GSM-R特殊区段网络覆盖的研究

周宇晖

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

GSM-R特殊区段网络覆盖的研究

周宇晖

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

在GSM-R网络的建设过程中，在车站、大型枢纽站存在多条铁路线路并行、交叉、汇合的情况，这种场景对GSM-R网络覆盖提出很高的要求。通过结合杭州枢纽工程实际应用，总结并研究GSM-R在特殊区段下网络覆盖的关键技术。

GSM-R；特殊区段；网络覆盖

1 概述

随着我国大规模建设200～250 km/h、300～350 km/h高速铁路和长大干线改造项目的GSM-R网络，在车站、大型枢纽站存在多条铁路线路并行、交叉、汇合的情况，如武汉枢纽、杭州枢纽、广州枢纽、南京枢纽、上海枢纽、南昌枢纽、西安枢纽、郑州枢纽等，这些区域线路纵横交错，线路等级各不相同。在上述区域线路地形相对复杂，线路平行间距或近或远，可能有山或楼体阻挡，造成GSM-R无线覆盖困难；线路等级也各不相同，有高速客运专线、城际铁路、客货混跑铁路，各线路GSM-R无线覆盖和性能指标要求各有不同；有新建线路，也有既有线路，它们的投资规模、建设工期和模式也不尽相同，造成统一规划设计、建设管理及工程进度安排的困难。此外，中国铁路GSM-R系统有限频率资源使得在此类区域的无线小区规划、频率分配、切换设置成为难题。如果各线路GSM-R系统独立规划、建设，空间无线信号将相互影响，加上频率资源紧张，容易造成严重的相互干扰，而且由于中国铁路只有一个GSM-R网络，在这些区域容易造成移动台无线接入、小区重选、切换混乱。中国铁路GSM-R系统建设过程中面临着无线覆盖和频率规划等技术难题。因此，在这些铁路区段、地区进行GSM-R网络规划和建设时，必须统筹考虑各GSM-R系统的无线设备设置、小区覆盖规划和频率规划，避免相互影响、干扰。

2 杭州枢纽GSM-R网络覆盖方案

2.1 存在问题

杭州枢纽汇聚沪杭客专、宁杭客专、杭甬客专、杭长客专等多条已建成的CTCS-3（简称C3）级线路，远期还将接入商合杭、杭黄、西北环线、江东支线等采用GSM-R网络的新建铁路，枢纽涉及线路多，位置关系复杂，速度和列控等级不同，且建筑密集，无线传播复杂，对各基站的覆盖情况进行理论预测较困难，需根据实际测试情况进行调整。在杭州枢纽中这些问题主要体现在北侧区域和南侧区域。

2.1.1 杭州枢纽北侧区域

2010年，沪杭客专开通运营，沪杭进杭州东之前尚有3个区间基站未建成。在工程设计初期，各线根据本线需求分别对GSM-R系统无线站点布设进行了规划设计，随后，宁杭、杭甬、沪杭引入及杭州东枢纽工程（三线一枢纽）相继开工，在杭州东以北形成多条线路交叉汇聚的特殊区域，出现了频率资源紧张和越区切换难以控制的问题。

工程设计初期，在该区域GSM-R系统无线站点布设如图1和表1所示。

图1 GSM-R系统无线站点布设图

表1 GSM-R系统无线站点布设

经分析测试，该区域GSM-R系统无线站点布设方案主要存在以下几方面的问题：

1）基站分布较密，频率资源有限，频率规划困难

在沪杭、宁杭线路交叉点2 km左右的区域里，规划设计5个站点、7个基站、共10个载频。考虑到该区域附近其他3个基站共7个载频，以及周围杭州站3载频、杭州东站4载频，整个杭州东枢纽北部共设12个基站、24个载频。基站分布密，频率复用距离很小，可能会导致网内同邻频干扰，影响网络的通信质量，甚至可能引起掉话。

