既有铁路新建GSM―R系统问题研究及措施探讨
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【摘要】既有铁路在改建过程中将采用GSM-R通信系统，取代原有的450MHz无线列调通信。既有线新建gsm-R系统，在无线网络结构选型、容量配置、频率规划、无线网络优化及动态检测等方面会遇到新的问题。文章以宁西增建二线工程新建GSM-R系统为例，对新建GSM-R系统在网络规划、无线网络优化及动态检测中的问题进行分析、测算，提出了解决措施，可以为今后既有线新建GSM-R系统提供借鉴。
【关键词】GSM-R；同站址双网；网络规划；无线网络优化；宁西增建二线
一、引言
随着我国铁路技术水平的不断提高，GSM-R网络建设得到迅速发展。根据铁路总公司的要求，新建、改建铁路不再安排450MHz无线列调系统的设计，全面采用GSM-R系统。GSM-R系统将逐渐在既有铁路得到应用，取代原有的450MHz无线调度系统。
由于既有铁路途经市区、平原、丘陵等各种地形，沿线电磁环境复杂，又与高铁客运专线交汇、并线区域较多，加上枢纽地区GSM-R频点规划紧张，因此既有线建设GSM-R系统，在无线网络结构选型、容量配置、频率规划、无线网络优化及动态检测等方面都提出了新的要求。
上海铁路局宁西增建二线工程采用GSM-R系统，宁西增建二线工程上海局管段共122.827km，线路自西向东依次经过安徽省六安市叶集实验区、霍邱县、金寨县、裕安区、金安区，合肥市肥西县和高新区。沿途地形有郊区、平原、丘陵，有大量区段与沪蓉线合武段（简称合武线，已建GSM-R线路）并线，是既有线改造采用GSM-R系统较为典型的案例。本文结合宁西增建二线工程，研究既有线新建GSM-R系统中的问题及采取的措施。
二、既有线新建GSM-R系统规划思路：
既有铁路新建GSM-R系统，在网络规划及优化方面思路如下：
1.确定既有线新建GSM-R系统无线覆盖的区域范围，包括正线、联络线、机车回库线等。
2.根据GSM-R系统所提供的业务类型，确定基站覆盖方式及无线网络结构。
3.根据选择的无线网络结构和无线覆盖场强指标及小区切换指标等设计参数要求，进行基站规划。根据理论计算、仿真，合理地在所需要无线覆盖的区域设置基站及直放站，并确定天线杆塔的高度。
4.根据业务需求，对基站进行容量预测，确定所配置的载频数量。
5.根据线路所处的区域及现网资源，确定如何设置BSC或如何接入到既有BSC，以及接入到核心网MSC的问题。
6.对各个基站的无线参数如载频频点、天线方位、天线挂高等进行规划和无线网络优化，满足动态检测的指标要求。
以下结合宁西增建二线工程，重点对既有铁路新建GSM-R系统在无线网络结构选型、基站覆盖、频率规划、无线网优及动态检测中的问题及采取的措施进行研究探讨。
三、无线网络结构选型
1.常用的无线网络结构：
GSM-R系统根据其提供业务的可靠性要求不同，目前常用的无线网络结构有以下普通单网、单网交织、同站址双网三种方式。
普通单网根据覆盖指标的要求沿铁路线链状设置基站，在两相邻基站之间设置一定的覆盖重叠区，以保证小区切换，基站和BSC之间的传输采用环形连接。此方案工程实施投资小，频率利用率高，但是系统可靠性较低，抗干扰能力比较弱。
单网交织是指铁路沿线两相邻基站的场强相互覆盖到对方站，这样可保证在非连续基站故障的情况下，GSM-R网络仍能够正常工作。这种无线网络结构下，基站单点故障时不会出现覆盖盲区，因而系统可靠性较高，同时由于基站加密，覆盖电平较高，抗干扰能力也较强。
