基于GSM-R的鐵路通信網(wǎng)絡設計

2 GSM―R網(wǎng)絡
GSM―R網(wǎng)絡主要包括無線網(wǎng)絡、交換網(wǎng)絡及有線傳輸網(wǎng)絡，其中無線網(wǎng)絡包括核查基站參數(shù)，規(guī)劃頻率，劃分位置區(qū)，確定話務負荷、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)絡采用二級網(wǎng)絡結構，即設立移動業(yè)務大區(qū)匯接中心(TMSC)和本地業(yè)務端局(MSC)，匯接中心之間網(wǎng)狀網(wǎng)連接。小區(qū)一般設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，數(shù)目的多少由話務量決定。
列車時速超過140 km／h，采用GSM信號，可降低通信質量，提高誤碼率。而誤碼率的增加會降低話音質量，甚至當服務質量達到最低閾值時，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))有關的數(shù)據(jù)將被中斷，從而導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)絡部分
(1)無線網(wǎng)絡的場強覆蓋場強覆蓋往往與具體的地理位置分布有關，根據(jù)具體的地理環(huán)境和基站的實際情況進行調整。采用提高基站的發(fā)射功率，增加天線掛高，調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。如果沿路方向話務量很低，考慮到設備成本，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)設置 在GSM―R網(wǎng)絡中，與無線設備和接口有關的參數(shù)最能影響網(wǎng)絡的服務性能，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)絡業(yè)務性能等具有重要影響。調整無線參數(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)務量分擔方式均勻全網(wǎng)的業(yè)務量和信令流量。
(3)話務量設置 其目的是預先盡可能均衡移動通信網(wǎng)的話務量．使其整個網(wǎng)絡業(yè)務負荷均勻．尤其是在一些人口密集的商業(yè)區(qū)，優(yōu)化話務量時應注意交換機阻塞。
(4)重疊區(qū)的劃分青藏線路段根據(jù)實際地理環(huán)境恰當設計重疊區(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)的話務量分布分配相應的頻率資源實現(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，同頻段內(nèi)相鄰的信道使用時。頻道分配時應考慮同頻道干擾、鄰頻道干擾和互調干擾等因素，并使干擾保護比滿足：同頻道干擾保護比C／I≥12 dB，鄰頻道干擾保護比C／I≥一6 dB，偏離載波400 kHz時的干擾保護比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。基站站型是頻率規(guī)劃的前提，根據(jù)話務量和目標阻塞率確定基站的站型，根據(jù)話務量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)劃首先設置頻率參數(shù)，包括控制信道是否單獨分配和業(yè)務信道的頻率復用方式。

在頻率規(guī)劃中，采用定向天線覆蓋和調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
從傳輸技術上看，與PDH體制相比，SDH體制具有傳輸容量大，網(wǎng)絡配置靈活性和生存性高、兼容性高，維護管理功能強等特點，因此傳輸網(wǎng)應以SDH為基礎．有線傳輸網(wǎng)絡采用光纜。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，需要介入具有負色散系數(shù)的光纖進行色散補償。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．無需采取色散補償，從設備成本上考慮，采用G．652光纖的高速率系統(tǒng)遠遠高于G．655光纖系統(tǒng)。

3 設計方案
方案應用于格爾木至蘭州段GSM-R網(wǎng)絡設計，這段鐵路全長1 020 km，地形復雜，沿途經(jīng)山區(qū)、隧道等信號盲區(qū)，對網(wǎng)絡規(guī)劃、部署、運營及維護提出極高要求。基于GSM-R系統(tǒng)的格爾木至蘭州段鐵路無線列調系統(tǒng)可實現(xiàn)列車無線調度、數(shù)據(jù)傳輸、信息服務和應急通信等功能。