

（2）京九铁路基站及配套传输等设备已接近大修改造期，承载C3 列控数据安全风险较大。京九铁路基站为2009年采购，2010年调试开通，已近10年。根据《铁路通信维护规则》 （铁总运〔2014〕295 号）［3］，结合相关工程经验（京津城际基站及配套的传输设备使用10 年后全部更换），京九铁路基站也将要更新改造。若商合杭高铁开通后改造京九铁路基站，一定程度上将影响商合杭高铁的正常运营。

（3）京九铁路3处铁塔高度不满足商合杭高铁的覆盖需求，1 处基站距离商合杭高铁约800 m，也不满足商合杭高铁覆盖需求。京九铁路基站塔高均为35 m，商合杭高铁桥高一般为10～20 m，部分区域桥高近30 m，京九铁路基站天线仅高出商合杭高铁轨面3 m，根据场强测试结果，以上区域GSM-R 场强较弱，不满足商合杭高铁的无线覆盖和业务服务质量要求。

（4）管理维护不便。高铁和普速铁路的维护天窗点不同，管理和维护人员也不同，利用京九铁路基站需要铁路局集团公司重新调整管理维护分工和责任界定［4-5］。

（5）联调联试不便。利用京九铁路既有基站，不确定因素较多，可能导致联调联试GSM-R 系统服务质量（QoS）指标不达标，影响商合杭高铁开通运营。商合杭高铁联调联试期间，需要测试主备基站全开、主开备关和主关备开3 种场景下的GSM-R 覆盖和服务质量指标。京九铁路天窗点极少，联调联试期间很难关闭京九铁路基站，将影响商合杭高铁联调联试和开通的工期。新建基站时，可将商合杭高铁主备用基站和京九铁路既有基站均按1载频开通进行测试，待商合杭高铁完成联调联试后，再申请京九铁路天窗点，关闭京九基站，对并线区段商合杭高铁和京九铁路的无线覆盖和服务质量均进行测试，通过网络优化使并线区域的无线覆盖满足商合杭高铁和京九铁路共同的覆盖和服务质量要求［6-7］。

2.3 变更设计方案

针对初步设计批复方案存在的各项问题，为确保商合杭高铁GSM-R 系统调试开通工期，且不影响京九铁路的正常运营，经建设单位组织专家论证会研讨，建议并行区段全部新建基站，有以下2个方案：

（1）单网交织覆盖方案。单网交织站址冗余覆盖中的冗余基站位于原来2个连续的基站之间，提高了原基站的无线覆盖可靠性［8］。单网交织站址比较突出的优势在于：如果某地发生灾害，只有其中一个基站受到破坏，另一个基站服务不受影响。但也会产生小区规划复杂、站址数量增加导致征地、院落、机房、电力箱变和铁塔等投资增加的问题。我国CTCS-3 级列控系统高速铁路GSM-R 无线覆盖一般使用单网交织的冗余覆盖方案，商合杭高铁其他区段也采用单网交织覆盖方案。单网交织覆盖示意见图3。

图3 单网交织覆盖示意图

（2）新建同站址双基站覆盖方案。新建的同站址双基站覆盖方案充分利用商合杭高铁已征地的基站站址，在机房内再新设1 套1 载频基站，同时新设天馈线、传输和配线架设备，同址的2套基站共用铁塔，其中原来的2 载频基站为主用基站，天线挂设在铁塔的1层平台；新设的基站为备用基站，天线挂设在铁塔的2层平台。

2个覆盖方案对比见表1。

表1 单网交织与同站址双基站覆盖方案比较

商合杭高铁站后施工单位进场后，已按初步设计批复方案完成了基站的征地。由于单网交织方案基站间距一般为3～4 km，基站间距小于3 km 会导致网内干扰增加，切换频繁，不能满足20 s 无切换的要求，网络优化困难；基站间距大于4 km，单处基站故障后，相邻2个基站距离过远，会导致中间电平较低，无法压制网外干扰，容易导致非正常数据丢包，使列车CTCS-3 级列控降级为CTCS-2 级列控，从而导致列车降速。

京九铁路既有基站间距为5～6 km，如果商合杭高铁采用单网交织方案，会导致既有已征地的站址基本完全废弃，还会增加更多的征地，故单网交织覆盖方案不可行，最终采用新建同站址双基站覆盖方案。

新建同站址双基站覆盖方案是在初步设计批复方案基础上，充分利用已完成的征地，结合工期和2条铁路无线通信需求等因素提出的改进方案。该方案规避了初步设计批复方案存在的各种问题，最大限度减少了对京九铁路运营的影响，为商合杭高铁按期调试开通打下坚实的基础。

3 并线区段调试方案

经上海局集团公司电务部、郑州局集团公司电务部、上海通信段、郑州通信段、建设单位、设计单位、集成商和供货商联合研讨，在确保京九铁路正常运营的前提下，确定并线区段调试方案如下：

（1）在天窗点调整京九铁路基站频率，将原来2载频的基站改为1 载频。频率调整分段进行，施工单位、设备厂家严格按施工方案执行，通信段做好配合工作；

（2）开启商合杭高铁A 网，在商合杭高铁做场强覆盖测试，在京九铁路做场强覆盖测试（含网络调整验证）；

（3）关闭商合杭高铁A 网，开启商合杭高铁B 网（临时使用原A 网频率），在商合杭高铁做场强覆盖测试，在京九铁路做场强覆盖测试、服务质量测试和组呼、短号码等业务验证测试；

（4）建设单位向铁路局集团公司相关部门申请关闭京九基站，开启商合杭高铁A/B网后，分别在商合杭高铁和京九铁路做场强覆盖和服务质量测试。

若联调联试期间需同时关闭京九并线处商合杭高铁A/B基站，需临时开启相应的京九基站，以保证京九铁路正常运营。若关闭京九基站后，京九铁路场强覆盖或服务质量测试出现问题，需要在天窗点测试完成前开启京九铁路既有基站，分析出现问题的原因，提出解决问题的措施［9］。

根据联调联试场强测试数据，无论是全基站覆盖还是半数基站覆盖，并线区段场强基本均大于-60 dBm，半数基站覆盖时，抗干扰能力较传统单网交织覆盖方案显著增强，基本无非正常数据丢包的情况，半数基站的测试结果优于单网交织覆盖范围。全基站场强测试数据见图4，半数基站场强测试数据见图5。

图4 全基站场强测试数据

图5 半数基站场强测试数据

4 结束语

商合杭高铁GSM-R 网络调试开通期间，关闭京九铁路既有GSM-R 网络后，京九铁路所有列车均正常运行，无1趟列车因无线通信网络切换晚点或停车，创造了全路最大范围关闭既有GSM-R 网络但不影响既有列车正常运营的成功案例。

对商合杭高铁与京九铁路并行区域GSM-R 无线覆盖方案进行分析，为避免并线区域GSM-R 网络相互影响，对于类似区域GSM-R 无线网设计时，建议在初步设计阶段就完成并线区域的GSM-R 网络规划方案［10］。在站后施工图设计时，完成并线区域GSM-R 网络覆盖方案的专家评审，稳定施工图设计方案，以尽量减少实施阶段的变更设计。