石太线特殊区段GSM-RGSM-R系统无线解决方案研究

董雪霏（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

董雪霏，女，毕业于哈尔滨理工大学，工程师。主要研究方向为无线通信。曾担任石太线扩能改造工程项目总体负责人，甬台温客专集成项目无线通信系统设计负责人，参与《中国铁路GSM-R移动通信系统设计指南》编写，荣获中国铁道出版社优秀科技出版物奖；参与“铁路GSM-R核心网工程初步设计”，荣获设计院优秀工程设计二等奖。

1 概述

随着我国铁路建设速度的加快，铁路GSM-R数字移动通信系统已成为铁路通信技术发展的必然趋势，为各个业务部门提供统一的网络基础平台，很大程度提高了铁路运输生产效率，随着铁路线路不断增加，无线通信场景也变得越来越复杂，对GSM-R网络规划设计提出了更高的要求，尤其是铁路特殊区段，一直是方案设计、频率规划中的难点。

改造铁路石太线全线、正在运营的石太客专、正在建设的石太直通线GSM-R网络均采用单网覆盖方式，以上3条铁路存在并线、交叉关系。本方案的难点就是并线线路及交叉线路的设计方案，下面分别研究新建基站、与石太客专共用基站等解决方案。

2 解决方案

2.1 特殊区段现状

石太线和石太客专有约14 km的不完全并线区段，两条线路间距从200 m到1 km不等，头泉—上安区间石太直通线与既有石太线交叉接入石太客专，如图1所示。下面分别从与石太客专非共用基站及共用基站两个角度进行研究，并深入研究共用基站的几个解决方案。

2.2 非共用基站方案

石太客专既有基站分别为XLS1-JXB02、XLS1-JXB01、X ianLuSuo1、H L-X LS1，石太线在岩峰、上安、头泉车站新设基站，在 K 34＋ 800、K 33＋ 500、K 29+500、K 27＋200、K 25＋900及K 24＋300新设直放站远端机，连接关系分别如图2所示。

本方案特点如下。

1）便于维护。对客专通信业务和现有设备没有影响，便于工程实施和维护管理，且一条线路基站设备发生故障不会影响另一条线路通信业务。

2）频率规划困难。GSM-R频段使用900 MH z中的4 M H z带宽，除去200 k H z的保护间隔，总共还有19个可用频点，根据同小区控制信道载波间隔不小于600 k H z，业务信道载波间隔不小于400 k H z，相邻小区控制信道和业务信道载波间隔不小于400 k H z的要求，若采用最多频组的9频组配置频率时，最多能给4个相邻小区的基站配置，而此方案两条线相邻小区基站已经达到5个，同邻频现象难以控制。

3）互相干扰。两条线路距离较近，电平值均很高，容易造成相互干扰影响通信质量。

因此，石太线与石太客专非共用基站方案难以满足频率规划及场强覆盖要求。

2.3 共用基站方案

2.3.1 场强测试分析

石太线若采用共用客专基站方案则需要进行场强测试，判断石太客专的基站在既有石太线上的覆盖是否达到设计指标。通过在既有石太线上添乘测试，得到客专在石太线上的覆盖数据，场强测试结果如表1，图3、4所示。

表1 基站频点表

从测试图可以看出获鹿往太原方向场强在-60 d B上下，此处由石太客专基站H uo Lu覆盖；当两线分开后列车行驶在K 22+336（头泉站）附近时，石太客专基站H L-XLS1对石太线的覆盖仍能在-70 d B左右，之后当两条线分开距离较大时电平已经逐渐减弱且不能满足设计指标-98d B；一直到K 27+230场强指标回升，此处是两条线路距离较近处，由石太客专基站X ian LuSuo1对石太线的覆盖；之后在K 31+527附近石太客专基站X LS1-JXB02的覆盖指标强于X LS1-JXB01，此处理想状态是XLS1-JXB01覆盖电平强于XLS1-JXB02，因此此处容易发生乒乓切换；K 31+527至太原方向，XLS1-JXB02的覆盖指标满足设计要求。

因此，由场强图结合地形图进行分析判断，K 22+336至K 27+230是弱场区段需要进行补强，K 31+527附近线路容易发生乒乓切换，在方案中应给与解决。

以下方案是采用共用石太客专基站，通过增加天线及新设直放站方式给出解决方案，并对方案进行分析比选。

2.3.2 方案一

根据场强测试和地形图，石太线从K 27+230至岩峰区段，可利用石太客专基站（X LS1-JX B02/X LS1-JXB01/X ian Lu Suo）信号覆盖，其中在X LS1-JXB02和X LS1-JXB01基站处需要新增1副天线覆盖石太线，增强石太线的无线信号强度，避免无线用户在XLS1-JXB01和XLS1-JXB02间乒乓切换；新建石太客专直通线在K 24+407设置基站，新增1副天线覆盖石太线，石太线新设4套直放站远端机接入此基站，4处远端机里程分别为K 27＋230、K 25＋ 980、K 25＋ 100、K 24+500，远端机间采用漏泄电缆对线路弱场区段（由隧道及路堑组成）进行覆盖。基站无线覆盖示意，如图5所示。

本方案特点如下。

1）切换。由于本工程新设基站与石太客专基站、石太直通线基站归属于不同的BSC，石太客专设备商是华为，石太直通线设备商是诺西。列车行驶在此区段将发生跨BSC切换3次，需要进行BSC间的参数设置和并线区段的网络优化工作。三角区切换关系如图6所示，箭头代表切换方向。

2）干扰分析

时延色散实质是由数字传输和多径引入的码间干扰，当直射信号和反射信号到达接收机的时间差值刚好相差整数倍b it时，接收机解码时将有可能解出两个不同的值，此时就形成了反射信号对直射信号的干扰。

