高速铁路复杂线路区段GSM-R系统方案设计与网络优化

张 健，朱啸豪，王伟力

（1.中国铁路上海局集团有限公司，上海 200071；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063）

1 概述

截至2022 年6 月，国内铁路营业里程已超过15 万 km，其中高速铁路运营里程超过4 万 km。随着无线通信系统建设为GSM-R 系统的铁路工程不断增加，GSM-R 覆盖的路网密度不断加大，涉及到复杂线路区段也越来越多，GSM-R 无线通信系统方案已成为设计的难点。目前GSM-R 系统承载着高速铁路CTCS-3 列车运行控制业务[1]，对实时性、可靠性有着极高的要求。

在不影响既有高速、普速铁路正常运营的情况下，必须确保新建高速铁路联调联试测试无线覆盖和服务质量符合CTCS-3 区段安全运行要求[2]。本文以近期开通的高速铁路典型复杂线路区段为例，针对设计过程的难点和联调联试过程中遇到的多径干扰、电平不一致、无线干扰引起质差等问题，提出设计与网络优化方案。

2 典型区段说明与解决方法

2.1 湖杭与宁杭、宣杭交叉并线区段

湖杭高铁自设计起点湖州站开始与宁杭高铁并线长达50 km，经过德清站后，两线最远距离仅为678 m，在范家漾线路所两线分开。如图1 所示，在与宁杭分开约6 km 后，湖杭高铁与宣杭铁路交叉，该区域近期还规划有拟建沪乍杭铁路、杭州北联络线、北东联络线工程经过。该区域地势平坦，电磁波传播环境良好，多线交叉，高速铁路与普速铁路交错，因此GSM-R 方案设计难度极大。

为避免多条线路乒乓切换[3]，简化此交叉并线区段基站切换关系，采用BBU+RRU 设备构成异站址冗余分布式基站，将该区段归属于一个范围较大的基站小区，同时利用分布式基站较大的功率，提供良好的信号覆盖。无论哪个方向、哪条线路的车经过此地段，都将如图1 所示大小区作为切换小区。宁杭高铁的列车行驶切换顺序为DQ-HZD04、大小区、DQ-HZD06；湖杭高铁的列车行驶切换顺序为DQ-HZD04、大小区、湖杭基站(DQ-HZX02)。基于此方案，将两线交叉点既有宁杭(DQ-HZD05)基站替换为两套RRU，两套RRU 分别朝宁杭大里程、宁杭小里程、湖杭大里程3 方向覆盖。大小区内的所有基站设备接入湖杭高铁在杭州南新设的BSC 设备。大小区与宁杭既有基站（DQ-HZD06）之间跨BSC 切换。分布式基站（DQ-HZX02_RU2）至分布式基站（DQ-HZX02_RU3）与既有宣杭铁路十字交叉，既有宣杭铁路为单网方式组网，宣杭铁路切换方式为DQX-XGT04 切换至大小区至XingGongTang 车站。湖杭高铁K367+626至K383+320 与既有宣杭铁路并线，此区段宣杭铁路为450 MHz 无线列调，因此不影响湖杭GSM-R无线覆盖。

图1 湖杭与宁杭、宣杭交叉并线区段示意Fig.1 Schematic diagram of cross parallel sections of Huzhou-Hangzhou, Nanjing-Hangzhou and Xuancheng-Hangzhou high speed railways

在上述方案实施之后，进行了湖杭高铁半数站序列测试，部分测试结果如图2 所示。GouZhuangSuoA 至GZX-HZX02 切换前后下行电平和通信质量正常，但查看接口监测数据，存在7 级 上 行 通 信 质 量[4]，GouZhuangSuoA 为位置组大小区，共有4 个位置组，在该位置应由GouZhuangSuo_RU4A 覆盖，上行质差推测为由于网内问题导致。

图2 湖杭高铁半数站序列测试部分结果示意Fig.2 Schematic diagram of sequence test results of half stations of Huzhou-Hangzhou high speed railway

为解决GouZhuangSuo_RU4A 覆盖区域7级质差问题，将GouZhuangSuo_RU4A 功率由20 W 降低为5 W，同时将GouZhuangSuoA至GZX-HZX02 的PBGT 门 限 由67 dB 调 整 为65 dB，PBGT 统计时间由3 s 调整为2 s，PBGT持续时间由2 s 调整为1 s，将GZS-HZX02 至GouZhuangSuoA 的PBGT 门限由76 dB 调整为70 dB。

完成上述操作后，上/下行通信质量都得到了明显改善，优化后的结果如图3 所示。

图3 优化后湖杭高铁半数站序列测试部分结果示意Fig.3 Schematic diagram of partial sequence test results of half stations of the optimized Huzhou-Hangzhou high speed railway