同站址双网是在同一站址设置两套基站，形成双层网络，两层网络的覆盖区域基本重叠。双层网络可以采用主备用的工作方式，正常情况下，业务由主用基站提供，在主用层基站故障时，由备用基站来提供服务。同站址双网方案基站子系统全冗余设计，区间设施较少，可以降低配套工程成本，但系统抗干扰能力低于交织单网。
2.宁西线GSM-R无线网络结构选型方案：
在宁西线新建基站单独覆盖的区段，综合考虑业务类型、可靠性及工程投资，首选单网覆盖方式。
在宁西线与合武线并线区段，根据总公司相关指导意见，在满足场强覆盖和话务量条件下，利用既有基站实现各线的覆盖。面临的问题有：一是需要对合武线基站在宁西线上的场强覆盖和话务量进行测试和评估，根据分析结果，确定具体区段是否有条件利用既有基站覆盖。二是日常维护中，两天线的维护模式和天窗点不一致，如果采用合武线基站覆盖，在合武线天窗点中关闭合武线基站检修时，将会影响宁西线运营中GSM-R业务的正常使用。
针对以上的问题，采取的办法及措施：一是利用测试车对合武线基站在宁西线的覆盖进行测试，根据分析当接收电平-80dBm以上时，说明覆盖很好，可利用合武线基站覆盖；当接收电平为[-85，-80]dBm范围时，覆盖较好，可利用合武线基站，要进行适当的无线网络优化；当接收电平为[-90，-85]dBm范围内时，需要调整合武线基站的天线角度、高度以及增加天线来解决覆盖问题；当接收电平为-90dBm以下时，说明宁西线与合武线距离较远，覆盖较差，考虑宁西线新建基站。二是对并线区段话务量进行预测，评估合武基站容量配置是否满足两条线的需求。三是在并线区域考虑采用同站址双网结构，设置主备基站解决宁西线与合武线天窗点不一致带来的问题。
根据以上分析，宁西线GSM-R无线网络结构选型方案为：
（1）宁西线新建基站单独覆盖的区段，采用普通单网覆盖。
（2）宁西线与合武线并线区段，在满足场强覆盖和话务量条件下，采用同站址双网结构。同站址中，合武线基站作为主用，为A基站，宁西线新建基站作为备用，为B基站。正常情况下A基站工作，B基站冷备；A基站故障或关闭时，B基站工作。同站址的A、B基站可采用同一频点配置，节省频率资源。
四、基站覆盖预测
1.基站覆盖半径预测
既有铁路GSM-R业务为语音及非列控业务，无线场强覆盖标准要求（95%的统计概率）最小可用接收电平为-98dBm。GSM-R系统在铁路的覆盖可选用Okumura-Hata模型进行电波传播预测。
Okumura-Hata模型是在大量不规则地形条件实测数据基础上所总结出来的经验公式，以市区准平坦地形地形的中值路径衰耗为参考，其他传播环境和地形环境用校正因子进行修正。
Hata模型市区准平坦地形中值电波传播路径损耗如下：
其中，LP：市区准平坦地形电波传播损耗；f：载频工作频率（MHz）；hb：基站天线有效高度（m）；hm：移动台天线有效高度（m）；d：移动台与基站间距（Km）；a（hm）：移动台天线高度因子。
式中：对于中小城市： 对于大城市：
宁西线沿线为中小城市，取hm=1.5m，f=930MHz，求得a（hm）0dB。
Hata模型针对不同地形环境对电波传播的影响，在市区中值路径损耗上进行修正，可以归结为一个校正因子Q（常数）予以校正：
对不同地形的传播路径损耗修正因子Q的求算，可参照Hata模型给出的求算公式计算。根据宁西增建二线沿线地形及载频频率，可以算出宁西沿线不同地形传播路径损耗修正因子Q取值为：平原、农村准开阔区：Q=-14；农村准开阔区部分丘陵：Q=-8；郊区：Q=-3；丘陵山区：Q=6。
为了达到所需要的无线场强覆盖的标准要求，可进行传播路径损耗预测。电波传播路径上的场强预测公式为：
