2011年8月 高速铁路技术 No.4,Vo1.2 第2卷第4期 HIGH SPEED RAILWAY TECHNOL0GY Aug.2011 文章编号:1674—8247(201 1)04—0029—04 铁路并线区域GSM.R网络规划研究 赵留俊 (铁道第三勘察设计院集团有限公司, 天津300251) 摘要:文章将铁路并线分为了3种不同的类型,以CTCS一3级列控高速铁路并线为例分析了铁路并线区域的 业务量需求。引入GRRU(数字光纤直放站)技术,对不同并线类型提出了相应的网络规划方案,从频率规划 难度、干扰情况、切换、可靠性和建设成本等方面对方案做了分析比较,从而得出既能保证铁路运营安全可靠 又能节省投资成本的最优方案。 关键词:GSM—R;并线;网络规划;GRRU(数字光纤直放站) 中图分类号:U285.21 文献标识码:A GSM-R Network Planning in Co-line Regions of Railway ZHAO Liu-jun (The Third Railway Survey and Design Institute Group Co.,Ltd,Tianjin 30025 1,China) Abstract:The paper divides the CO-line regions into three types,and gives a detailed analysis of business requirements of the CTCS-3 high-speed railway CO-line regions.GRRU technology is introduced in and provides relevant network plan— ning programs for different CO—line types.By comparing with the programs from dificulfties of frequency planning,inter- ference status,switching,reliability,and cost of the constructions and SO on,it hence works out an optimal program both for ensuring the safety and reliability of railway operation and reducing investment. Key words:GSM—R;CO—line;network planning;GRRU 1 引言 GSM—R是GSM for railway的英文缩写,其意为铁 路综合数字移动通信系统,是一种基于目前世界最成 到有并线的情况也没有成熟的理论研究来应对。例如 京沪高速铁路在北京局管段内与京九线和津灞联络线 有长距离并线,因为干扰和频率资源紧缺,为保证京沪 高速铁路的安全运营,拔掉了京九线已经建设好的几 熟、最通用的公共无线通信系统GSM平台上的、专门 个基站;在上海局管段,京沪高速铁路与沪宁城际并线 为满足铁路应用而开发的数字无线通信系统,针对铁 路通信列车调度、列车控制、支持高速列车等特点,为 铁路运营提供定制附加功能的一种经济高效的综合无 线通信系统。 随着我国高速铁路的建设及既有线的电气化改造 的进行,GSM.R网络在我国铁路中得到广泛应用。线 距离达几十公里,虽然沪宁城际通信集成方案中考虑 了京沪高速铁路的需求,但近期京沪高速铁路联调联 试发现,在并线区域沪宁城际和京沪高速铁路的干扰 依然很严重。 GRRU是将GSM模拟信号数字化,通过光纤传输 到远端,利用远端数字控制单元进行数模转换后,实现 路之间、线路与编组场站之间交叉、相交、平行的并线 GSM信号再生、放大,进行目标区域信号覆盖的网络 优化设备。