2）重叠覆盖区域较多，切换难以控制，影响CSD指标

由于宁杭、沪杭交叉点附近基站布设较密，基站覆盖的重叠区域较多，工程实施前，经测试发现存在切换次数频繁、乒乓切换等问题，增加了传输干扰次数，且严重时会引起掉话。

2.1.2 杭州枢纽南侧区域

杭甬线自杭州东引出，向南经过杭州南站在DK18（HZH-SX01）附近转而向东延伸，杭长线在DK18附近向南延伸，线路图如图2所示。

图2 杭州枢纽南侧区域线路图

经分析，杭长线和杭甬线交叉并线区域GSM-R系统无线站点布设方案主要存在以下几方面的问题：

1）频率分配问题

杭甬线的频率配置目前为8频组复用，杭州南、杭长线和杭甬线交叉站点按照容量需求，均需配置3个载频，还要考虑冗余覆盖，频率难以规划。

2）越区切换问题

杭长线和杭甬线交叉点附件基站间重叠区域较多，可能会导致乒乓切换等问题，CSD指标难以达标。

2.2 解决方案

2.2.1 杭州枢纽北侧区域GSM-R无线覆盖解决方案

截止2012年11月，杭州枢纽涉及多条C3线路，主要包括已建成的沪杭客专、在建的宁杭客专、杭甬客专、在建的杭长客专；枢纽内部包含多个车站，其中包括杭州东站、杭州站、杭州南站；枢纽内GSM-R基站已基本建成，频率分配成为难题，基 站YH-HZD03、YH-HZD04、YH-HZD05、HangZhouDong基站间距较小，基本为2.2～2.5 km，基站分布较为密集，容易导致切换混乱，将直接影响后期的宁杭、杭甬以及杭州东站GSM-R基站的开通及联调联试，因此，有必要根据现有的GSM-R基站分布及建设情况，进行必要的调整，为后期各工程的联调联试创造条件。

调整前场强覆盖模拟图如图3所示。

图3 场强覆盖模拟图

从技术角度而言，在宁杭、沪杭交叉位置，即沪杭DK154+910处附近新建GSM-R双基站为最佳网络优化方案，即将同址的双基站YH-HZD05 和DQ-HZD10向北移动900 m到沪杭铁路和宁杭铁路的交叉区。该方案可以彻底解决高速线路切换问题，普速线的切换问题基本解决，后期可以参数优化，减少了交叉点的基站和载频数量，增长了频率复用距离，解决了频率分配问题。

但受笕桥军用机场限高要求，铁塔高度受限，无法满足GSM-R无线覆盖要求。因此，根据杭州枢纽北侧GSM-R系统建设现状和机场限高要求，给出GSM-R网络优化调整方案建议，具体如下：

1）取消部分基站站点

取消JianQiao基站，由YH-HZD04基站新增天线提供该区域无线覆盖；

2）将基站改为直放站

取消GenShanMen XLS基站，改为直放站，从YH-HZD05接引基站信号，以解决沪杭线列车开行时短号码呼叫的连续性；

3）调整部分基站配置

*沪杭YH-HZD05基站配置由原设计的O3调整为O2+1；

*枢纽工程GenShanMen基站配置由原设计的O3调整为O2+1；

*宁杭DQ-HZ09A/B由设计的O2分别调整为O1+1。

4）对枢纽地区的基站频率进行统筹规划，各线基站频点做相应调整。

5）网优过程中，对天馈及参数配置进行反复调整，具体如下：

*YH-HZD04基站200°扇区对宁杭线覆盖较强，影响宁杭线正常切换，采用小增益天线，并增加衰减器；

*YH-HZD05与DQ-HZ09之间线路弯路较大，且附近楼房密布，基站覆盖效果较差，DQHZ09A/B基站120°扇区采用正常基站天线；

*YH-HZD05基站15°扇区和YH-HZD04基站200°扇区对老沪杭笕桥线路所区域覆盖效果较差，增加YH-HZD04基站120°扇区。

*对天线下倾角及网络参数进行反复调整，进一步优化覆盖和越区切换。

2.2.2 杭州枢纽南侧区域GSM-R无线覆盖解决方案

目前，杭甬线已经开通运行，杭长线正处于建设阶段。2013年，杭长接入时，主要从以下方面对覆盖方案进行调整。

1）并线区段共用并扩容既有基站

杭州枢纽内杭州东至杭州南区段杭长客专与杭甬铁路为并行区段，该区域扩容并利用杭甬铁路5处基站设备，从O2扩容到O2+1。

2）增加基站站点

杭长客专与杭甬线并线交叉点新增一套基站HZN-ZJ01,与既有基站实现同址双基站冗余覆盖方式。其中，主用基站采用既有基站HZNSXB01，站型维持O2不变，新设基站HZN-ZJ01作为备用基站，站型配置为O1+1。

3）调整基站配置

交叉点处基站的第一个邻站HZN-ZJ02配置为O2，第二个邻站HZN-ZJ03配置为O1+1。

4）调整频率分配方案

按照尽量减少对既有杭甬线调整的原则，降低对既有线的影响杭长接入时，对交叉并线区段的频率进行统一规划，共计调整杭甬线5处站点的频率配置。

频率分配方案如表2所示。

5）枢纽地区不同线路的基站共用BSC

按照枢纽地区尽量减少跨BSC切换的原则，杭州南站引出之后的3个基站接入已开通的宁杭BSC，其余正线基站接入新设BSC。

基站容量的计算：

枢纽地区线路数量多，且GSM-R包含语音业务、数据业务，业务种类繁多，对枢纽地区的基站容量进行合理测算，才能优化频率资源的配置。下面以杭州枢纽南侧区域杭长和杭甬并线区段的基站容量测算为例，来讨论枢纽地区基站容量的测算。

