新建鐵路與既有線交叉并線區(qū)段GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究
——以杭紹臺高速鐵路為例

王弈賽

(中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海通信段，上海 200434)

0 引言

2021年年底，隨著京港高鐵安慶至九江段開通運營，標(biāo)志著“八縱八橫”高鐵網(wǎng)京港(臺)通道商丘至深圳段基本貫通，中國高鐵運營里程突破4萬公里，穩(wěn)居世界第一。隨著高鐵路網(wǎng)密度不斷增大，新建鐵路與既有線路的交叉并線越來越頻繁，交叉并線區(qū)段無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化已成為鐵路通信施工的重難點工程[1]。由于GSM-R頻率資源有限，加上交叉并線區(qū)段線路之間地理位置復(fù)雜、新建鐵路與既有鐵路移動通信系統(tǒng)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不同等，必然會給交叉并線區(qū)段的GSM-R網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及優(yōu)化帶來極大的困難。

文章以新建杭紹臺高速鐵路與既有的杭甬客專、甬臺溫客專鐵路交叉并線區(qū)段為例，提出GSM-R 系統(tǒng)的無線信號覆蓋方案，并對聯(lián)調(diào)聯(lián)試過程中的GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從工程建設(shè)角度出發(fā)，對出現(xiàn)的典型技術(shù)問題提出優(yōu)化方案。

1 交叉并線區(qū)段GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化要點

鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)GSM-R(Global System of Mobile for Railway)是鐵路通信系統(tǒng)升級換代的新一代技術(shù)。作為鐵路數(shù)字移動通信平臺，GSM-R不但提供列車調(diào)度通信、施工養(yǎng)護(hù)專用通信等鐵路運輸指揮話音通信業(yè)務(wù)，還能為鐵路運輸指揮提供數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，是專門為鐵路通信設(shè)計的綜合專用數(shù)字移動通信系統(tǒng)。這一技術(shù)在高級語音呼叫功能的基礎(chǔ)上，加入了基于位置尋址和功能尋址等功能，不僅能改善鐵路語音通信質(zhì)量，同時也能作為數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)平臺，為列車自動控制與檢測信息提供數(shù)據(jù)傳輸通道，并可提供列車自動尋址和旅客服務(wù)，滿足鐵路通信特別是鐵路專用調(diào)度通信的需要[1]。

文中的交叉并線區(qū)段是指兩條或兩條以上的鐵路線路采用GSM-R網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線覆蓋時，在≥95%概率條件下，信號場強(qiáng)覆蓋值同時需滿足《鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)(GSM-R)設(shè)計規(guī)范》(TB10088—2015)場強(qiáng)覆蓋要求的鐵路區(qū)段[2]。

由于鐵路線路地形復(fù)雜，線路并行間距或近或遠(yuǎn)，加之線路之間可能還有山體或樓體阻擋，造成交叉并線區(qū)段GSM-R無線覆蓋困難。如果交叉并線的線路等級不同，對GSM-R無線覆蓋和性能指標(biāo)要求也會不同，使得在交叉并線區(qū)域的無線小區(qū)規(guī)劃、頻率分配和切換設(shè)置成為新建鐵路通信施工中的難題[2]。同時，整個網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程必須最小化對既有營業(yè)線列車運輸組織的影響，使得此項工作的實施更加困難。

為了解決這些問題，需要由建設(shè)單位組織設(shè)計單位、施工單位以及設(shè)備管理單位共同研究制定交叉并線區(qū)段的無線信號覆蓋方案，通過網(wǎng)絡(luò)性能統(tǒng)計分析工具采集聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間的GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運行數(shù)據(jù)，掌握GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)無線覆蓋情況和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量情況，分析研判信道擁塞、頻率干擾、弱場覆蓋、業(yè)務(wù)掉話、切換失敗等影響網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用質(zhì)量的原因，通過修改網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及設(shè)備配置、排查頻率干擾等技術(shù)手段[3]，解決問題，在確保既有營業(yè)線鐵路運輸秩序安全穩(wěn)定的前提下，不斷優(yōu)化新建線鐵路GSM-R無線信號覆蓋指標(biāo)，將系統(tǒng)調(diào)試至最佳運行狀態(tài)。