由于GRRU采用基带池拉远,与传统直放 站相比,在系统噪声抑制,拉远距离、传输时延、容量和 可靠性方面有独特的优势。 鉴于目前高速铁路正在全国如火如荼的建设中, 情况越来越多,这些并线区域的网络规划成为研究 GSM—R网络规划的盲点,在做新线路网络规划时,遇 收稿日期:2011-05 10 作者简介:赵留俊(1985 ),男,助理工程师。 高速铁路并线的区段越来越多,而高速铁路一般采用 单网交织的覆盖方式,频率利用率较低,网络规划较困 第4期 赵留俊:铁路并线区域GSM—R网络规划研究 2011年8月 难,因此,本文研究的铁路线路覆盖方式均为单网交织 覆盖模式。 道,所以对铁路并线区域业务量分析,需要根据不同级 别的铁路并线分别分析。 在铁路并线区域,GSM.R系统为列车运行提供以 下业务。 2 并线类型 铁路线路之间的并线区域分为3种情况:即完全 并线、三岔路口和十字路口。 (1)语音业务。语音组呼、语音广播、点对点呼 叫、铁路紧急呼叫等方式。 (2)电路域数据(CSD)传输业务。为列控车载子 系统与列车控制中心进行双向数据传输提供通道,要 求永久在线,实时性高。该业务只有采用CTCS.3级 3并线区域关键问题分析 3.1 并线区域业务量分析 根据铁道部最新规划,我国以高速铁路为主骨架 列控的高速铁路才有。 的快速铁路网按3个速度等级来建设:“四纵四横”主 通道的高速铁路,按时速300 km建设;高速铁路延伸 线、连接线及城际铁路按时速200~250 km建设;客货 并重的铁路以及中西部大部分铁路按时速200 km以 下建设。根据目前高速铁路建设情况,时速300 km及 以上的高速铁路均采用CTCS.3级列车控制系统,其 (3)GPRS域数据传输。传输列车车次号及列车 调度命令等数据,对实时性要求不高。 若并线区域的高速铁路均为CTCS.3列控线路, 根据铁路通信话务模型和CTCS.3列控系统的需求, 考虑2条线路平行、交叉的情况,即同一区域内最多出 它新建铁路一般采用CTCS.2级列车控制系统。因为 现4辆列车。假设每列车上3个用户,地面用户每小 CTCS一3级列车控制系统需要GSM.R提供传输数据通 业务类型 列控业务 调度数据 区8个用户,则各业务所需信道如表1所示。 表1 CTCS一3线路并线区域业务量需求表 类型 非RBC切换区 RBC切换区 GPRS 语音组呼 (组ID数) 语音广播 (组ID数) 点对点呼叫 用户类型 车载列控模块 车载列控模块 CIR 区问用户 话务分析 列车运行期间1个模块一直在线 列车运行期间2个模块一直在线 传调度命令、进路预告等 0.05 Erl/组×3组/列车×4列车 =0.6Erl 0.017 Erl/组X 3组/列车×4列车 =0204 Er1 0.015 Erl/ ̄lj车×4列车:0.06 Erl .每小区业务信道需求数量 4 8 1 区间用户 列车用户 地面用户 语音业务 合计1.024 Erl,根据爱尔兰B 表,在呼损率为0.5%的情况下 需要9个信道 0.02 ErL/用户×8用户=0.16 Erl 注 :列控信息采用电路交换的方式时需要永久占用1条的信道,在一个小区内可能有2辆不同方向的列车同时经过,这样一条双线高速 铁路任何一个小区都需要2个信道传送列控信息。每个RBC一般控制约100 km距离内的列车行驶,在RBC切换区,列车上2部电台需 要同时接通2个RBC,即在RBC切换区的GSM.R小区,需要4个信道传送列控信息。 根据表1可知,在非RBC切换区每个小区共需要 (1)高速铁路单网交织覆盖区段。正常工作时, 14个业务信道,在RBC切换区域每个小区需要18个 业务信道,加上2~3个控制信道,故在非RBC切换区 需要给每个小区分配2个载频,在RBC切换区需要给 每个小区分配3个载频才能满足CTCS一3列控线路并 线区域业务量需求。 