集通鐵路長大隧道GSM-R冗余方案研究

周 偉

(中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院，北京 100166)

1 概述

集通鐵路是內(nèi)蒙古自治區(qū)的重要鐵路干線，線路全長943.31 km，時(shí)速達(dá)160 km。蒙根塔拉站至大板站區(qū)間長約162 km，地形復(fù)雜，山塹相連，共有7 個(gè)隧道，其中克什克騰隧道（DK480+070 至DK490+805），長約10.735 km。鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，長度超過3 km 的隧道需冗余覆蓋[1]。在集通電氣化改造項(xiàng)目施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，將統(tǒng)籌考慮克什克騰隧道、相鄰的南店隧道（DK491+055 至DK491+406）以及與基站機(jī)房（DK474+580 和DK492+620）相鄰的區(qū)間。本文將針對克什克騰隧道GSM-R 覆蓋問題，提出解決方案。

2 長大隧道方案研究

克什克騰隧道內(nèi)冗余覆蓋可采用兩種技術(shù)：分布式基站或者數(shù)字光纖直放站，每種技術(shù)均可采用單網(wǎng)交織或者同站址雙網(wǎng)冗余覆蓋方式[2-3]。單網(wǎng)交織組網(wǎng)通過相鄰的場強(qiáng)互相覆蓋到對方站址，從而實(shí)現(xiàn)冗余覆蓋，同站址雙網(wǎng)是在同一站址設(shè)置兩套獨(dú)立無線設(shè)備，形成雙層網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)冗余覆蓋，雙層網(wǎng)絡(luò)一般采用主備用的工作方式，即雙層網(wǎng)絡(luò)中的一層作為主用層，另一層作為備用層[4-5]。

2.1 分布式基站方案

2.1.1 單網(wǎng)交織組網(wǎng)

單網(wǎng)交織組網(wǎng)時(shí)，在克什克騰2 個(gè)隧道口機(jī)房各設(shè)置1 套BBU，每個(gè)BBU 順序接6 個(gè)RRU，各BBU 與RRU 之間通過2 芯光纖星型連接。由于隧道長度10.7 km，考慮交織冗余及RRU 的覆蓋范圍，RRU 間距為1.5 km 左右，隧道內(nèi)共需設(shè)置8 套RRU，隧道內(nèi)中間4 個(gè)RRU 可由BBU1和BBU2 提供主備信號源，兩側(cè)隧道端口的各2個(gè)RRU 則需接入DK492+620 基站BBU3，保證接引備用信號源。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中，DK474+580 基站機(jī)房至克什克騰隧道口區(qū)間利用BTS+天線和RRU+天線進(jìn)行普通單網(wǎng)覆蓋?？耸部蓑v隧道口至南店隧道口區(qū)間利用RRU+天線進(jìn)行普通單網(wǎng)覆蓋。南店隧道內(nèi)采用RRU+漏纜進(jìn)行普通單網(wǎng)覆蓋。南店隧道口至DK492+620 基站機(jī)房區(qū)間利用RRU+天線進(jìn)行普通單網(wǎng)覆蓋。隧道內(nèi)RRU+漏纜方式進(jìn)行單網(wǎng)交織冗余覆蓋。

圖1 分布式基站單網(wǎng)交織組網(wǎng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of single-network interleaving for distributed base stations

當(dāng)隧道內(nèi)任一RRU 故障時(shí)，相鄰的RRU 仍能提供覆蓋；當(dāng)BBU1 或者BBU2 故障時(shí)，RRU 仍可由BBU3 和BBU2 或者BBU1 和BBU3 提供信號源，保證隧道內(nèi)無線信號覆蓋。

2.1.2 同站址雙網(wǎng)組網(wǎng)