2 杭紹臺高鐵項目交叉并行典型區(qū)段無線覆蓋解決方案

杭紹臺高速鐵路是浙江省境內(nèi)一條連接杭州市、紹興市、臺州市的高速鐵路，是溝通杭州都市區(qū)與溫臺沿海城市群的一條快捷通道，也是國家沿海鐵路快速客運通道的組成部分和浙江省“一帶一路”全省大通道建設(shè)重點項目。杭紹臺高速鐵路北起杭州東站，利用杭甬高鐵至紹興北站，之后新建正線由杭甬客專紹興北站引出，經(jīng)紹興市所轄的上虞區(qū)、嵊州市、新昌縣，臺州市所轄的天臺縣、臨海市、椒江區(qū)，最后至臺州市溫嶺站，全程226公里、設(shè)計時速為350公里。杭紹臺高速鐵路的新建線路在紹興北站至上虞區(qū)孫端鎮(zhèn)附近與既有的杭甬客專并線，在臨海站至溫嶺站附近與既有的甬臺溫客專并線。為減少新建線路GSM-R基站對既有線路基站的影響，保證交叉并線區(qū)段既有線正常運營，需對交叉并線區(qū)段GSM-R系統(tǒng)無線覆蓋方案進(jìn)行研究和科學(xué)設(shè)計[4]，形成最終工程實施方案。

2.1 杭紹臺與杭甬客專并線區(qū)段無線覆蓋方案

杭紹臺新建線路在DK0+000至DK22+220共19.020 km與既有的杭甬客專并線。杭甬客專設(shè)計時速為350 km/h，信號采用CTCS-3列控系統(tǒng)，GSM-R系統(tǒng)采用單網(wǎng)交織方案，滿足新建線路GSM-R系統(tǒng)覆蓋需求，因此并線區(qū)段利用杭甬客專既有基站覆蓋新建線路，并根據(jù)場強(qiáng)覆蓋情況對特殊區(qū)段進(jìn)行方案優(yōu)化，設(shè)計并線區(qū)域線路及基站示意圖(見圖1)。

圖1 杭紹臺與杭甬客專并線基站示意

為保證覆蓋效果，達(dá)到無縫覆蓋的目的，在對沿線的網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)行勘測后，方案設(shè)計主要集中在無線信號的盲區(qū)覆蓋和信號的優(yōu)化。如新建線路GDK6+010至GDK6+500的新鳳凰山隧道處，為減小對杭甬客專的影響，滿足新線隧道內(nèi)弱場覆蓋，采用模擬直放站和漏纜的方式進(jìn)行覆蓋。在新鳳凰山隧道入口和出口分別設(shè)置1套模擬直放站遠(yuǎn)端機(jī)，接入既有杭甬線K205+169K207+592基站近端機(jī)，主從關(guān)系與舊鳳凰山隧道遠(yuǎn)端機(jī)相同。

同時，為保證DK9+355至DK9+965半封閉聲屏障內(nèi)GSM-R系統(tǒng)冗余覆蓋，可采用“直放站+漏纜”的方式進(jìn)行覆蓋。在聲屏障面向大里程右側(cè)掛設(shè)1條漏纜，在DK9+170 AT所通信機(jī)械室內(nèi)設(shè)置2套模擬直放站遠(yuǎn)端機(jī)，在杭甬K213+999(杭紹臺DK9+500)通信機(jī)械室內(nèi)新設(shè)1套C1基站、2副天線、2套模擬直放站近端機(jī)和1套STM-4傳輸設(shè)備，與杭甬K210+785、杭甬K217+073建立切換關(guān)系和既有C2基站組成同站址雙網(wǎng)。

2.2 杭紹臺與甬臺溫客專并線區(qū)段無線覆蓋方案

杭紹臺新建線在臨海站附近與甬臺溫鐵路并線，并線區(qū)域由DK173+545至DK189+095共15.550 km；在溫嶺站附近與甬臺溫客專并線，并線區(qū)域由DK230+024至DK237+820，共7.796 km。甬臺溫客專線設(shè)計時速為250 km/h，信號列控系統(tǒng)采用CTCS-2列控，GSM-R系統(tǒng)采用單網(wǎng)覆蓋，無法滿足新建線路的網(wǎng)絡(luò)無線覆蓋需求，因此，此區(qū)段需在杭紹臺鐵路沿線新設(shè)基站，采用單網(wǎng)交織方案覆蓋杭紹臺鐵路及甬臺溫客專線，待新設(shè)基站開通后，關(guān)閉甬臺溫客專線基站。下面以臨海站附近的并線區(qū)段為例設(shè)計基站示意圖(見圖2)。

