宋雨來 中鐵建電氣化局集團南方工程有限公司 430074

淺談GSM-R無線網絡規(guī)劃

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本文根據GSM-R系統(tǒng)的業(yè)務特點，從小區(qū)規(guī)劃、覆蓋規(guī)劃、頻率規(guī)劃、容量規(guī)劃和切換規(guī)劃等方面闡述了GSM-R無線網絡的基本方法。

GSM-R;無線網絡;規(guī)劃

無線網絡規(guī)劃設計是GSM-R網絡建設的基礎，無線網絡規(guī)劃結果的好壞直接影響到列車運行的安全，因此GSM-R無線網絡的規(guī)劃方法就顯得至關重要。雖然GSM-R由傳統(tǒng)的GSM發(fā)展而來，但GSM-R服務于鐵路系統(tǒng)，必須考慮列車高速前進導致的信號快衰落、移頻現象以及特殊地形（如隧道、山谷等）的覆蓋，同時應盡可能減少切換次數以減少掉話的發(fā)生。因此，GSM-R無線網絡的規(guī)劃有獨特之處。

1.GSM-R系統(tǒng)構成及其業(yè)務類型

GSM-R系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成:基站收發(fā)信機（BTS）、基站控制器（BSC）、移動交換中心（MSC）、歸屬和訪問寄存器（HLR和VLR）、認證中心（AC）、設備標識寄存器（EIR）、組呼寄存器（GCR）和運行維護子系統(tǒng)（OMC）。與列車有關的應用均基于組呼寄存器。如圖1所示。

目前，GSM-R主要提供以下幾種類型的業(yè)務:

(1) 無線列調；

(2) 機車同步控制傳輸；

(3) 列車尾部風壓及控制命令的傳輸；

(4) 調度命令傳輸；

(5) 無線車次號傳輸；

(6) 應急通信；

(7) 列車停穩(wěn)信息及進站進路信息的傳送；

(8) 調車無線機車信號。

GSM-R技術在國內才剛開始應用，提供的業(yè)務也有限，以后隨著GSM-R技術的不斷發(fā)展和成熟，提供的業(yè)務將會多樣化。

2.GSM-R小區(qū)規(guī)劃

圖1 GSM-R系統(tǒng)構成

通常，沿鐵路線越區(qū)切換的次數應該盡可能少，以盡量保證最高的系統(tǒng)性能。因此，GSM-R小區(qū)宜采用雙方向單小區(qū)的形式，即將一個小區(qū)分裂為兩個方向（如圖2所示）。可采用功分器雙方向單小區(qū)和八字形天線雙方向單小區(qū)。采用雙方向單小區(qū)可以消除同一基站內的切換。

功分器雙方向單小區(qū)適用于拐彎較多的鐵路沿線，每個基站使用兩根定向天線，兩個不同的方向分別使用一根天線，兩根天線通過一個功率分配器耦合，然后連接到基站內相同的收發(fā)信機。

八字形天線雙方向單小區(qū)適用于比較直的鐵路沿線，采用八字形雙向天線，使信號從不同方向傳播，不需增加饋線和天線。

對于火車客運站及貨運樞紐站，可采用正常的一基站三小區(qū)的覆蓋方案。

3.覆蓋規(guī)劃

G S M-R覆蓋比較特殊，和一般GSM網絡的區(qū)別就是需要滿足切換要求和弱場覆蓋。無線網絡應能為速度為0～350km/h的移動臺提供通信服務。

3.1 小區(qū)覆蓋重疊要求

列車高速運行時，要保證切換成功而不掉話，相鄰小區(qū)的覆蓋必須要有一定的覆蓋重疊區(qū)。因GSM信號解碼和切換判決大約需要5秒的時間，則重疊覆蓋的鐵路線長度可用下式計算:

3.2 基站位置的確定

根據建站條件進行實地勘測，調查無線傳播環(huán)境，結合覆蓋指標及功率預算情況，可估算各類基站在各類覆蓋區(qū)域中的覆蓋距離，初步選定鐵路沿線需要建站的站址，然后對該基站擬覆蓋的區(qū)域用無線發(fā)射機發(fā)射信號進行覆蓋測試，分析測試數據，預測基站的覆蓋范圍，根據測試結果和建站條件確定理想的基站位置。站址應遠離樹林、江河湖泊以及正面阻擋的高大建筑物。

