集通铁路长大隧道GSM-R冗余方案研究

周 伟

(中铁电气化局集团有限公司设计研究院，北京 100166)

1 概述

集通铁路是内蒙古自治区的重要铁路干线，线路全长943.31 km，时速达160 km。蒙根塔拉站至大板站区间长约162 km，地形复杂，山堑相连，共有7 个隧道，其中克什克腾隧道（DK480+070 至DK490+805），长约10.735 km。铁路设计规范规定，长度超过3 km 的隧道需冗余覆盖[1]。在集通电气化改造项目施工图设计时，将统筹考虑克什克腾隧道、相邻的南店隧道（DK491+055 至DK491+406）以及与基站机房（DK474+580 和DK492+620）相邻的区间。本文将针对克什克腾隧道GSM-R 覆盖问题，提出解决方案。

2 长大隧道方案研究

克什克腾隧道内冗余覆盖可采用两种技术：分布式基站或者数字光纤直放站，每种技术均可采用单网交织或者同站址双网冗余覆盖方式[2-3]。单网交织组网通过相邻的场强互相覆盖到对方站址，从而实现冗余覆盖，同站址双网是在同一站址设置两套独立无线设备，形成双层网络，从而实现冗余覆盖，双层网络一般采用主备用的工作方式，即双层网络中的一层作为主用层，另一层作为备用层[4-5]。

2.1 分布式基站方案

2.1.1 单网交织组网

单网交织组网时，在克什克腾2 个隧道口机房各设置1 套BBU，每个BBU 顺序接6 个RRU，各BBU 与RRU 之间通过2 芯光纤星型连接。由于隧道长度10.7 km，考虑交织冗余及RRU 的覆盖范围，RRU 间距为1.5 km 左右，隧道内共需设置8 套RRU，隧道内中间4 个RRU 可由BBU1和BBU2 提供主备信号源，两侧隧道端口的各2个RRU 则需接入DK492+620 基站BBU3，保证接引备用信号源。网络结构如图1 所示。其中，DK474+580 基站机房至克什克腾隧道口区间利用BTS+天线和RRU+天线进行普通单网覆盖。克什克腾隧道口至南店隧道口区间利用RRU+天线进行普通单网覆盖。南店隧道内采用RRU+漏缆进行普通单网覆盖。南店隧道口至DK492+620 基站机房区间利用RRU+天线进行普通单网覆盖。隧道内RRU+漏缆方式进行单网交织冗余覆盖。

图1 分布式基站单网交织组网示意图Fig.1 Schematic diagram of single-network interleaving for distributed base stations

当隧道内任一RRU 故障时，相邻的RRU 仍能提供覆盖；当BBU1 或者BBU2 故障时，RRU 仍可由BBU3 和BBU2 或者BBU1 和BBU3 提供信号源，保证隧道内无线信号覆盖。

2.1.2 同站址双网组网

同站址双网组网时，在克什克腾隧道的2 个隧道口机房各设置1 套BBU，隧道内每个站点设置两套RRU，RRU 间距为2 km 左右，隧道内需在设置12套RRU。同站址的2 个RRU 分别接入两个BBU，各BBU 与RRU 之间通过2 芯光纤星型连接。其中，偶数RRU 设备接引BBU1；奇数RRU 设备接引BBU2；BBU1 与BBU2 互为备用信号源，隧道内的RRU 无需接引BBU3。网络组网如图2 所示。隧道外无线覆盖方式与上述单网交织组网时相同。

当隧道内任一RRU 故障时，同站址另一RRU仍能正常提供覆盖；当BBU1 或BBU2 故障，BBU2 或BBU1 仍能提供信号源，保证隧道内无线信号覆盖。但当同站址2 个RRU 同时故障，相邻RRU 不能提供覆盖，通信中断。

2.1.3 分布式基站冗余方案分析

1）单网交织

优点：若RRU 单点故障，只影响RRU 对应覆盖区域。BBU 单点故障，不影响无线覆盖。由于分布式基站加密，覆盖电平较高，抗干扰能力也较强。

缺点：RRU 加密后，供电点增加，需要的光缆芯数多。隧道内共小区后，正常情况隧道内2 个小区，同时需考虑故障情况下，BTS1、BBU3 与隧道端口BBU 的切换，频率规划复杂，切换次数多，增加了通信中断的概率。