圖2 杭紹臺與甬臺溫客專并線區(qū)段基站示意

臨海站附近與甬臺溫客專并線區(qū)段為丘陵地帶，地勢復(fù)雜，新建線路在并線區(qū)段設(shè)有東山陳2號隧道、東山陳3號隧道、胡岙1號隧道、胡岙2號隧道、丁橋隧道、燕居1號隧道、燕居2號隧道。既有甬臺溫客專線設(shè)有太坤山隧道、紙扇山隧道、燕居嶺隧道。既有甬臺溫客專線采用模擬直放站和漏纜的方式覆蓋隧道內(nèi)，在DK175+502、DK180+250、DK183+650(臨海站)、GDK186+682各設(shè)置1套基站，在新建基站處設(shè)置數(shù)字型直放站近端機(jī)和遠(yuǎn)端機(jī)，并將既有線路的部分模擬直放站改為數(shù)字直放站，覆蓋杭紹臺鐵路及甬臺溫客專線。待杭紹臺基站開通后，關(guān)閉甬溫K439+319、K443+346、K447+056基站。

3 GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的常用技術(shù)手段

在新建鐵路與既有鐵路交叉并線區(qū)段GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程中，往往需要根據(jù)檢測車每日的檢測情況實時制定網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案，通過調(diào)整技術(shù)參數(shù)、天線角度、設(shè)備主從關(guān)系等技術(shù)手段，最終實現(xiàn)整個區(qū)段的GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋技術(shù)指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.1 調(diào)整切換參數(shù)

問題描述：半數(shù)站測試LH-TZ03(臨海至臺州03基站)出現(xiàn)掉話，需通過LH-TZ03接收電平測試結(jié)果(見圖3)與通話質(zhì)量測試結(jié)果(見圖4)分析查找原因。

圖3 LH-TZ03小區(qū)接收電平測試

圖4 LH-TZ03小區(qū)通話質(zhì)量測試

問題分析：該區(qū)段位于隧道內(nèi)，分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖判斷掉話是由于未及時切換導(dǎo)致，列車行駛通過LH-TZ04/R2直放站后，LH-TZ03的信號出現(xiàn)快衰，需要控制LH-TZ03至LH-TZ05的切換位置在LH-TZ04/R1與LH-TZ04/R2區(qū)間。

解決方案：將LH-TZ03至LH-TZ05的PBGT切換門限由70調(diào)整至65，PBGT統(tǒng)計時間由6調(diào)整至2、PBGT持續(xù)時間由2調(diào)整至1，調(diào)整后復(fù)測問題解決。

3.2 調(diào)整衰減參數(shù)

問題描述：LH-TZ01N2 (新建臨海至臺州01基站)網(wǎng)管Band值長期4級，需通過其BSC網(wǎng)管干擾監(jiān)控結(jié)果(見圖5)分析查找原因。

圖5 BSC網(wǎng)管LH-TZ01N2干擾監(jiān)控

問題分析：

(1)關(guān)閉LH-TZ01N2下掛2臺近端機(jī)，顯示干擾消除，可判斷出干擾由直放站引入。

(2)依次開啟LH-TZ01N2下掛2臺近端機(jī)，其中1臺近端機(jī)開啟無干擾，當(dāng)另1臺近端機(jī)開啟，干擾出現(xiàn)，可判斷干擾由該近端機(jī)及下掛遠(yuǎn)端機(jī)引入。

(3)逐個開啟該近端機(jī)下掛遠(yuǎn)端機(jī)，最終定位上行干擾由LH-TZ01N2/R7、R8、R9引入。

解決方案：調(diào)整LH-TZ01N2/R7、R8、R9的上行衰減值，LH-TZ01N2的Band值恢復(fù)正常。

3.3 調(diào)整天線參數(shù)

問題描述：TZ-WLBS 01(臺州至溫嶺北所01基站)小公里標(biāo)BCCH頻點場強(qiáng)大，TCH頻點場強(qiáng)小，須通過TZ-WLBS01基站與直放站系統(tǒng)組網(wǎng)(見圖6)，結(jié)合TaizhouN2至TZ-WLBS01電平覆蓋測試結(jié)果(見圖7)分析查找原因。

圖6 TZ-WLBS01基站與直放站系統(tǒng)組網(wǎng)示意

圖7 TaizhouN2至TZ-WLBS01電平覆蓋測試

問題分析：某時段下行方向，從臺州站切換至TZ-WLBS01 R1時存在乒乓切換，切換了3次。當(dāng)切換至TZ-WLBS01 R1后，業(yè)務(wù)信道為TCH頻點，但此時TCH頻點的場強(qiáng)偏小，比臺州站的場強(qiáng)低，又切回臺州站小區(qū)，但切至臺州站小區(qū)后，此時鄰區(qū)電平為TZ-WLBS01的BCCH頻點場強(qiáng)較強(qiáng)，又發(fā)起小區(qū)切換至TZ-WLBS01小區(qū)。