同频C/I>125 dB,邻频C/I≥7 dB;降级工作时(单点 故障),同频C/I>115 dB,邻频C/I>f一3 dB。 (2)普通铁路,铁路编组站区域。同频C/I≥ 12 dB,令 频C/I>1—6 dB。 根据理论推算及实际测试经验,同频基站至少应 间隔20 km,邻频基站至少应间隔9 km才能满足以上 若并线区域有一条非CTCS一3列控的铁路,在非 RBC切换区每个小区需要l2个业务信道,在RBC切 相关指标的要求。 换区域每个小区需要l4个业务信道,加上2个控制信 道,则一个小区分配2个载频即可。 若并线区域有均为非CTCS一3列控的铁路,每个 小区需要l0个业务信道,加上2~3个控制信道,则一 个小区分配2个载频即可。 4完全并线网络规划方案 考虑征地和减少投资等因素,铁路完全并线区段 内铁路线路之间距离一般相距较近。根据铁路线路重 叠区设计准则,将基站设置在2条铁路的中间,使得场 3.2并线区域干扰分析 强覆盖满足2条铁路线上的用户需求,一般采用共用 GSM—R网络的方案,此方案与单条铁路线的覆盖方 式类似,网络规划如图1所示。 <<GSM—R数字移动通信网技术(暂行规定)》 中规定了GSM—R无线网络的同邻频干扰保护比为: 第4期 赵留俊:铁路并线区域GSM—R网络规划研究 2011年8月 1002 1006 1003&1001 1008 1012 lO01&lO16 1007&1013 图1 完全并线区段网络规划图 5三岔路口网络规划方案 三岔路口并线区段中,完全并线区段采用线路较 近的网络规划方案。如图2所示,在2条铁路线分支 地点设置基站,并采用同站址双基站的备份方式, BTS1和BTS2。 线路1 图2三岔路口并线区段网络规划方案 为了保证并线区段的容量,同时保证高速铁路的 载波干扰比符合规范,基站采用载波备份方式(备份 载波单元,不占用频率资源)。基站内配置一块载波 单元硬件,但其未分配实际载频。载频单元冗余工作 模式下,一个物理的载频单元(CU)与一个BCCH载频 对应,另一个载频单元只需要在基站上安装并创建,工 作在备份(Standby)状态,不需要分配对应的频点。一 旦提供服务的载频单元(CU)故障,系统将BCCH载频 或故障的其它载频自动重配置到备份状态(Standby) 的载频单元(CU)上,因此当载波单元单点故障时不会 降低容量,可提高铁路分又地区无线覆盖的可靠性。 在三叉路口的基站为主用基站配置2+1载频,备用基 站配置1+1载频。 在该方案下,每个基站需要配置3副天馈线系统 包括2根馈线,2个馈线避雷器,2个三功分器及3副 窄波瓣的天线,实现3个方向的覆盖。目前,沪宁城际 和京沪高铁三岔路口并线区段就是采取的这一规划 方案。 6十字路口规划方案 高速铁路对GSM—R网络同邻频要求较高,且网络 交织,频率利用率低。在十字路口附近,同时存在2条 线路上的多个基站,相互干扰严重,且使用频点较多, 这里以2条线路垂直交叉威力,给出以下3个规划 方案。 6.1 方案一:共用交叉点基站载波备份 如图3所示,在交叉点用一个共用基站覆盖2条 铁路线路。在该方案下,每个基站需要配置4副天馈 线系统包括2根馈线,2个馈线避雷器,2个四功分器 及4副天线,用以实现4个方向的覆盖。载波备份配 置为:主用基站BTS1主用载频配置为2+1,另一个基 站BTS2作为备用载频配置为1+1。 (2, 、; 线路l 田 l1l 1002 1010] e( l \ I :/10卜07 / 101l8]OO 5 1, BTS2匝 口 ( 1000 1008 图3十字路口并线区段网络规划方案一 2条线路上的移动用户运动到交叉区域时,都需 切换到中心基站,并在越过交叉区域后切换回各自线 路上的覆盖基站。当中心区域的BTS连接到某条线 路上的BSC而为连接到另一条线路上的BSC时,另一 条线路上的用户经过交叉中心区域需进行跨BSC的 越区切换。 