基于GSM-R的鐵路通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

1 引言
    GSM—R是為鐵路通信設(shè)計的綜合專用數(shù)字移動通信系統(tǒng)．它是在GSM蜂窩系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加調(diào)度通信功能和適用于高速環(huán)境下的要素．可滿足國際鐵路聯(lián)盟提出的鐵路專用調(diào)度通信要求。在GSM—R網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，應(yīng)用GSM—R理論，提高了鐵路通信系統(tǒng)的可靠性，并解決了信道擁塞率高、呼叫成功率低等問題，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。

2 GSM—R網(wǎng)絡(luò)
    GSM—R網(wǎng)絡(luò)主要包括無線網(wǎng)絡(luò)、交換網(wǎng)絡(luò)及有線傳輸網(wǎng)絡(luò)，其中無線網(wǎng)絡(luò)包括核查基站參數(shù)，規(guī)劃頻率，劃分位置區(qū)，確定話務(wù)負(fù)荷、阻塞率、基站天線角度、發(fā)射功率等參數(shù)以及降低同頻干擾和非同頻干擾等；而交換網(wǎng)絡(luò)則包括確定基站頻率、小區(qū)參數(shù)(CDD)和越區(qū)切換參數(shù)等。
    GSM-R核心網(wǎng)絡(luò)采用二級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即設(shè)立移動業(yè)務(wù)大區(qū)匯接中心(TMSC)和本地業(yè)務(wù)端局(MSC)，匯接中心之間網(wǎng)狀網(wǎng)連接。小區(qū)一般設(shè)置是在沿路軌方向安裝定向天線，形成沿路軌的橢圓形小區(qū)；在話務(wù)量較大但火車速度較低的編組站內(nèi)可采用扇形小區(qū)覆蓋；而人口密度低的低速路段和軌道交織處則采用全向小區(qū)覆蓋。每個小區(qū)有一個或幾個基站收發(fā)信機(jī)，數(shù)目的多少由話務(wù)量決定。
    列車時速超過140 km／h，采用GSM信號，可降低通信質(zhì)量，提高誤碼率。而誤碼率的增加會降低話音質(zhì)量，甚至當(dāng)服務(wù)質(zhì)量達(dá)到最低閾值時，特別是與ERTMS(歐洲鐵路運輸管理系統(tǒng))和ETCS(歐洲鐵路控制系統(tǒng))有關(guān)的數(shù)據(jù)將被中斷，從而導(dǎo)致列車不必要的停車或減速，因此需要采用雙網(wǎng)覆蓋系統(tǒng)以提高系統(tǒng)的可靠性。
2．1 無線網(wǎng)絡(luò)部分
    (1)無線網(wǎng)絡(luò)的場強(qiáng)覆蓋場強(qiáng)覆蓋往往與具體的地理位置分布有關(guān)，根據(jù)具體的地理環(huán)境和基站的實際情況進(jìn)行調(diào)整。采用提高基站的發(fā)射功率，增加天線掛高，調(diào)整天線水平角或垂直角以及安裝直放站等方法改善下行鏈路的信號覆蓋。一般來說，在鐵路或公路沿線主要考慮沿線的帶狀覆蓋分布，可采用雙扇區(qū)型基站，每個區(qū)180°；天線采用單極化3 dB波瓣寬度為90°的高增益定向天線，兩天線相背放置，最大輻射方向與高速路方向一致。如果沿路方向話務(wù)量很低，考慮到設(shè)備成本，采用全向天線變形的雙向天線，雙向3 dB波瓣寬度為70°，最大增益為14 dB，如HTSX一09—14型天線。
    (2)無線參數(shù)設(shè)置 在GSM—R網(wǎng)絡(luò)中，與無線設(shè)備和接口有關(guān)的參數(shù)最能影響網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)性能，其中包括小區(qū)選擇、控制信道、無線測量、功率控制、切換控制等參數(shù)，這些參數(shù)對小區(qū)覆蓋、信令流量分布、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)性能等具有重要影響。調(diào)整無線參數(shù)的基本原則是綜合考慮實際無線信道特性、話務(wù)量特性和信令流量承載情況，充分利用現(xiàn)有的無線資源，通過業(yè)務(wù)量分擔(dān)方式均勻全網(wǎng)的業(yè)務(wù)量和信令流量。
    (3)話務(wù)量設(shè)置 其目的是預(yù)先盡可能均衡移動通信網(wǎng)的話務(wù)量．使其整個網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負(fù)荷均勻．尤其是在一些人口密集的商業(yè)區(qū)，優(yōu)化話務(wù)量時應(yīng)注意交換機(jī)阻塞。
    (4)重疊區(qū)的劃分青藏線路段根據(jù)實際地理環(huán)境恰當(dāng)設(shè)計重疊區(qū)域大小，避免出現(xiàn)弱場區(qū)。重疊區(qū)可根據(jù)頻率復(fù)用方案得到移動臺接收C／I值，重疊區(qū)的寬度a為：兩小區(qū)復(fù)用：