多径干扰产生的条件（需同时满足）：a.邻近站同频覆盖交叠区域信号电平差小于9 d B（工程中加3 d B后为12 d B）；b.邻近站同频覆盖交叠区域信号时差超过15 us（复杂电磁环境时为10 us）。

本方案石太直通线基站K 24+407与石太线直放站K 27+230在K 27+230往太原方向，可能同时满足多径干扰的两个条件，易发生多径干扰。

总结：易发生多径干扰，工程中给网优工作带来难度。

2.3.3 方案二

方案二:在方案一的基础上将石太直通线宏基站替换为分布式基站BBU+RRU，新增直放站远端机替换为射频拉远模块（RRU）。

本方案特点如下。

1）分布式基站特点

分布式基站概念来自于3G通信，采用模块化设计，将控制和射频分离，并通过光纤资源将射频部分拉远，从而扩大基站覆盖范围。分布式基站基于分布式安装的理念，与传统基站的区别如图7所示。

分布式基站具有如下特点：a.支持RRU共小区，提升网络性能。分布式基站支持多RRU共小区技术，扩大小区覆盖距离，降低小区切换次数。由于小区频率复用距离的增加，提升了铁路频率资源的利用率。b.基带处理单元（BBU）备份容灾技术。BBU支持主备用配置，即一组RRU分别连接到主、备两个BBU。c.灵活组网。分布式基站支持共站址双网备份+共小区组网、BBU备份+RRU共小区组网以及与传统宏基站混合环形组网方式，且具备断环自动倒换能力，大大增强了系统的可靠性。d.覆盖能力强。静态接收灵敏度可达-113 d Bm；RRU提供30 W的机顶功率，可达到和宏基站一样的覆盖效果。e.安装方便。BBU仅2U高，可内嵌安装于别的机柜内，RRU重量轻，仅重17 k g，无需敷设粗重的馈线，可方便地进行塔顶、挂墙等的安装。

2）切换。石太直通线替换的分布式基站可根据设备厂商选定情况，接入石太客专或既有石太线，根据不同情况发生跨BSC切换1次或3次，若接入石太客专切换1次，接入石太线切换3次。

3）干扰分析

为解决多径干扰，分布式基站采用自适应均衡技术，缓解这个问题的严重性。GSM-R规范规定，均衡器应能处理高达15 u s左右的反射信号，大约对应4 bit时间。

如图8所示，用户位于区域一，此时用户处于两个RRU之间，由于两个RRU同步发射，在区域一任何点，用户接收信号的时延都小于10 us，因此不会产生干扰； 用户位于区域二时，由于位于RRU一端，用户接收信号的时延大于10 u s，但此时用户接收到RRU 1信号与RRU 2的信号差大于12 dB，因此也不会产生干扰。

如图9所示，在区域一任何点，用户接收信号的时延都小于10 us，因此不会产生干扰；对于区域二和区域三，用户接收信号的时延大于10 u s，但是用户接收到RRU 1和RRU 3的信号电平差大于12 dB，因此也不会产生干扰。

总结：本方案由于分布式基站自身特点可以减少多径干扰现象发生，是方案一的优化方案，但施工难度较大。

2.3.4 方案三

方案三在方案一基础上，将既有石太线新设直放站接入石太客专基站H L-X LS1，此基站增加1副天线覆盖石太线。为避免多径干扰石太线增加1套直放站远端机K 23+000，远端机间采用漏泄电缆对线路弱场区段进行覆盖。基站无线覆盖示意如图10所示。

本方案特点如下。

（1）切换。列车在此区段上行方向将发生跨BSC切换3次，下行发生跨BSC切换1次。三角区切换关系如图11所示，石太直通线K 24+407至石太客专HL-XLS1、石太客专HL-XLS1至石太客专XianLuSuo1做单方向切换，箭头方向既切换方向。

总结：本方案在石太线K 27+230往太原方向一段距离内，列车上行方向时将发生2次跨BSC切换，由于地形原因使得切换距离非常短，给网优工作带来非常大难度。

2.3.5 方案四

方案四在方案一基础上，将既有石太线新设直放站接入石太客专基站X ian Lu Suo1，石太直通线基站K 24+407基站增加2副天线覆盖石太线。基站无线覆盖示意图如图12所示。

本方案特点如下。

1）切换。同方案一发生跨BSC切换3次。

2）光缆引入。石太线新增直放站至基站的短段光缆由石太客专基站X ian LuSuo1引出，但两条并行线路垂直距离相聚二三百米，且不属于铁路限界，为光缆引入带来难度，若沿着铁路线路迂回引入光缆，将导致光缆工程量增加。

总结：本方案列车在此区段发生3次跨BSC切换，并线区段的网络优化工作有一定难度，光缆工程量多于其他方案。

2.3.6 推荐方案

以上4个方案都有各自优缺点，从技术角度分析方案二最优，但需要替换现网客专基站导致施工难度很大，从便于施工角度方案一和方案四相对简单，但网优工作有一定难度。因此在工程设计中还要综合考虑各方面因素，使设计方案相对合理。

3 结束语

随着科技的不断进步、通信设备的不断更新，GSM-R系统特殊区段的解决方案也会不断创新。本文是针对石太线扩能改造工程的经验总结，GSM-R系统特殊区段还有许多其他的解决方案，这需要在将来的工作中进一步研究和探讨。

[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] 科技运[2006]120号 GSM-R数字移动通信网技术体制（暂行）[S].

[3] 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].

[4] 刘盛尧，孙传斌．高速铁路特殊区段GSM-R系统无线解决方案研究[J]．中国铁路，2012（10）：30-34.