2.2 湖杭与杭温、杭昌交叉并线区段

如图4 所示，湖杭高铁与杭温高铁并线经过桐庐东站，距桐庐东站约2 km 处两线分开，湖杭高铁开始与杭昌高铁并线运行，三线交叉点位于距桐庐东站3.5 km 处，湖杭高铁、杭昌高铁在距交叉点1.5 km 开始进入平行隧道区段。该区域在三线交叉区域，地势较为平坦，但湖杭高铁、杭昌高铁立即进入隧道区段，同时杭昌高铁是既有高速铁路，客运繁忙，湖杭高铁的建设不能对杭昌高铁日常运营产生影响，因此该区段无线设计难度较大。

图4 湖杭与杭温、杭昌交叉并线区段示意Fig.4 Schematic diagram of cross parallel sections of Huzhou-Hangzhou, Hangzhou-Wenzhou and Hangzhou-Nanchang high speed railways

湖杭高铁建设时，将杭昌基站FY-TL07（杭昌K76+485）移至湖杭、杭温、杭昌的交叉点处，并同址新增双基站（双基站型号与杭昌基站FY-TL07一致），用于解决单点故障时无线覆盖问题。湖杭高铁平行于杭昌高铁的隧道利用杭昌高铁既有基站增加光纤直放站方式，结合漏泄同轴电缆和天线覆盖。此交叉点处新增的双基站分别新设4 副天线分别往杭温高铁、杭昌高铁大小里程覆盖。

湖杭高铁联调联试期间，综合检测车测试桐庐东站至桐庐站联络线发现FY-TL07A 基站的桐庐和桐庐东方向，存在电平不一致情况[5]，FY-TL07A基站主用设备比备用设备低15 dB 左右。可能存在的问题包括基站主、备设备发射功率不一致，功分器问题，7/8 馈线以及跳线问题，天线问题，连接方式错误，存在鸳鸯线等。湖杭高铁针对可能存在的问题进行逐一排查。

FY-TL07A 天馈正确连接方式如图5 所示，通过测试桐庐东方向天馈线驻波，发现存在驻波问题，在更换软跳线后，驻波问题得到解决。通过对基站功率、驻波、鸳鸯线排查、以及天馈线倒换逐一配合覆盖测试，最终将问题定位在7/8 馈线接口。

图5 FY-TL07A天馈正确连接方式Fig.5 Correct connection mode of the FY-TL07A antenna feeder

在7/8 馈线主、备对调之后，电平不一致现象发生了倒换，同时主备电平差值也缩小，因此判断为原主7/8 馈线接头与原接口匹配不良，更换为备用后情况好转。

2.3 张吉怀连续隧道区段

有着“最美铁路”之称的张吉怀高铁一路翻山越岭，隧道123 座，其中5 km 以上隧道6 座，是一条隧道占比高达71%的山区铁路，对于GSM-R覆盖，难点主要体现在连续隧道的恶劣自然环境和山体磁场对电磁波传播的影响。张吉怀工程全线除FuRongZhen 外，其他基站均下挂直放站。

某厂家基站为多通道热备机制[6]，多路信号通过内部时钟同步后进行合路输出。张吉怀高铁采用该基站信号作为信源，通过耦合器接入直放站近端机，直放站近端机经过时延处理后，在远端机上同步发射。在此过程中GZX-JSD06 基站的2 路相同信号通过2 个耦合器后，由于耦合器性能不同导致输出信号相位有差异，合路后信号出现功率波动，引起直放站近端机接收到的信号存在跳变现象，经过远端机放大后导致空间信号大幅度跳变。通过基站时延调整，匹配了合路后的信号相位，直放站近端机信号可接收到稳定输入。

在联调联试期间，如图6 所示，GZX-JSD06 小区K128+838 到K128+752 处存在连续下行4 级质差，K127+874 到K127+745 处存在连续下行4/5级质差。

图6 张吉怀高铁GZX-JSD06小区测试记录Fig.6 Test records of GZX-JSD06 cell of Zhangjiajie-Jishou-Huaihua high speed railway

通过修改基站GZX-JSD06 多通道时延参数，由（0、0、0、0）调整为（0、2、0、2），上/下行通话质量得到明显改善。

3 总结与建议

本文通过对近期开通高铁的几处典型交叉并线和连续隧道案例进行详细分析，针对GSM-R 网络设计过程中存在的难点提出解决方案，同时针对工程测试中出现的问题，提出网络优化方案。随着国内铁路路网的建设，将会有越来越多的新建线路与既有线交叉并线、线路自然环境复杂、翻山跨海等场景，这已经成为不可避免的工程难点。对于类似上述区域，在设计阶段应提高方案可用性及可靠性，在测试阶段应根据现场条件、设备特点、施工工艺等方面进行网络优化。