其中：Pi为基站发射机输出功率；L为电波传播损耗；Gb为发射天线增益；Lb为基站馈线损耗，Ld为合分路单元等损耗；Ls为阴影衰落余量；Lm为设计余量。根据宁西线的相关参数，取 Pi=46dBm，Gb=17dB，Lb=3dB，Ld=3dB，阴影衰落余量Ls取值为：平原、农村准开阔区为5dB，农村准开阔区部分丘陵为7dB，郊区为7dB，丘陵地区为10dB；设计余量Lm与电气化干扰、网络老化、天气变化等因素有关，工程中进行修正，根据宁西线GSM-R网络状况，取值8dB。
由上述公式测算得宁西线平原、农村准开阔区允许传播路径损耗为142dB； 农村准开阔区部分丘陵地区为140dB；郊区为140dB；丘陵地区为137dB。根据Hata模型公式及不同地形的校正因子，由宁西线不同地形的允许传播路径损耗，可以算出基站的覆盖半径，要计算基站的间距还要考虑基站覆盖重叠区。
2.基站覆盖重叠区的计算
两个相邻小区要有一定的重叠区保证通信的持续性和可靠性，对基站覆盖预测要考虑重叠区的大小。确定重叠区的大小是一个很复杂的问题，如果重叠区太小，可能会出现弱场区；重叠区太大同频干扰增大，越区切换时间太长，不易控制。两个小区在重叠区内的电平都应大于标准所要求的最小接收电平。重叠区的大小可用公式表示：
公式的推导可以参考GSM-R应用基础理论，其中：r为基站的覆盖半径；v为列车运行速度；t为切换时间；HOMargin为小区切换容限；为电波路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速率。
根据宁西线列车运行速度及相关参数进行计算，宁西线基站重叠区的大小取1.1km。
3.宁西线基站覆盖预测结果
经过计算，得出宁西线GSM-R系统基站覆盖预测结论如下：
根据总公司“一般地段铁塔高度原则上不宜超过50米”的指导意见，结合以上理论估算，宁西线新建基站天线高度为45m，根据实际地形条件，基站间距为4～7km。由于影响无线电波传播的因素较多，基站覆盖要满足场强覆盖、载干比C/I及QoS指标的要求，还要通过无线网络优化及动态检测来进行优化和修正。
五.基站容量配置与频率规划
1.基站容量配置
要确定每个基站所需要配置的载频数，需要根据日常停靠及通过列车数量、地面用户数量，建立语音、数据业务传输模型，进行话务预测，得到所需的载频数量。
宁西线无列控业务，沿线均为中小车站，根据日常列车话务量测算，加上无线调度命令传送等数据业务，并考虑控制信道，新建基站单独覆盖宁西线时采用区间基站2载频、车站基站3载频，可以满足通信需求。
宁西线采用合武线基站覆盖的区段，基站容量要满足两条线的通信需求，需要进行测算。根据两条线的列车速度以及列车间隔，可以算出并线区段每个基站的列车数约为4列，假设每公里有3个用户，取基站间距5km，话务量计算如下：
列车语音话务量：0.015Erl*8*4=0.48Erl
其他语音话务量：0.02Erl/用户*3用户/km*5km=0.3Erl
语音组呼话务量（设3人一组）：0.05Erl*3用户/km*5km/3=0.25Erl
总语音业务量：0.48Erl+0.3Erl+0.25Erl=1.03Erl
根据爱尔兰B表，在呼损率为0.5%的情况下需要5个信道，信道总需求为：
5TCH+2TCH（GPRS）+1（BCCH）+1（SDCCH）=9TCH，可以得到宁西线采用合武线基站覆盖的区段，基站容量为2TRX，已建的合武基站容量能满足两条线的通信需求。
2.频率规划
我国GSM-R系统工作频点序号为999～1019，扣除保护频点，实际使用频点序号1000～1018，采用频率复用方式。频率规划要通过计算和模拟，满足载波间隔的要求，并减少同频干扰、邻频干扰、交调干扰等干扰。