表2 频率分配方案表

首先计算C3基站覆盖区域内每基站的列车数，公式为：

其中，n为并行路轨数量，Ltrack为覆盖轨道长度（m），Speedtrack为该段路轨列车速度范围（m/s），Tt为相邻两辆列车时间间隔（s）。

其中，n=1，Ltrack=3 km，Speedtrack=350 km/h，Tt=（3/60） h

计算出杭长线和杭甬线并线区段每基站的列车数约为1列列车，考虑双向4轨道4列车，其话务量计算如下：

列车语音话务量： 15 mE×8×4=480 mE

其他语音话务量： 20 mE×3人/km×3 km= 180 mE

语音组呼话务量： 50 mE×3人/km×3 km/3 （3人一组） =150 mE

总语音业务量：480 mE+180 mE+150 mE= 810 mE

语 音 业 务 需 要 的TCH数：0.81E @0.5% blocking=5 TCH

CTCS-3 业务：4×1 TCH=4 TCH

对TCH总 需 求：4 TCH+5 TCH+1 TCH （GPRS)+1（BCCH）+1（SDCCH）=12 TCH= 2 TRX

根据区间容量的总需求，容量为2 TRX，考虑一个载频单元的备份，由于在有限的无线频率资源限制下还需确保一定的频率复用距离，以满足C3对GSM-R服务质量的要求，并线基站载频配置可以为O2+1。

3 杭州枢纽GSM-R网络覆盖方案试验验证

3.1 杭州枢纽北侧区域

根据GSM-R无线覆盖解决方案，杭州枢纽北侧GSM-R小区覆盖优化调整之后，整个枢纽的GSM-R无线覆盖和切换关系会产生变化，由于该区域涉及沪杭、宁杭、杭州东改扩建工程，且主要为C3列控线路，鉴于调整优化方案存在技术风险，为了确保调整后的宁杭、沪杭C3业务稳定运行，必须在枢纽北侧GSM-R小区覆盖优化调整实施之前，进行必要的模拟测试工作对方案予以验证。

3.1.1 模拟场强测试验证

主要测试方案为：对枢纽北侧调整之后的方案GSM-R站点进行模拟场强测试；对宁杭、沪杭建立铁塔未使用的基站，在铁塔上架设天线进行模拟场强测试；没有建立铁塔的基站位置，树立拉线塔进行模拟场强测试。测试路线为该基站可能覆盖到的区域，宁杭线和沪杭客专新站割接入枢纽后，测试其对既有线路的影响。

3.1.2 测试区域选择

杭州枢纽北侧区域场强测试分为3个重点测试区域，具体如图4所示。

1）浅灰色圈所示区域，由于该区域YH-HZD04、DQ-HZ09、YH-HZD05相邻较近，机车在沪杭线驶入杭州东站或宁杭线驶入杭州东站时，可能会引起切换问题甚至造成掉话。本次需要测试宁杭线和沪杭线相互影响的情况。

2）深灰色圈所示区域，关闭DQ-HZ11基站后，机车行驶在宣杭线或者老沪杭线时，可能存在切换问题。本次需要测试GenShanMen、YH-HZD05、DQ-HZ09基站在该区域的场强情况，判断关闭该基站对切换的影响。

图4 基站布点示意图

3）黑色圈所示区域，关闭JianQiao基站后，机车行驶在老沪杭线时，可能存在切换问题。本次需要测试YH-HZD04、YH-HZD05基站在该区域的场强情况，判断关闭该基站对切换的影响。

3.1.3 测试步骤

1）在YH-HZD05铁塔架设发射机，天线角度按照该基站设计角度15°、330°，分别步行测试沪杭线和宁杭线的场强情况，老沪杭的场强覆盖情况。

2）在DQ-HZ09铁塔架设发射机，天线角度按照该基站设计角度120°，步行测试宁杭线和其对沪杭线的场强情况。

3）在YH-HZD04铁塔架设发射机，天线角度按照该基站设计角度120°、200°，步行测试沪杭线和其对宁杭线的场强情况，添乘测试对老沪杭笕桥线路所覆盖的场强情况。