同站址雙網(wǎng)組網(wǎng)時(shí)，在克什克騰隧道的2 個(gè)隧道口機(jī)房各設(shè)置1 套BBU，隧道內(nèi)每個(gè)站點(diǎn)設(shè)置兩套RRU，RRU 間距為2 km 左右，隧道內(nèi)需在設(shè)置12套RRU。同站址的2 個(gè)RRU 分別接入兩個(gè)BBU，各BBU 與RRU 之間通過2 芯光纖星型連接。其中，偶數(shù)RRU 設(shè)備接引BBU1；奇數(shù)RRU 設(shè)備接引BBU2；BBU1 與BBU2 互為備用信號源，隧道內(nèi)的RRU 無需接引BBU3。網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)如圖2 所示。隧道外無線覆蓋方式與上述單網(wǎng)交織組網(wǎng)時(shí)相同。

當(dāng)隧道內(nèi)任一RRU 故障時(shí)，同站址另一RRU仍能正常提供覆蓋；當(dāng)BBU1 或BBU2 故障，BBU2 或BBU1 仍能提供信號源，保證隧道內(nèi)無線信號覆蓋。但當(dāng)同站址2 個(gè)RRU 同時(shí)故障，相鄰RRU 不能提供覆蓋，通信中斷。

2.1.3 分布式基站冗余方案分析

1）單網(wǎng)交織

優(yōu)點(diǎn)：若RRU 單點(diǎn)故障，只影響RRU 對應(yīng)覆蓋區(qū)域。BBU 單點(diǎn)故障，不影響無線覆蓋。由于分布式基站加密，覆蓋電平較高，抗干擾能力也較強(qiáng)。

缺點(diǎn)：RRU 加密后，供電點(diǎn)增加，需要的光纜芯數(shù)多。隧道內(nèi)共小區(qū)后，正常情況隧道內(nèi)2 個(gè)小區(qū)，同時(shí)需考慮故障情況下，BTS1、BBU3 與隧道端口BBU 的切換，頻率規(guī)劃復(fù)雜，切換次數(shù)多，增加了通信中斷的概率。

2）同站址雙網(wǎng)

優(yōu)點(diǎn)：RRU 或BBU 單點(diǎn)設(shè)備故障，不影響無線系統(tǒng)覆蓋，系統(tǒng)可靠性較高。隧道內(nèi)供電點(diǎn)相對減少，需要光纜芯數(shù)少。正常情況隧道內(nèi)同一小區(qū)，避免小區(qū)切換和減少通信中斷概率。

圖2 分布式基站同站址雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of double networks for the same site for distributed base stations

缺點(diǎn)：同站址雙網(wǎng)的兩層網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域基本重疊，每一層網(wǎng)絡(luò)的覆蓋方式、覆蓋電平等與普通單網(wǎng)類似，抗干擾能力較差，且不具備容災(zāi)能力。

分布式基站的單網(wǎng)交織和同站址雙網(wǎng)的比較分析，具體如表1 所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較表Tab.1 Comparison between network structures

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況以及兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)缺點(diǎn)，克什克騰隧道適宜采用單網(wǎng)交織冗余方案。

2.2 數(shù)字光纖直放站方案

2.2.1 單網(wǎng)交織組網(wǎng)

隧道內(nèi)采用數(shù)字光纖直放站單網(wǎng)交織組網(wǎng)時(shí)，在DK474+580 和DK492+620 處基站機(jī)房各設(shè)置1套BTS、2 套近端機(jī)、1 套功分器和1 套耦合器。遠(yuǎn)端機(jī)的間距為1.5 km 左右，隧道內(nèi)共需設(shè)置8套遠(yuǎn)端機(jī)，前4 臺遠(yuǎn)端機(jī)分別接引主用近端機(jī)1 和備用近端機(jī)4，后4 臺遠(yuǎn)端機(jī)分別接引主用近端機(jī)3和備用近端機(jī)2，各遠(yuǎn)端機(jī)與近端機(jī)之間通過2 芯光纖星型連接。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。其中，克什克騰隧道外采用遠(yuǎn)端機(jī)+天線方式進(jìn)行普通單網(wǎng)覆蓋，南店隧道的遠(yuǎn)端機(jī)接至近端機(jī)3，隧道內(nèi)遠(yuǎn)端機(jī)+漏纜方式進(jìn)行單網(wǎng)交織冗余覆蓋。