3.3 弱場覆蓋規(guī)劃

在GSM-R系統(tǒng)中，在隧道內應做到信號均勻分布，避免兩輛火車錯車時信號快速衰減而導致掉話或切換失敗。解決弱場覆蓋的基本方案是:基站+光纖直放站+泄漏電纜。由于受泄漏電纜指標的限制，泄漏電纜每段長度以950m為限。光纖直放站分為近端站和遠端站。根據目前的光纖直放站性能，一個近端機最多帶8個遠端機。在規(guī)劃時必須重點考慮下行鏈路的場強、載噪比，以確保隧道及其出入口的覆蓋效果。圖3為一個隧道弱場解決方案。

列車在出入隧道時，由于隧道內外信號變化較大，車速較快，會使隧道內外兩個小區(qū)信號之間來不及切換而產生掉話。在隧道出口的泄漏電纜末端加一副定向天線，向隧道外發(fā)射信號以延長隧道內小區(qū)的覆蓋范圍即可解決列車出隧道時的切換問題；在隧道入口處，可架設拋物面天線將隧道內能量向外輻射，若隧道內能量到隧道口已經很小，可在隧道口安裝直放站，將隧道外信號放大后引入泄漏電纜以增強信號重疊區(qū)的信號，以解決切換問題。

圖2 雙方向單小區(qū)

圖3 隧道弱場解決方案

4 GSM-R頻率規(guī)劃

頻率規(guī)劃是GSM-R網絡規(guī)劃的重要環(huán)節(jié)，良好的頻率規(guī)劃將為網絡奠定良好的質量基礎。 GSM-R系統(tǒng)中同一頻點的復用必須滿足一定的空間隔離要求?？臻g隔離要求取決于載干比（C/I）。鐵路系統(tǒng)一般利用八字天線或功分器將一個小區(qū)分為兩個方向。線狀鐵路上基站的覆蓋一般為線狀分布，按照GSM常規(guī)頻率復用分析，在GSM-R頻率規(guī)劃中，盡量不要出現同頻復用小區(qū)扇區(qū)正對的情況，否則會產生較大的干擾。基于這一原則，GSM-R系統(tǒng)中頻率復用組必須為偶數而不能為奇數。依據C/I的計算公式可以推算GSM-R同頻復用應該隔的基站數。

在鐵路樞紐站，匯聚了來自不同方向的鐵路線，應在樞紐位置建設大站型全向基站，這樣，在此全向站覆蓋的半徑范圍內，調度時才不會發(fā)生切換，以免產生掉話而導致事故的發(fā)生。樞紐站相鄰的各基站的覆蓋范圍要合理控制，以免產生強干擾。

在目前的GSM-R系統(tǒng)中，我國采用GSM協(xié)議規(guī)定的E-GSM頻段，而中國移動也在用該頻段，為不互相影響需要互相協(xié)商。

5 GSM-R容量規(guī)劃

在GSM-R容量規(guī)劃中，主要考慮點對點、組呼、廣播呼叫、數據業(yè)務以及移動用戶的容量。

5.1 點對點用戶容量

GSM-R點對點通信的話務量大小取決于以下參數:

1）、固定用戶話務P-Traffic

固定用戶一般為車站的工作人員，話務比較固定，人員數量按每基站100人，每個用戶的話務量在0.01Erl～0.02Erl之間，則每個基站固定的話務量P-Traffic在1.5Erl左右。

2）、列車用戶話務T-Traffic

列車用戶話務量為以下兩項之和:

經過列車話務量=經過列車數目×每次呼叫時間（h）×單位時間發(fā)起呼叫次數；

?？苛熊囋拕樟?停靠列車數目×每次呼叫時間（h）×單位時間發(fā)起呼叫次數；

綜合1、2兩類話務，經估算，點對點呼叫容量約為2.67Erl左右。

5.2 組呼呼叫容量

組呼容量主要考慮經過的列車、依靠的列車以及車站集群組呼用戶三個方面的話務。

1）、經過列車的組呼話務

經過列車的組呼話務量=經過列車數目×每次呼叫時間（h）×單位時間發(fā)起呼叫次數×話務權值；

2）、?？苛熊嚨慕M呼話務

?？苛熊嚨慕M呼話務量=停靠列車數目×每次呼叫時間（h）×單位時間發(fā)起呼叫次數×話務權值；

3）、車站集群組呼用戶話務

車站集群組呼用戶話務量=車站集群組呼數目×每次呼叫時間（h）×單位時間發(fā)起呼叫次數×話務權值；

經估算，上述3項之和約為1.58Erl。

5.3 廣播呼叫容量

廣播呼叫話務包括:經過列車廣播呼叫話務、?？苛熊噺V播呼叫話務、車站集群組呼用戶廣播話務。

1）、經過列車廣播呼叫話務

經過列車廣播呼叫話務量=經過列車數目×廣播呼叫時間（h）×單位時間發(fā)起廣播呼叫次數×話務權值；

2）、停靠列車廣播呼叫話務

?？苛熊噺V播呼叫話務量=?？苛熊嚁的俊翉V播呼叫時間（h）×單位時間發(fā)起廣播呼叫次數×話務權值；

3）、車站集群組呼用戶廣播話務

車站集群組呼用戶廣播話務量=車站集群組呼數目×廣播呼叫時間（h）×單位時間發(fā)起廣播呼叫次數×話務權值；

綜合上述3項，經估算廣播呼叫話務量約為0.14Erl左右。

在GSM-R系統(tǒng)中，點對點呼叫、組呼、廣播呼叫等3項業(yè)務所占話務量約為:2.67Erl+1.58Erl+0.14Erl=4.39Erl。若呼損為2%，則查愛爾蘭表得到總共需要的信道數目為9個。

5.4 數據業(yè)務

數據業(yè)務主要考慮GPRS、調車機車信號傳遞、同步控制這3種業(yè)務。主控機車到從控機車、列車操控命令及確認、從控列車到主控列車、異常事件告警等功能都非常重要，不能和其他信道共享，必須配置固定信道。

GPRS業(yè)務一般車站需要2個信道。調車機車信號需2個信道。每個車頭同步需1個信道，一列機車有4個車頭，考慮兩列火車錯車，則機車同步需8個信道。因此，數據業(yè)務約需12個信道。

5.5 一般車站話務量

完全考慮點對點、組呼、廣播呼叫、數據業(yè)務一共需要的信道數目為:9+12=21個，再考慮2個信令信道，則需23個信道，需要配置3個TRX。

6 GSM-R網絡規(guī)劃的特殊考慮

由于GSM-R服務于鐵路通信系統(tǒng)，部分普通GSM技術不能應用于GSM-R系統(tǒng)中。

1）、DTX （不連續(xù)發(fā)射）

數據通信是GSM-R系統(tǒng)的重要部分，DTX會影響信號強度和信號質量，影響列控信息的可靠性，因此在GSM-R中不使用DTX。

2）、功率控制

功控的使用將帶來3個TDMA幀延遲，引起信號波動，因此功控不被使用。

3）、TA（時間提前量）限定

GSM-R中要求小區(qū)控制準確,調度盡量在基站所覆蓋的范圍內發(fā)生,但是由于組網和實際建站條件的限制,會導致越區(qū)覆蓋,除調整硬件來控制每個基站工作范圍外,還可通過設置TA確定基站小區(qū)的實際服務范圍。

4）、載頻互助

考慮到鐵路通信的安全，需要應用小區(qū)內載頻互助，這樣在其中一塊出現故障后，不至于小區(qū)癱瘓，保證通信不中斷。

7 結束語

GSM-R是基于GSM技術來解決鐵路通信的新技術，在常規(guī)業(yè)務方面延續(xù)了GSM的特點，所以GSM-R無線網絡的規(guī)劃與GSM有相同的地方。但由于鐵路覆蓋和鐵路業(yè)務需求有其自身的特點，因此GSM-R無線網絡規(guī)劃與傳統(tǒng)GSM無線網絡的規(guī)劃又有所不同。由于GSM-R技術在我國鐵路系統(tǒng)中才剛開始應用，因而GSM-R無線網絡的規(guī)劃方法還在不斷探索之中。

[1] 華為技術有限公司.GSM無線網絡規(guī)劃與優(yōu)化.北京:人民郵電出版社.2004

[2] 戴美泰,吳志忠 等.GSM移動通信網絡優(yōu)化.北京:人民郵電出版社.2003

According to the service characteristic of GSMR system, basic methods of GSM-R wireless network layout in cell planning, cover planning, frequency planning, capacity planning and handover planning are introduced in this article.

GSM-R;wireless network;layout

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.09.058