宁西与合武线并线区段靠近合肥枢纽地区，附近有合福、沪蓉等高铁线路经过，频点规划已经非常紧张，因此可以利用同站址双网的工作特点，对宁西线新建基站配置与同站址合武线基站相同的频点，平常只有主基站的载频在工作，当主基站故障或关闭时，备基站工作，这样可以节省GSM-R频率资源，减少同频干扰的产生，最大程度的减少对已建线路GSM-R系统频率配置的影响。
六、GSM-R网络子系统组网
按照铁路总公司的指导原则，既有普速铁路与高速铁路宜分设BSC。根据上海局GSM-R系统的网络资源现状，宁西增建二线新建基站接入既有普速铁路阜阳BSC，上海核心网MSC。系统组网图如下：
七、无线网络优化及动态检测
1、无线网络优化
既有铁路新建GSM-R 的无线网络优化以场强覆盖和QoS指标为主，满足系统开通及验收要求。根据宁西线的基站分布特点，无线网络优化需要解决的问题：
（1）需要正确的配置新建宁西线基站与已建合武线基站的邻区关系，保证长呼测试时的切换成功率。
（2）在宁西与合武并线区段采用合武线基站作为主用基站，需要对合武线基站在宁西线的覆盖进行优化。
经过添加邻区配置、进行无线覆盖优化，以上问题得到解决。在无线覆盖优化上采取主要措施有：在合武线上的NFL-LA05A、NFL-LA04A、NFL-LA03A、NFL-LA02A基站分别增加一面90o天线来覆盖宁西线；在线路交越处的NFL-LA01A基站增加两面 的天线，分别沿宁西线方向覆盖；在合武线的CAJ-NFL02基站增加一面65o天线覆盖宁西线；在合武线CAJ-NFL01基站增加一面90o天线朝向宁西线覆盖，解决宁西线的覆盖弱场区。
2、动态检测
既有线的GSM-R系统动态检测主要是对GSM-R系统场强覆盖、服务质量等项目进行检测，判断是否满足验收标准，为动态验收提供依据。
因为宁西线基站在并线区段采用同站址双网结构，在动态检测中，对并线区段指标进行测试时需要分成四种运用情境来开展：
情境一：将并线区段的A基站开启，B基站关闭。
情境二：将并线区段的A基站关闭，B基站开启。
情境三：将并线区段的A、B基站以AB交替方式开启。
情境四：将并线区段的A、B基站以BA交替方式开启。
以上情境二、三、四要关闭合武线相关基站，检测工作要安排在合武线天窗点内进行，对检测列车的开行时间、交路安排以及通信配合工作都提出了新的要求，也为同类型基站的动态检测提供了方法和经验。
根据宁西新增二线工程通信系统动态检测结论，宁西新增二线工程上海局管内GSM-R场强覆盖、服务质量指标检测结果均满足相关标准要求。检测结果也说明了宁西线GSM-R系统在网络规划、无线网络优化等各方面采取的措施是有效的。
八、总结
既有线新建GSM-R系统，第一，在无已建GSM-R线路并线的区段，可以采用普通单网覆盖方式进行网络规划。第二，在与已建GSM-R线路并线的区段，在测算满足条件的前提下，尽量利用已建GSM-R基站覆盖。第三，利用已建GSM-R基站覆盖的区段可以采用同站址双网结构，设置主备基站来适应不同线路维护模式及天窗点的不同，通过增加天线等方式进行无线网络优化。第四，主备基站可以配置完全相同的频点，节省频率资源，减少对已建GSM-R系统的影响。第五，在动态检测中，要对主备基站分多种运用情境进行检测。
宁西线新建GSM-R系统采取的方法和措施，可以为后续既有线新建GSM-R系统提供借鉴。
参考文献
[1]钟章队，艾渤等.铁路数字移动通信系统（GSM-R）应用基础理论.北京：清华大学出版社，2009
[2]钟章队，吴昊等.铁路数字移动通信系统（GSM-R）无线网络规划与优化.北京：清华大学出版社，2011