铁路枢纽GSM-R系统网络规划及实施方案研究

刘盛尧

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

GSM-R 系统作为国内铁路专用无线通信制式，不仅在高铁线路得到了广泛的应用，而且大量的普速铁路也陆续建设了GSM-R 系统用于取代老旧的450 MHz 无线列调通信系统，受可用频点、铁路等级、业务需求等因素的限制，在铁路枢纽地区尤其是大型枢纽地区合理的网络规划及实施方案就显得至关重要。目前，国内铁路枢纽地区的GSM-R 系统普遍存在以下问题。

1）BSC 接入方案缺乏规划，影响通信质量及不同等级线路的维护管理工作。

2）站点布置缺乏规划：站点布置未考虑后续线路接入的问题，给后续线路接入造成了极大的困难。

3）缺少统一的频率规划：由于GSM-R 系统频率资源紧张，且各工程 GSM-R 系统频率规划只考虑满足本工程需要，未结合枢纽情况进行统一规划，导致枢纽地区网内干扰严重、后续线路引入困难，影响枢纽内网络通信质量。

南昌地区是国内重要的铁路枢纽，铁路交通发达，南昌市是京九铁路经过的唯一省会城市，京九铁路、沪昆铁路、西环铁路、昌九城际铁路、向莆铁路、杭长客专等都在南昌市交汇，本文将以南昌枢纽的GSM-R 系统网络规划及实施方案为例展开论述。

2 网络规划

铁路枢纽地区的GSM-R 系统规划应建立在充分调查枢纽地区线路规划基础上开展，为了避免不必要的重复建设、降低实施中的难度，在规划中应尽量减少对既有设备改动。如图1 所示，杭长客专（设计速度350 km/h，CTCS-3 等级铁路，GSM-R系统承载列控业务）自东向西横穿整个南昌枢纽，并在枢纽地区与西环铁路、京九铁路以及向莆铁路存在相邻、交越、并行等位置关系，由于之前的线路缺少统一规划导致杭长客专接入困难，因此，需对南昌枢纽进行统一规划以便于杭长客专的引入，并为后续线路预留接入条件，以下将从BSC 设置、交越/交叉区段、并线区段、库检基站及相关站场、频率规划等方面进行讨论。

图1 南昌枢纽平面示意图Fig.1 Layout of Nanchang Hub

2.1 BSC设置规划

国内的GSM-R 移动交换网络采用汇接网和本地网二级结构，路局设置本地网的交换中心，因此，BSC 的设置规划是枢纽GSM-R 系统规划的第一步。

1）不同等级铁路的BSC 宜分别设置：考虑到业务需求、维护等方面问题，高铁铁路与普速铁路的BSC 宜分别设置，列控等级铁路与非列控等级铁路的BSC 宜分别设置。

2）尽可能的减少移动终端跨BSC 切换：为保证良好的通信质量，应减少移动终端跨BSC 切换，但考虑设备厂家、业务需求、维护等方面因素，枢纽地区无法做到只设置一套BSC 设备，因此，跨BSC 切换是无法避免的，只能通过合理的规划尽可能的减少切换的次数，尤其是CTCS-3 等级铁路的GSM-R 系统承载了列控业务，对通信质量的要求更加严格。

南昌枢纽内既有京九、西环铁路基站均接入京九在南昌设置的BSC 设备，向莆铁路采用单独设置的BSC 设备。如不进行BSC 规划，则杭长客专在南昌枢纽内存在4 次跨BSC 切换，为保证通信网络质量及方便设备监测及维护管理，需对枢纽内BSC 接入方案进行调整。调整方案为与杭长客专并线、交越的相关线路基站接入杭长客专的BSC 设备，调整后杭长客专在进入和离开南昌枢纽时均不发生跨BSC切换，该区段基站按照CTCS-3 区段设备进行维护管理，并能实现对杭长客专相关基站的Abis/A/PRI 接口监测。

2.2 交越/交叉区段覆盖规划

交越/交叉区段涉及到不同方向的多条线路，如果规划不当就会造成区域内信号混乱，切换难以控制，严重影响通信质量，根据相关工程的经验，大多用如下4 种解决方案。

1）交越/交叉点单基站解决方案：适用于非列控等级铁路交越的情况，根据线路情况设置天线数量及角度。

2）交越/交叉点同站址双网解决方案：适用于有列控等级铁路交越的情况，实现冗余覆盖，可根据线路情况设置天线数量及角度。

3）光纤直放站解决方案：适用于交越/交叉点不具备设置基站条件，多用于非列控等级铁路交越/交叉的情况，但要控制好光纤直放站远端机与信源基站的距离，以免产生时延干扰。

4）分布式基站解决方案：组网方式灵活，交越/ 交叉区段的覆盖的有效解决方式，有列控等级铁路交越时需考虑冗余覆盖，分布式基站解决方案在相关论文著作中已有详细介绍，本文在此不再赘述。