4）在YH-HZD05铁塔架设发射机，天线角度按照该基站设计角度250°，测试老沪杭和宣杭线的场强覆盖情况。

3.1.4 测试结论

测试完成后，对测试结果进行收集整理，导入相关网络规划工具内进行分析。考虑切换情况，对于C3列控线路需要考虑到单点故障的情况。经测试验证后，杭州枢纽北侧区域GSM-R无线覆盖调整方案可以满足线路的业务需求。

后期，宁杭、杭甬、沪杭顺利接入杭州枢纽，各线动态验收指标符合要求，目前各线路系统运行良好稳定。

3.2 杭州枢纽南侧区域

根据GSM-R无线覆盖解决方案，杭州枢纽南侧主要对基站频率进行重新规划和调整，不涉及覆盖范围与切换关系的改变。因此，计划通过覆盖与干扰仿真和添乘杭甬客专动检车测试的方式对方案予以验证。

3.2.1 仿真验证

根据频率分配情况，对杭州枢纽地区的基站覆盖和干扰情况进行仿真，结果如下：

建议HZN-SXB01,HZN-ZJ01基站和周围基站用65°水平波瓣天线，这样可以提供更好的覆盖。覆盖仿真如图5所示，覆盖情况良好。

杭长线和杭甬线交叉并线区段干扰仿真结果如图6所示，结果较好。

图5 覆盖仿真图

杭长线和杭甬线交叉并线区段基站分布较为密集，频率规划紧张，后期新引入线路导致前期线路大范围基站的频率调整，此类现象也是枢纽地区GSM-R无线覆盖的共性问题。

图6 干扰仿真图

3.2.2 添乘测试验证

通过对覆盖仿真和干扰仿真结果分析，本次杭州枢纽南侧区域的GSM-R无线覆盖解决方案具备可行性，但由于对既有杭甬线基站频率进行了修改，为不影响既有线的正常运行，计划添乘每日动检车，利用动车组列车尾部（非运行端）CIR天线对杭甬线进行测试验证。

整个添乘测试分为以下二个阶段：

1）第一阶段

a.非天窗时间段

为避免发生乒乓切换和频率干扰影响杭甬线正常C3业务，关闭杭长线与杭甬线交叉区的基站，分别 为HZN-ZJ01、HZN-ZJ02、HZN-ZJ03基 站。

b.天窗时间段

开启交叉区段杭长线基站，并根据频率规划方案将杭甬和杭长线基站频率进行配置，在杭甬线进行话音长呼测试和各项QoS指标优化测试（包括半数站测试），并根据当时的添乘测试结果，决定是否需要将杭甬线频率还原，全部测试与调整过程均在天窗点内完成，不会对既有线列车运行造成影响。

2）第二阶段

在完成第一阶段的测试后，交叉区段杭甬线的GSM-R网络应该能够满足各项QoS指标要求，需要同时对杭长线GSM-R网络进行验证测试，保证杭甬线基站的运行不会对杭长GSM-R网络产生不利影响，此部分测试可纳入杭长线联调联试期间进行。如果杭甬线基站对杭长产生影响，需对杭甬线部分区段重新进行网络优化（如频率修改、天线俯仰角调整、切换参数调整等），优化后需重新进行杭甬线的添乘测试，最终实现两线独立运行，互不干扰。

4 结束语

综上所述，杭州枢纽现存在频率资源紧张、复用距离较近、网内干扰严重、切换混乱等问题，目前通过对枢纽内GSM-R网络的精密调整和反复测试，保证了宁杭、杭甬、沪杭等C3线路顺利开通，但杭长客专的接入造成大量既有杭甬线基站的频率调整，随着其他城际铁路的开通、既有线GSM-R系统改造升级，必然出现枢纽内频率规划不开、无线覆盖方案无法实现等问题。因此，整体、长远的对枢纽地区进行GSM-R网络规划，采用新技术、新装备，对于枢纽地区GSM-R系统而言是势在必行的。

[1]钟章队，艾渤，刘秋妍，等.铁路数字移动通信系统（GSM-R）应用基础理论[M].北京：清华大学出版社，2009.

[2]中华人民共和国铁道部.铁建设[2007]92号 铁路GSM-R数字移动通信系统工程设计暂行规定[S].北京：中国铁道出版社，2007.

[3]中华人民共和国铁道部.TB/T3324-2013 铁路数字移动通信系统（GSM-R）总体技术要求[S].北京：中国铁道出版社，2013.

In the process of construction of GSM-R network, there are conditions of parallel lines, cross lines and connected lines in the same stations. The conditions abovementioned need high requirements for GSM-R network coverage. Combining with the practical application of Hangzhou junction project, the paper summarizes and studies the key technologies of GSM-R network coverage in special sections.

GSM-R network; special section; network coverage

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.03.009

2015-04-01）