   
2．2 頻率規(guī)劃
    頻率規(guī)劃是在建網(wǎng)過程中，根據(jù)某地區(qū)的話務(wù)量分布分配相應(yīng)的頻率資源實現(xiàn)有效覆蓋。頻率規(guī)劃要考慮符合國家無線電管理規(guī)定、頻率復(fù)用效率、同頻及鄰頻干擾，尤其是在同一區(qū)域不同移動網(wǎng)絡(luò)，同頻段內(nèi)相鄰的信道使用時。頻道分配時應(yīng)考慮同頻道干擾、鄰頻道干擾和互調(diào)干擾等因素，并使干擾保護(hù)比滿足：同頻道干擾保護(hù)比C／I≥12 dB，鄰頻道干擾保護(hù)比C／I≥一6 dB，偏離載波400 kHz時的干擾保護(hù)比C／I≥一41 dB。同小區(qū)載波最小問隔至少600 kHz，相鄰小區(qū)頻率間隔至少400 kHz。頻率規(guī)劃還要考慮基站站型和頻率規(guī)劃方法?；菊拘褪穷l率規(guī)劃的前提，根據(jù)話務(wù)量和目標(biāo)阻塞率確定基站的站型，根據(jù)話務(wù)量A和阻塞率E，查找對照表(表1)得出某小區(qū)需要配置的頻點個數(shù)n。頻率規(guī)劃首先設(shè)置頻率參數(shù)，包括控制信道是否單獨分配和業(yè)務(wù)信道的頻率復(fù)用方式。

    在頻率規(guī)劃中，采用定向天線覆蓋和調(diào)整天線高度和傾角的方法解決同頻干擾，通過提高濾波器精度和合理分配信道來降低鄰道干擾，為了避免在相鄰小區(qū)分配連續(xù)的頻率，可采用最大的相鄰小區(qū)間頻率間隔。
2．3 有線傳輸網(wǎng)絡(luò)
    從傳輸技術(shù)上看，與PDH體制相比，SDH體制具有傳輸容量大，網(wǎng)絡(luò)配置靈活性和生存性高、兼容性高，維護(hù)管理功能強(qiáng)等特點，因此傳輸網(wǎng)應(yīng)以SDH為基礎(chǔ)．有線傳輸網(wǎng)絡(luò)采用光纜。目前，ITU—T已在G．652、G．653、G．654和G．655光纖中分別定義了4種不同的單模光纖。其中G．652，光纖和G．655光纖均可適用于傳輸網(wǎng)，其主要參數(shù)如表2所示。

    從表2參數(shù)看出，G．652光纖的色散系數(shù)在l 550 nm波長為15～20 ps／nm．km。當(dāng)傳輸10 Gb／s的TDM和WDM系統(tǒng)時，為了增加中繼距離，需要介入具有負(fù)色散系數(shù)的光纖進(jìn)行色散補(bǔ)償。G．655光纖1 530～1 560 nm波長區(qū)色散通常為1．0~6．O ps／nm．km，傳輸相同的10 Gb／s系統(tǒng)時，因色散很低．無需采取色散補(bǔ)償，從設(shè)備成本上考慮，采用G．652光纖的高速率系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于G．655光纖系統(tǒng)。

3 設(shè)計方案
    方案應(yīng)用于格爾木至蘭州段GSM-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，這段鐵路全長1 020 km，地形復(fù)雜，沿途經(jīng)山區(qū)、隧道等信號盲區(qū)，對網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、部署、運營及維護(hù)提出極高要求?；贕SM-R系統(tǒng)的格爾木至蘭州段鐵路無線列調(diào)系統(tǒng)可實現(xiàn)列車無線調(diào)度、數(shù)據(jù)傳輸、信息服務(wù)和應(yīng)急通信等功能。
    該設(shè)計采用雙網(wǎng)覆蓋系統(tǒng)，蘭州通信站設(shè)兩套BSC1204(A和B)，每個BSC由BSC．C兩個機(jī)架組成。BSC．E上的48對2 M在DDF上一次配線完成。BSCl204A與上層BTS(站型S111，03和02)相連，BSCl204B與下層BTS(站型01)相連。兩層網(wǎng)間為話務(wù)分擔(dān)方式運行，當(dāng)一層網(wǎng)出現(xiàn)故障時，移動用戶能夠自動切換到另一層網(wǎng)?；靖采w圖如圖1所示。

    表3為蘭州至格爾木鐵路段GSM—R基站頻率分配表。

    傳輸網(wǎng)絡(luò)方面，該傳輸網(wǎng)采用G．652光纖，通信傳輸骨干網(wǎng)采用SDH一622系統(tǒng)，且預(yù)留2．5 G系統(tǒng)，提供長途電路，并為車站接入網(wǎng)系統(tǒng)、區(qū)間接入網(wǎng)系統(tǒng)提供保護(hù)電路；車站接入網(wǎng)采用SDH-622系統(tǒng)，為區(qū)段通信提供電路，每4個站為一個環(huán)；區(qū)間接入網(wǎng)采用SDH-155系統(tǒng)，主要為GSM-R的區(qū)間基站提供電路。

4 結(jié)語
    應(yīng)用GSM-R理論實現(xiàn)蘭州至格爾木段的通信網(wǎng)數(shù)字移動通信系統(tǒng)設(shè)計，整個線路實現(xiàn)雙網(wǎng)絡(luò)覆蓋，有效解決GSM-R網(wǎng)絡(luò)中諸如信道擁塞率高，呼叫成功率低等問題。