南昌枢纽杭长客专与其他线路交越/交叉区段的既有基站无法满足CTCS-3 等级铁路对GSM-R系统的要求，结合设备厂家的技术特点，南昌枢纽沪昆高铁交越/交叉区段采用的是分布式基站A、B 网结构，用以替换既有基站，容量O2+O1，“A 网”配置1 套BBU、每个位置组配置两套“A网”RRU，配置两个载频，每套RRU 配置1 个载频；“B 网”配置1 套BBU、每个位置组配置1 套“B 网”RRU，配置1 个载频，连接示意如图2 所示。

图2 分布式基站连接示意图Fig.2 Schematic diagram of connections of distributed base stations

根据规划，在交越/交叉点为既有浙赣铁路（普速）450 MHz 无线列调改造以及新建昌吉赣客专预留接入条件，如图3 所示。

2.3 并线区段覆盖规划

铁路GSM-R 系统的频率资源十分有限，对于并线区段的统一规划可以充分利用频率、基站资源，实现“资源共享”，如果并线线路的等级不同，则站点、站距设置应以满足高等级铁路的标准为原则，为减少跨BSC 切换并线区段基站宜接入高等级铁路BSC。如图1 所示杭长客专在南昌枢纽与向莆铁路、西环铁路均有并线、交越区段，且向莆铁路、西环铁路均先于杭长客专开通，因此在向莆铁路、西环铁路的建设过程中基站站点需按CTCS-3 等级铁路标准为杭长客专预留条件，根据BSC 设置规划，杭长客专开通时并线、交越区段的基站均接入杭长高铁的BSC 设备。

2.4 库检基站及相关站场的覆盖规划

枢纽地区存在着一定数量的动车所、机车库、存车场等站场，需设置基站实现GSM-R 网络的覆盖，由于动车所、机车库的库房的屏蔽效果好，因此在实际工程中可采用室外站场空间波覆盖+室内库房室内分布覆盖的方式解决，这些站场往往都是与正线连接，基站的设置需结合正线基站的规划进行：一方面，结合线路走向规划站点设置、邻区关系；另一方面，为保证站场及正线覆盖质量良好，应控制好与临近基站覆盖范围避免相互干扰。

图3 其他线路交越/交叉点预留基站示意图Fig.3 Schematic diagram of base stations reserved for the crossings of other lines

如图4 所示，南昌枢纽设有南昌西动车所，向莆铁路在南昌西动车所设置1 套基站NanChangXiDCS，采用铁塔+天线的方式覆盖动车所及向莆铁路，为保证覆盖效果，向莆铁路在路堑弯道处还设置了1 套直放站，该直放站设置1 套北向天线实现弯道处的覆盖以及NanChangXiDCS 基站与西环线LHD-SM04基站的切换，其信源基站为NanChangXiDCS。由于NanChangXiDCS 基站与杭长高铁正线NCXGA02_BUA 基站距离只有900 m 左右，为避免NanChangXiDCS 基站对杭长高铁正线的影响，拟将南昌西动车所基站的铁塔天线改为动车所室内覆盖天线，动车所室外部分及动车走行线采用杭长正线NCX-GA02_BUA 基站进行覆盖，弯道处所设直放站设备的信源基站仍为NanChangXiDCS 并增设1 副南向天线用于实现NanChangXiDCS 与杭长高铁NCX-GA02_BUA 的切换。

2.5 频率规划

通过对GSM-R 主要业务的估算（点对点呼叫、组呼、广播呼叫、CSD 数据业务、GPRS 数据业务等），确定基站的载频数。对枢纽地区频率方案进行整体规划，调整同邻频复用距离，消除对不合理的频点使用，并对将来有可能进行G 网覆盖的线路进行频点预留。在实际规划过程中需结合具体工期节点分布规划。

图4 南昌西动车所平面示意图Fig.4 Layout of Nanchang West EMU Depot

3 实施方案

由于铁路枢纽地区的线路多、各条线路之间的关系复杂，尤其存在着大量的既有线路，在实施过程中如何在满足工期的前提下，兼顾既有线路的正常运营，使实施工作对既有线路的影响程度降到最低就显得的至关重要，这就需要根据枢纽地区GSM-R 系统网络的规划，制定合理、有效的实施方案。

3.1 总体实施规划

由于铁路枢纽地区的GSM-R 系统网络调整工作量及难度都很大，在实施过程中“一步到位”的可行性不大，因此需要结合具体情况制定总体的实施规划，有计划的分步实施，针对各分布实施工作指定具体的方案及应对措施。

南昌枢纽的GSM-R 系统网络调整是由杭长客专引入而引起的，杭长客专的是分东、西两端分别开通，其中，西段（南昌西—长沙南）先期开通，东段（杭州东—南昌西）比西段延后约半年开通，结合具体工期，南昌枢纽地区GSM-R 系统网络调整的实施工作总体规划如下：

1）按具体工期要求完成杭长客专西段相关基站替换的调整工作（含南昌西动车所），由于并线、交越区段的基站主要集中在东段，因此并线、交越/交叉区段基站的BSC 设备割接工作在东段完成；