目前,已经开通的沪宁城际与京沪高铁十字路口 并线区段就是采用的这一方案。 6.2方案二:使用GRRU技术扩大交叉口两侧基站 覆盖范围 此方案网络规划如图4所示。各条线路上仍采用 单网冗余交织的覆盖方式,在接近交叉点处,取消基站 覆盖,将两侧基站的覆盖范围用GRRU扩大,直至越 过交叉点。这样在中心交叉区域存在2条线路上各2 个小区的信号,共4个小区。根据信道需求分析,每个 小区分配2个频点,则中心区域共用8个频点。只要 将中心小区范围扩得足够大,就可以在同一条线路上 第4期 赵留俊:铁路并线区域GSM—R网络规划研究 2011年8月 交叉点两侧第2个基站采用同频,且相邻方向可使用 邻频,降低了频率规划难度。 线路1双向 1(】。101 0& 1008 一Al! 1016A&2B4 l 03 B6 l000&1004 l018&100 —叫岛墨墨裔0 = … ^ 线路2 B5 向 l0lI&1015 A4 ㈣ l I1O0147A&6 l10132 图4 十字路口并线区段网络规划方案二 此方案中,基站覆盖半径设置为4 km,GRRU覆 盖半径设置为2 km。同一条线路上基站间距为3 km, GRRU与基站、GRRU之间间距为2 km。为避免移动 自 ’ 采用相同设置。 图5给出了利用GRRU扩大覆盖范围实现单网交 织的网络规划方法。 注:▲BTS 0 GRRU 图5 GRRU扩大覆盖范围示意图 6.3方案三:使用GRRU技术扩大交叉口中心基站 覆盖范围 此方案在交叉中心设置基站,并利用GRRU将中 心小区覆盖范围扩大。网络规划如图6所示。中心采 用同站址双基站热备方式,同方案一,主用基站分配 2个频点,并备份一个载波板,热备基站分配一个频点 并备份一个载波板。中心基站覆盖半径设为4 km,用 GRRU将中心小区的射频信号向4个方向延伸,GRRU 覆盖半径设为2 km,并与中心基站有1 km的重叠区, 即中心小区在各方向上覆盖范围分别是7 km。各方 向上基站覆盖半径设为4 km,均采用单网冗余交织的 覆盖方式。同线路上交叉点两侧基站距离约14 km, 可以使用邻频;相邻方向上两基站,如A1和B1间距 离也能够满足邻频干扰要求,可以使用邻频。 1007&1O16 B1 GRRU 1002&1Ol 1 1005&1014 》1004&1013 101 l&1002 clG R, D2 图6十字路口并线区段网络规划方案三 与方案一类似,改方案也会产生跨BSC的越区 切换。 6.4方案对比分析 以上3个方案在频率规划、越区切换、可靠性和建 设成本等方面各有优缺点,3个方案的比较如表2 所示 表2方案对比表 规划方案 频率规划 同频干扰 邻频干扰 越区切换 可靠性 建设成本 方案一 较难 存在 存在 复杂 高 中 方案二 容易 存在,较小 存在,较小 简单 低 低 方案三 困难 存在 存在 复杂 由 高 频率规划方面,方案二最简单,且同邻频干扰最 小,方案三比方案一频率同邻频干扰小; 同邻频干扰方面,方案二因为中心位置4个基站 相互之间相距最远,所以同邻频干扰最小; 越区切换方面,方案二中的用户只需做本线路网 络上的越区切换,只有跨BTS之间的切换,而方案一 和方案三中的某条线路上的用户存在跨BSC之间的 切换; 可靠性方面,方案一中只使用基站覆盖,方案二中 拉远覆盖区域易产生乒乓切换效应,使掉话率激增,可 靠性方面略低于方案一和方案三; 建设成本方面,3个方案的区别在于中心位置采 用不同的方案。目前建设一套02基站成本约为 20万元,一套GRRU成本约为2万元。方案一中心位 (下转第36页) 第4期 CTS150(23.5 kN+25 kN); 李会杰:强风地区高速铁路接触线预坡度探讨 2011年8月 (3)结构高度:I 400 mm; (4)跨距:50 m; 5 建议 (1)时速较低时,由于接触线坡度对弓网受流影 (5)接触线高度: ①设置预坡度前:正定位5 300 mm+107 mm,反 定位5 300—3 mm,接触线坡度2.2%。