經(jīng)過分析TZ-WLBS 01 小公里標(biāo)BCCH頻點場強(qiáng)大，TCH頻點場強(qiáng)小?？赡芑九c直放站近端機(jī)之間的連接線或耦合器存在問題，或者設(shè)計圖紙兩路天線往同一個方向覆蓋存在問題。

解決方案：

(1)到達(dá)TZ-WLBS01 R1處后，檢查基站與直放站近端機(jī)之間的連接線或耦合器，通過信號源與頻譜儀測試都正常。

(2)然后檢查TZ-WLBS01 R1處兩個天線的方向角和俯仰角，發(fā)現(xiàn)兩路天線都往一個方向覆蓋，但1付天線俯仰角是4度，另一付天線的俯仰角是19度，說明天線原因造成此處覆蓋場強(qiáng)異常的現(xiàn)象。

(3)去掉一個天線，采用俯仰角4度的天線后，經(jīng)過后續(xù)鐵科綜合檢測列車測試均正常。

3.4 調(diào)整設(shè)備主從關(guān)系

問題描述：TTS-LH05與TTS-LH08(天臺山至臨海05基站、08基站)存在鄰頻現(xiàn)象，需通過TTS-LH08直放站系統(tǒng)組網(wǎng)(見圖8)，結(jié)合TS-LH05至TTS-LH08電平覆蓋測試結(jié)果(見圖9)分析查找原因。

圖8 TTS-LH08直放站系統(tǒng)組網(wǎng)示意

圖9 TTS-LH05至TTS-LH08電平覆蓋測試

問題分析：某時段奇偶數(shù)測試，發(fā)現(xiàn)一旦TTS-LH06站故障，TTS-LH05與TTS-LH08站存在鄰頻現(xiàn)象，需要調(diào)整TTS-LH08 R1-R4設(shè)備的主從關(guān)系。

解決方案：將TTS-LH08 R1-R4設(shè)備的主從關(guān)系調(diào)整：K262+188兩臺遠(yuǎn)端機(jī)調(diào)為TTS-LH07 R1和R2，K263+330遠(yuǎn)端機(jī)調(diào)為TTS-LH07 R3，K264+145遠(yuǎn)端機(jī)調(diào)為TTS-LH07 R4，即將K262至K264 四臺遠(yuǎn)端機(jī)原來1和2光口到TTS-LH08近端機(jī)，現(xiàn)場調(diào)整為連接到TTS-LH07近端機(jī)，將K262至K264 4臺遠(yuǎn)端機(jī)原來3和4光口到TTS-LH07近端機(jī)，現(xiàn)場調(diào)整為連接到TTS-LH08近端機(jī)。調(diào)整完后檢測車測試正常。

4 交叉并線區(qū)段GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的實施流程

4.1 施工方案審查

完成初步設(shè)計方案制定后，由于涉及對既有營業(yè)線GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整，相關(guān)作業(yè)必須納入營業(yè)線施工管理，應(yīng)由建設(shè)單位牽頭開展?fàn)I業(yè)線施工(鄰近)方案的評審。建設(shè)單位應(yīng)組織設(shè)計單位、施工單位主動與設(shè)備管理單位對接，研究制定新建鐵路與既有線交叉并線區(qū)段GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化實施方案，討論明確施工工作量、施工步驟、影響范圍、計劃類型等。實施方案基本確定后，由建設(shè)單位組織召開專項施工方案審查會，明確涉及既有營業(yè)線基站關(guān)閉、調(diào)整的施工計劃批復(fù)、執(zhí)行流程。通常情況下，在新建鐵路靜態(tài)驗收通過后，聯(lián)調(diào)聯(lián)試啟動前，經(jīng)批準(zhǔn)后可由建設(shè)單位協(xié)調(diào)安排通信檢測車對既有營業(yè)線無線通信指標(biāo)進(jìn)行測試驗證。在聯(lián)調(diào)聯(lián)試開始后，由聯(lián)調(diào)聯(lián)試指揮部統(tǒng)一安排既有營業(yè)線的施工計劃和檢測車測試計劃。