2）按具体工期要求先完成杭长客专东段并线、交越/交叉区段的基站接入杭长BSC 设备的割接工作，之后完成杭长高铁东段相关基站的替换工作；

3）南昌枢纽GSM-R 系统频率调整，上述调整主要是“点”、“线”范围内的调整，影响范围不大，但枢纽地区的频率调整涉及整个枢纽范围内（含既有铁路）的40 余处基站的大面积调整，尤其是涉及京九、西环、向莆等既有线路，因此频率调整需充分准备，提前申请施工计划，利用施工天窗点完成调整工作。

3.2 具体实施方案

实施方案是要把之前的所有规划落到实处，因此要力求方案的完整细致，方案需涵盖前提条件、数据准备、操作步骤、时间节点、验证方案、拨测记录、应急措施、倒回方案、值守人员安排、添乘优化等内容。

前提条件、数据准备属于前期工作：编号方案的批复，施工计划的申请及批复，与现网运营维护单位签订相关保密、安全、施工协议；设备安装、配线工作已完成，电路通道测试无误，设备单机加电调试正常；中心设备工作正常；实施人员、测试仪器仪表和工具到位；数据参数完成编制、审核，并在实验室通过测试。

操作步骤、时间节点：包括实施过程中每一步的操作说明，并对应具体时间要求，以便实施过程中的进度把控；操作步骤除了详尽的说明具体操作内容，还要明确操作、复核等具体人员及职责。

验证方案、拨测记录：实施操作完成后需进行相关的拨测验证，以确保实施的正确无误，测试人员应包括现场测试人员、后台跟踪人员，针对具体测试项目做好拨测记录，并存档备查。

应急措施、倒回方案：针对实施过程中可能出现的异常情况，制定具体的应对措施；开始实施操作前应备份现网数据，在实施不成功时将网络恢复原来的状态。

值守人员安排、添乘优化：实施完成后，应安排值守人员在网管进行值守工作，以确保网络的正常运行；安排具体测试人员添乘测试列车，验证实施工作对既有线路的运营是否有影响，如有影响则立即进行相关的优化工作。

3.2.1 基站替换方案

枢纽内的基站替换往往是由于既有的基站无法满足枢纽引入的要求而需新设基站替换既有，既有基站一般都带着既有线的业务，所以基站替换方案的难点就是如何减少对既有线的影响。在实际施工中一般都是申请施工天窗点，在天窗点内完成调整。但南昌枢纽的基站替换方案同时涉及京九、西环、向莆等多条既有线，每条线路的天窗点时间都不一样，天窗时间没有“交集”，尤其是京九铁路是国内南北重要的铁路运输大通道，是“八纵八横”骨干铁路之一，是国内最为繁忙的铁路线之一。为了不影响既有铁路的正常运营，南昌枢纽基站替换的方案采用“分层开启，分层关闭”的方式。

前文描述在南昌枢纽的多条线路交越/交叉区段采用的是分布式基站A、B 网结构，利用A、B两层网的特点。首先开启A 层网，同时配置好A 层网与相关基站的邻区关系等数据，并设置参数使终端优先接入既有基站。A 层网开启后测试人员进行测试验证，确认A 层网数据配置无误、设备工作正常后，后台人员检查既有基站是否有用户占用，如无用户占用，关闭既有基站，并设置参数使终端优先接入A 层网（A、B 网正常情况下优先接入A网），这时既有业务由A 层网负责承载，之后开启B 层网，测试人员对B 层网进行测试验证，验证成功后完成替换工作。

3.2.2 基站接入BSC设备割接方案

基站接入BSC 设备的割接方案的重点是数据准备、电路通道验证，割接前务必仔细核对GSM-R参数数据及传输通道数据，确保数据的准确性，通过设置测试端口，验证每一条电路通道；为确保对既有线无影响，割接后的基站设备参数应保持不变。

3.2.3 频率调整方案

根据频率规划制作数据脚本，并通过各级复核确保数据的准确性，数据的准确性是频率调整的关键。为便于实施，频率调整工作可分布进行。南昌枢纽的频率调整工作，根据杭长高铁的具体工期，分以下3 步实施。

1）杭长客专西段交越区段基站替换的调整工作，由于整个枢纽不具备整体频率调整的条件，新设基站频点采用临时可用频点，其余基站保持不变。

2）杭长高铁东段并线、交越区段的基站接入杭长BSC 设备的割接工作同时割接的基站采用临时可用频点，交越区段基站替换调整工作同时新设基站采用临时可用频点，其余基站保持不变。

3）以上两次的频率调整只是为了满足杭长客专引入而作的临时频率调整，并未完全解决南昌枢纽GSM-R 网络频率混乱的问题，根据枢纽地区的频率规划，在施工天窗点内对枢纽范围内40 余处基站进行彻底的频率调整。

4 结束语

随着近些年国内铁路的高速发展、GSM-R 系统的不断普及，铁路枢纽的引入的难度也越来越大，在充分调查的基础上，合理的规划站址、站距以及设备配置可以避免不必要的重复建设，降低枢纽内GSM-R 系统内部干扰。实施的可行性是建立在合理规划的基础上，详尽的实施方案是实施成功的有力保障，随着科技的不断进步、通信设备的不断更新以及工程经验的不断丰富，将会给铁路枢纽GSM-R系统规划及实施提供更好的解决方案，这需要在将来的工作中进一步研究和探讨。