2）同站址双网

优点：RRU 或BBU 单点设备故障，不影响无线系统覆盖，系统可靠性较高。隧道内供电点相对减少，需要光缆芯数少。正常情况隧道内同一小区，避免小区切换和减少通信中断概率。

图2 分布式基站同站址双网结构示意图Fig.2 Schematic diagram of double networks for the same site for distributed base stations

缺点：同站址双网的两层网络覆盖区域基本重叠，每一层网络的覆盖方式、覆盖电平等与普通单网类似，抗干扰能力较差，且不具备容灾能力。

分布式基站的单网交织和同站址双网的比较分析，具体如表1 所示。

表1 网络结构比较表Tab.1 Comparison between network structures

结合现场实际情况以及两个网络优缺点，克什克腾隧道适宜采用单网交织冗余方案。

2.2 数字光纤直放站方案

2.2.1 单网交织组网

隧道内采用数字光纤直放站单网交织组网时，在DK474+580 和DK492+620 处基站机房各设置1套BTS、2 套近端机、1 套功分器和1 套耦合器。远端机的间距为1.5 km 左右，隧道内共需设置8套远端机，前4 台远端机分别接引主用近端机1 和备用近端机4，后4 台远端机分别接引主用近端机3和备用近端机2，各远端机与近端机之间通过2 芯光纤星型连接。网络结构如图3 所示。其中，克什克腾隧道外采用远端机+天线方式进行普通单网覆盖，南店隧道的远端机接至近端机3，隧道内远端机+漏缆方式进行单网交织冗余覆盖。

当隧道内任一远端机故障时，相邻的远端机仍能提供覆盖；当任一近端机故障时，备用近端机仍能提供信号源，保证隧道内无线信号覆盖。

2.2.2 同站址双网组网

同站址双网组网时，在DK474+580 和DK492+620 处基站机房各设置1 套BTS、1 套近端机和1台耦合器，隧道内每个站点设置两套远端机，同站址的2 个远端机分别接引两个近端机，各远端机与近端机之间通过2 芯光纤星型连接，接引方式与分布式基站同站址双网相同。远端机间距为2 km 左右，隧道内需在设置12 套远端机。网络组网如图4所示。隧道外无线覆盖方式与数字光纤直放站的单网交织组网时相同。

隧道内任一远端机或近端机故障，仍能保证无线覆盖，原理与分布式基站同站址双网类似。

2.2.3 数字光纤直放站冗余方案分析

数字光纤直放站单网交织和同站址双网除在两处基站机房设置的近端机、功分器、耦合器设备数量不同，其余优缺点与分布式基站相同。

图3 数字光纤直放站单网交织结构示意图Fig.3 Schematic diagram of single-network interleaving for digital optical-fiber repeater stations

图4 数字光纤直放站同站址双网结构示意图Fig.4 Schematic diagram of double networks for the same site for digital optical-fiber repeater stations

2.3 分布式基站和数字光纤直放站方案分析

分布式基站与基站设备同一厂家，便于维护管理，无需单独设置网管设备，同时节省两处基站机房的无线设备及供电点，且在公网实践经验中有更好的覆盖效果，但需在隧道口建设机房。数字光纤直放站的设备价格较低，无需在隧道口建设机房，但需在两处基站机房额外设置远端机设备，并设置直放站网管设备。综合考虑两种方案的优缺点并结合现场实际情况，克什克腾隧道适宜采用分布式基站方案。

针对克什克腾隧道及其邻近区域，分布式基站和数字光纤直放站的两种冗余组网结构，4 种方案均能满足铁路设计规范的规定[6-7]。通过以上对比分析，结合现场实际情况以及考虑方便业主运维和无线场强覆盖稳定性等方面，克什克腾隧道宜采用分布式基站单网交织冗余组网对隧道弱场进行覆盖。

3 结束语

随着铁路系统智能化、数字化飞速发展，5G 技术将应用于铁路无线通信系统[8]。5G 仍然沿用基带射频分离架构，采用AAU+BBU 方式实现小区覆盖。分布式基站架构与5G 架构相同，采用分布式基站技术，能快速的平滑演进升级，也是最优低成本的演进方式。本文对于未来5G-R 技术解决长大隧道覆盖，具有借鉴意义。