4.2 無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化實施

設(shè)備管理單位配合施工單位組織開展既有線無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化實施工作。施工單位應(yīng)根據(jù)通信檢測車交路和測試計劃編制專項施工方案。涉及新建鐵路基站為既有營業(yè)線提供GSM-R無線通信業(yè)務(wù)時，由于存在新建鐵路工程聯(lián)調(diào)聯(lián)試與既有營業(yè)線運輸生產(chǎn)安全之間的矛盾，需在施工點內(nèi)關(guān)閉既有營業(yè)線基站通信設(shè)備，開啟新建鐵路基站通信設(shè)備，并通過在既有營業(yè)線開行檢測列車開展既有營業(yè)線交叉并線區(qū)段的無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作，在施工點結(jié)束前再全部恢復(fù)既有營業(yè)線基站的信號覆蓋。僅涉及施工點內(nèi)既有營業(yè)線基站關(guān)閉、開啟，并在施工點結(jié)束前全部恢復(fù)原樣時，設(shè)備管理單位依據(jù)檢測計劃及專項施工方案配合實施。涉及既有線設(shè)備變化、參數(shù)調(diào)整、天線調(diào)整時，應(yīng)由設(shè)備管理單位技術(shù)部門牽頭編制施工預(yù)案，經(jīng)審批后實施。新建鐵路工程與既有線并線區(qū)段在既有營業(yè)線的無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作完成并驗證指標(biāo)通過后，應(yīng)由建設(shè)單位向集團(tuán)公司電務(wù)(通信)專業(yè)處室提交申請，由集團(tuán)公司正式下發(fā)通知明確關(guān)閉、調(diào)整既有營業(yè)線基站，開啟新線基站為既有營業(yè)線提供GSM-R無線通信業(yè)務(wù)，之后再進(jìn)行新建鐵路正線的聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作。所有為既有營業(yè)線提供GSM-R無線通信業(yè)務(wù)的新建鐵路基站通信設(shè)備的施工維修、參數(shù)調(diào)整，均應(yīng)納入既有營業(yè)線天窗內(nèi)實施，并在天窗結(jié)束前確保既有營業(yè)線GSM-R無線通信業(yè)務(wù)正常。

4.3 新建鐵路設(shè)備接管維護(hù)保障

在進(jìn)入新建鐵路工程與既有線并線區(qū)段無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化實施階段后，涉及新建鐵路基站為既有營業(yè)線提供GSM-R無線通信業(yè)務(wù)時，應(yīng)遵循“先驗收，后開通”的原則，由建設(shè)單位提前組織相關(guān)通信機(jī)房、設(shè)備設(shè)施的竣工驗收工作。同時設(shè)備管理單位應(yīng)重點組織對涉及提供既有營業(yè)線GSM-R無線通信業(yè)務(wù)的新線設(shè)備驗收接管工作，組織維護(hù)接管車間編制年月表檢修計劃并落實執(zhí)行。設(shè)備管理單位技術(shù)部門應(yīng)組織維護(hù)接管車間編制新建鐵路工程與既有線并線區(qū)段GSM-R無線通信業(yè)務(wù)應(yīng)急保障方案，并協(xié)調(diào)建設(shè)單位、盯控施工單位制定相應(yīng)措施確保涉及提供既有營業(yè)線GSM-R無線通信業(yè)務(wù)的新建鐵路通信設(shè)備及相關(guān)接口單位的設(shè)備安全穩(wěn)定運行。待集團(tuán)公司正式通知下發(fā)后，由施工單位提報施工計劃在施工點內(nèi)將既有營業(yè)線基站關(guān)閉，新建鐵路基站開啟，同步將新建鐵路相關(guān)基站通信機(jī)房納入既有營業(yè)線設(shè)備管理，并在新建鐵路正式開通啟用前加強(qiáng)網(wǎng)管監(jiān)控，做好應(yīng)急處置保障。

5 結(jié)語

隨著近幾年鐵路的高速建設(shè)，鐵路網(wǎng)密度越來越大，新建鐵路與既有鐵路交 叉并線情況越來越多，交叉并線區(qū)段的 GSM-R 設(shè)計已成為鐵路通信施工的重難點，也成為影響聯(lián)調(diào)聯(lián)式的關(guān)鍵因素之一。由于在網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)外部環(huán)境的不斷更新和變化下，無線通信網(wǎng)絡(luò)容易出現(xiàn)各種各樣的新問題，只有加強(qiáng)對GSM-R無線通信網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)優(yōu)化設(shè)計，才能不斷提高網(wǎng)絡(luò)運營效率和效果，使得GSM-R 無線通信網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最佳狀態(tài)，以保障鐵路運輸安全高效。