; 响非常低,可不考虑设接触线预坡度。时速较高,如 250 km/h及以上时,对接触线坡度对弓网受流影响较 大,建议设置预坡度以降低侧向风对弓网受流影响。 (2)设置预坡度仅能将因侧向风引起的接触线坡 度降低1/2,并不能最终消除该坡度。根据EN50119 规定,速度350 km/h时接触线坡度要求为0。显然设 预坡度后仍无法满足弓网受流要求(表2数据可证 ②设置预坡度后:正定位5 300 mm一53.5 m/ll,反 定位5 300 mm+1.5 mm,接触线坡度1.1%c。 (6)受电弓:采用DSA350受电弓,双弓弓间 距200 m: (7)仿真速度:350 km/h。 明),但可以改善弓网受流质量。针对我国设计速度 350 km/h多条铁路穿越大风区情况,建议根据实际情 4.2仿真结果 仿真结果,如表2所示。 表2接触线设置预坡度前、后弓网受流汇总表 项目 平均接触压力Fm(N) 设置预坡度前 前弓 80.9 后弓 80.3 设置预坡度后 前弓 8O.1 后弓 79.6 况确定大风区接触网设计标准及弓网受流标准,比如 将接触线允许坡度确定为1%c,适当提高允许离线 率等。 (3)除设置预坡度外,由式(2)、式(7)、式(8)、式 (9)可知,采取增大接触线工作张力、设置挡风墙而减 小风速、容量及风偏满足要求时,尽可能增大跨距等方 案,可减小因侧向风引起的接触线坡度。 接触压力标准偏差or(N) 最大接触压力(N) 最小接触压力(N) 最大抬升量(Cln) 59.3 69.7 36.6 44.6 189.3 O 4.72 0.09 221.8 289.8 164.6 0 O 4.44 4.61 参考文献: [1]王玉环.兰新线嘉乌段接触网设计风速探讨[J].西铁科技,2009 (1):3—5. 14.9O 14.31 6.53 11.53 D 燃弧率(%) [2] 中铁电气化勘测设计研究院有限公司.接触网设计手册[K].北 由表2可知,设置预坡度后,无论前弓还是后弓, 京:铁道出版社,1983. [3] EN 50119—2009,铁路应用一固定装置一电力牵引架空接触网 『S]. 接触压力标准偏差、最大接触压力及抬升量明显降低。 显然,设置预坡度对改善弓网受流质量有明显作用。 (上接第32页) 线类型人手,根据不同速度铁路工程设计指标的要求, 置需要40万元,且覆盖距离最小,方案二中心位置需 要24万元,方案三中心位置需要48万元。 详细分析了不同并线区域的业务需求,提出了几套网 络规划方案并做了分析比较,从而得出既能保证铁路 综上所述,推荐使用方案二。在十字路口并线区 段实际进行网络规划时综合考虑各方面的因素,对方 案进行全面的认证分析以保证铁路运营的安全可靠。 通信的安全、可靠又能节省投资成本的最优方案,希望 对铁路并线区域GSM—R无线网络规划和优化提供一 定的参考。 7结论 随着我国铁路的大面积建设,铁路并线区域将会 越来越多,这一关键区域的GSM.R网络规划方案是否 参考文献: [1] 赵留俊,丁建文.GSM与GSM—R网间干扰问题解决过程[J].铁 道通信信号,2010(4):69—71. [2] 石波.客运专线与既有线共用GSM—R无线系统若干问题探讨 [J].铁道通信信号,2007(10):36—38. [3] 杨帆.光纤拉远基站系统及其在高速铁路中的应用研究[D].北 京:北京交通大学,2009. 合理将直接影响铁路的安全运营,尤其对于用在要求 高安全性和高可靠性的铁路通信网络中。在我国大力 发展高速铁路和客运专线建设的大形势下,研究并线 区域网络规划由于其重要性、复杂性将是当前和今后 研究的热点,也是工程中亟需解决的难题。本文从并 【4] 铁建设【2007]92号,铁路C.SM—R数字移动通信系统工程设计 暂行规定(2010年局部修订)[s].