當(dāng)隧道內(nèi)任一遠(yuǎn)端機(jī)故障時(shí)，相鄰的遠(yuǎn)端機(jī)仍能提供覆蓋；當(dāng)任一近端機(jī)故障時(shí)，備用近端機(jī)仍能提供信號源，保證隧道內(nèi)無線信號覆蓋。

2.2.2 同站址雙網(wǎng)組網(wǎng)

同站址雙網(wǎng)組網(wǎng)時(shí)，在DK474+580 和DK492+620 處基站機(jī)房各設(shè)置1 套BTS、1 套近端機(jī)和1臺耦合器，隧道內(nèi)每個(gè)站點(diǎn)設(shè)置兩套遠(yuǎn)端機(jī)，同站址的2 個(gè)遠(yuǎn)端機(jī)分別接引兩個(gè)近端機(jī)，各遠(yuǎn)端機(jī)與近端機(jī)之間通過2 芯光纖星型連接，接引方式與分布式基站同站址雙網(wǎng)相同。遠(yuǎn)端機(jī)間距為2 km 左右，隧道內(nèi)需在設(shè)置12 套遠(yuǎn)端機(jī)。網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)如圖4所示。隧道外無線覆蓋方式與數(shù)字光纖直放站的單網(wǎng)交織組網(wǎng)時(shí)相同。

隧道內(nèi)任一遠(yuǎn)端機(jī)或近端機(jī)故障，仍能保證無線覆蓋，原理與分布式基站同站址雙網(wǎng)類似。

2.2.3 數(shù)字光纖直放站冗余方案分析

數(shù)字光纖直放站單網(wǎng)交織和同站址雙網(wǎng)除在兩處基站機(jī)房設(shè)置的近端機(jī)、功分器、耦合器設(shè)備數(shù)量不同，其余優(yōu)缺點(diǎn)與分布式基站相同。

圖3 數(shù)字光纖直放站單網(wǎng)交織結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of single-network interleaving for digital optical-fiber repeater stations

圖4 數(shù)字光纖直放站同站址雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of double networks for the same site for digital optical-fiber repeater stations

2.3 分布式基站和數(shù)字光纖直放站方案分析

分布式基站與基站設(shè)備同一廠家，便于維護(hù)管理，無需單獨(dú)設(shè)置網(wǎng)管設(shè)備，同時(shí)節(jié)省兩處基站機(jī)房的無線設(shè)備及供電點(diǎn)，且在公網(wǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中有更好的覆蓋效果，但需在隧道口建設(shè)機(jī)房。數(shù)字光纖直放站的設(shè)備價(jià)格較低，無需在隧道口建設(shè)機(jī)房，但需在兩處基站機(jī)房額外設(shè)置遠(yuǎn)端機(jī)設(shè)備，并設(shè)置直放站網(wǎng)管設(shè)備。綜合考慮兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，克什克騰隧道適宜采用分布式基站方案。

針對克什克騰隧道及其鄰近區(qū)域，分布式基站和數(shù)字光纖直放站的兩種冗余組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，4 種方案均能滿足鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定[6-7]。通過以上對比分析，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況以及考慮方便業(yè)主運(yùn)維和無線場強(qiáng)覆蓋穩(wěn)定性等方面，克什克騰隧道宜采用分布式基站單網(wǎng)交織冗余組網(wǎng)對隧道弱場進(jìn)行覆蓋。

3 結(jié)束語

隨著鐵路系統(tǒng)智能化、數(shù)字化飛速發(fā)展，5G 技術(shù)將應(yīng)用于鐵路無線通信系統(tǒng)[8]。5G 仍然沿用基帶射頻分離架構(gòu)，采用AAU+BBU 方式實(shí)現(xiàn)小區(qū)覆蓋。分布式基站架構(gòu)與5G 架構(gòu)相同，采用分布式基站技術(shù)，能快速的平滑演進(jìn)升級，也是最優(yōu)低成本的演進(jìn)方式。本文對于未來5G-R 技術(shù)解決長大隧道覆蓋，具有借鑒意義。