兰新线天山隧道GSM-R区段采用分布式基站和天线取代漏缆研究

刘宪忠

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

1 研究目的和意义

针对隧道内漏缆覆盖存在的问题，根据既有线路车速较低隧道效应显著的特性，结合铁路隧道具有长短不一、空间狭窄、话务量小等特性，部分隧道采用方向性好、体积小、增益高等特点的专用天线进行覆盖，可有效降低施工难度、工程造价、设施维护要求，符合节能环保总体趋势，对推进既有线GSM-M改造工程、保障铁路行车安全和正常运营具有重要现实意义。

2 主要研究内容

2.1 总体设计思路

分析GSM-R信号在隧道内的传播特性，在满足GSM-R系统技术要求的基础上，提出隧道内采用天线代替漏泄同轴电缆覆盖的技术方案。采用Okumura-Hata模型，结合基站、分布式基站设备和小型双极化定向天线增益等参数，对兰新线天山隧道内覆盖进行模拟场强覆盖计算和预测。

在技术方案中，模拟测算采用天线信号在隧道内覆盖衰减模型图，天线选择适合空间受限的小型双极化定向天线，天线增益为10dBi，信号源采用华为分布式基站设备。考虑火车在隧道中的填充作用对信号传播有影响，冗余量按10dB考虑。覆盖方案按95%的时间、地点概率下最小可用接收电平为-98dBm的覆盖设计。

技术方案：Pout：40dBm；

Lpath（d）：传播损耗；

Lcable（d）+Ljumper：5dB；

Gant：天线增益10dBi；

f－工作频率（按930MHz计算）；

d－传播距离（m）；

覆盖距离计算公式如下：Lpath（d）=20lgf+30lgd-28dB；

根据上述模型以及允许的路径损耗，得出基站的覆盖预测结果为：隧道使用分布式基站+小天线的方案，覆盖距离为2100m。

2.2 系统研制技术要点

2.2.1 天线覆盖计算

通过各种电波传播模型进行分析，使用天线覆盖时，根据铁路环境特点结合Okumura-Hata模型公式，车站区域采用开阔地模型、明区间采用乡村公路模型，隧道采用隧道模型。经理论分析计算，设备发射功率5W，铁塔高度30m，边缘场强-98dBm（95%），无源功分插损4dB，明区间冗余储备16.8dB，隧道环境冗余储备10dB的情况下，覆盖距离理论计算如下表1：

表1 覆盖距离理论计算

根据隧道长度、避车洞位置，选择合适的位置安装RRU设备和天线，实现隧道内的信号覆盖。

2.2.2 系统可靠性

在隧道内节点，系统采用A、B网冗余机制。在达坂城车站设置了2套BBU设备（BBUA和BBUB），BBUA和BBUB通过不同的2M环路接入BSC。在隧道内节点设置了2套RRU（RRUA和RRUB）设备，RRUA和RRUB利用2条光缆中各2芯光纤分别接入达坂城车站的BBUA和BBUB。

2.2.3 设备可靠性机制

每套BBU设备由2台BBU设备组成（BBU主、BBU备），每套RRU设备由2台RRU设备组成（RRU主、RRU备）。RRU主、RRU备分别接入BBU主、BBU备，同时BBU主备和RRU主备设备之间通过光纤互联。RRU主备采用电桥、跳线、馈线同时与天线连接。

在实施中，考虑小型化天线的尺寸、性能及安装支架的强度，在实现信号覆盖的参数指标同时，保证设备结构强度满足铁路列车200km/h速度下的安全运用要求。

2.3 隧道内安装天线与敷设漏缆施工比较

2.3.1 隧道内漏缆施工

（1）施工内容：隧道施工涉及兰新线天山站至达坂城站一个区间，3个隧道，其中天山一号长1555m，天山二号隧道4002m，天山三号隧道3322m。隧道漏缆施工内容主要包括隧道壁划线定位、隧道壁漏缆卡具打眼及安装卡具，沿卡具敷设漏缆、隧道内漏缆接续等内容。

（2）施工计划：隧道内所有施工必须在乌鲁木齐局集团有限公司审批的封锁施工计划范围内进行。兰新线天山隧道群施工天窗均在夜间，每日施工天窗时间为120分钟。

作为本项工程中重难点单项工程之一，在工程《实施性施工组织设计》中天山隧道群漏缆施工安排的工期为：30个施工天窗。

2.3.2 隧道内安装天线施工

（1）施工内容：隧道施工涉及兰新线天山站至达坂城站一个区间，3个隧道，其中天山一号长1555m，天山二号隧道4002m，天山三号隧道3322m。隧道漏缆施工内容主要包括基站设备安装、天线安装和基站设备至天线的馈线敷设等内容。固定安装天线合计10副，其中隧道口6副，隧道内2处4副。

（2）施工计划：隧道内所有施工必须在乌鲁木齐局集团有限公司审批的封锁施工计划范围内进行，兰新线天山隧道群施工天窗均在夜间，每日施工天窗时间为120分钟。

隧道内采用天线代替漏泄同轴电缆覆盖的技术方案后，计划10个施工天窗，完成了天山隧道群内基站设备安装、天线安装和线缆连接等相关的施工作业。

隧道内采用安装天线方案相较敷设漏缆具有明显优势，安装天线受隧道电磁环境影响小，施工难度低和周期短，降低了后期维护工作量和成本，间接降低了对铁路行车组织和行车安全影响。

3 技术方案

3.1 系统结构

3.1.1 系统组成对天山隧道群GSM-R覆盖采用分布式基站+天线覆盖方式，根据场强覆盖预测计算和隧道长度、避车洞位置等，系统组成如图1所示。

图1 天山隧道群GSM-R系统图

3.1.2 天线安装

隧道内天线采用小型双极化定向天线，天线安装如图2所示。

3.2 系统部署方案

隧道群覆盖采用多RRU共小区，根据规范要求，隧道内分布式基站采用A/B网冗余覆盖组网，确保一个BBU设备和任一RRU之间光纤中断时，RRU仍能提供服务；确保任一RRU故障发生故障，相邻RRU仍能提供服务。

4 隧道内天线覆盖方案的实施应用

根据天山隧道群内天线代替漏泄同轴电缆覆盖的技术方案，采用分布式基站设备（DBS3900）带不同规格型号天线（双极化定向天线17dBi+小型双极化定向天线10dBi）、两副小型双极化定向天线和三副小型双极化定向天线，实际使用12个施工天窗，组织完成天山隧道群内分布式基站设备和天馈线安装实施工作。通过网管驻波测试，结果表明各种情况下分布式基站设备天馈驻波均满足技规要求（≤1.4）。

5 服务质量测试、分析

系统调试完成后，利用电务试验车搭载进行了多次测试，在天山隧道区段GSM-R场强覆盖、服务质量均满足设计规范相关要求，满足铁路对行车安全和运营组织要求。同时可有效降低施工难度、工程造价、设施维护要求，对推进既有线GSM-M改造工程、保障铁路行车安全和正常运营具有重要现实意义。