陇海铁路宝鸡至天水段无线列调系统改建GSM—R通信系统设计

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摘 要：根据中国铁路部门相关规定要求及西安铁路局规划需求，结合系统现状和运用情况，拟对陇海铁路宝鸡至天水段既有450M模拟无线列调系统进行GSM-R数字移动通信系统改建。通过方案比选，结合铁路实际现场情况，选择了合理的弱场覆盖方案。在满足系统需求的情况下，优化了GSM-R总体组网方案，提高了系统的可靠性，有效的保障了铁路行车安全，也为其它线路无线列调系统改造提供参考。
关键词：陇海铁路；无线；GSM-R；方案研究
中图分类号：F532 文献标识码：A
1 概述
作为铁路通信网络的重要组成部分，铁路无线通信网必须满足铁路运输各项服务需求。目前，我国铁路无线通信系统主要采用GSM-R数字移动通信系统和450M模拟无线列调通信系统。西安铁路局依据中国铁路总公司发布的铁总运[2013]189号《关于既有普速铁路450MHz无线列调改建GSM-R系统方案优化的指导意见》要求，结合管段内既有铁路无线通信系统现状以及各条铁路无线设备使用年限和设备运用状况，决定对设备较为陈旧、设备故障率较高的陇海铁路宝鸡-天水段无线列调系统进行GSM-R系统改造。
1.1 铁路概况
西安铁路局管段陇海铁路宝天段起自陕西宝鸡车站，西至甘肃社棠车站，上下行线全长约266公里，全线为双线电气化铁路，设计时速160公里每小时，为国家I级干线铁路。全线设有车站18座，分别为宝鸡、福临堡、坊塘埔、固川、坪头、颜家河、石家滩、拓石、凤阁岭、建河、元龙、伯阳、社棠、晁峪、东口、马家湾、新拓石、新建河；设有隧道共计163座，长度约116.7公里。
该段铁路为山区铁路，桥梁隧道多，弯道多，桥隧相连，地理环境条件差。
1.2 既有铁路无线通信概况
陇海铁路宝天段既有无线通信系统为450MHz B2制式无线列调通信系统。车站设置有车站电台，区间及隧道内设有中继器及光纤直放站，弱场区段主要采用漏缆和天线进行覆盖。
宝天段上行线设备为1999年开通运用，下行线2003年开通运用。部分设备运行时间已长达16年，设备已超期运用，故障率高，备品备件紧缺，且该系统大三角及无线转接功能不稳定，车站及区间设备不具备监控功能。
2 设计方案
根据相关设计规范标准，根据铁路等级、铁路运行方式等，本次改造方案GSM-R基站子系统按照单层网络结构组网考虑。
2.1 设计原则
2.1.1 结合既有设施，优化方案，在满足设计要求的同时尽可能的节省投资；
2.1.2 既有机房、电源等尽可能利旧，在节省投资的同时提高施工的便利性。
2.1.3 本次改造设计应统筹考虑路局其它铁路无线列调改造的需求。
2.2 需求分析
2.3 系统构成
GSM-R系统由下列七个子系统组成：网络交换子系统（NSS）、基站子系统（BSS）、通用分组无线业务系统（GPRS）、智能网系统（IN）、固定用户接入交换机（FAS）系统、运行与维护子系统（OMC）及终端。
2.3.1 交换子系统（SSS）
包括汇接移动交换中心（TMSC）、网关移动交换中心（GMSC）、移动交换中心（MSC）、访问位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AuC）、组呼寄存器（GCR）、网络互联功能模块（IWF）、短消息中心（SMSC）、确认中心（AC）等设备。本次改造利用西安既有核心网交换系统，并对核心网节点进行扩容、数据加载及调测以满足本线需求。
2.3.2 移动智能网子系统（IN）
包括业务交换点（SSP）、智能外设（IP）、业务控制点（SCP）、业务管理系统（SMS）等设备。本次改造利用西安核心网节点中的SSP设备，只考虑为其加载本线相关数据。
2.3.3 基站子系统（BSS）
包括基站收发信机（BTS）、基站控制器（BSC）以及编译码和速率适配单元（TRAU）和小区广播短消息中心（CBC）等设备。本次新设BSC、TRAU设备。BSC、TRAU与MSC同址设置于西安铁路局GSM-R核心网机房内。根据西安铁路局既有线无线通信改造规划，咸铜（咸阳-铜川）、甘钟等线路无线通信改造时考虑接入本次工程设置的TRAU和BSC设备，故应统筹规划TRAU、BSC等设备容量。
铁路沿线车站设置O3基站，区间根据场强覆盖的需要设置O2基站，每个基站通过有线传输系统提供的2M环通道接入BSC，每3～5个基站组成一个2M环路；对于隧道等弱场区段可针对具体的地形条件采用光纤直放站或分布式基站加漏泄同轴电缆或天线方式解决。
2.3.4 通用分组无线业务子系统（GPRS）
包括网关业务支持节点（GGSN）、业务支持节点（SGSN）、分组控制单元（PCU）、边界网关（BG）、计费网关（CG）、域名服务器（DNS）、认证服务器（RADIUS）等设备。本次改造只新设PCU设备，PCU与BSC同址设置。其它设备利用既有，只考虑数据制作加载及调试。
2.3.5 固定用户接入交换系统（FAS）
FAS包括铁道部FAS、铁路局FAS及站段FAS。目前西安铁路局设有4套局级FAS，分别为高速铁路主用FAS1、备用FAS2，普速铁路FAS3、备用FAS4，遵照原铁道部FAS设置及接入原则，即高速铁路和普速铁路分别设置或接入相应级别FAS，且普速铁路FAS3容量满足本线接入需求，本线调度主系统利用既有FAS3，只需做相关数据加载及调试。各车站新设铁路数字调度通信分系统（站段级FAS），通过Fb接口与局级主FAS3相连接。
2.3.6 运行与维护子系统（OMC）
包括无线网络管理子系统（OMC-R）、交换网络管理子系统（OMC-S）、GPRS网络管理子系统（OMC-D）、直放站管理子系统（OMC-T）、FAS网络管理系统（OMC-F）。本次改造只新设OMC-R设备，其它网管子系统利用既有。OMC-R设于西安无线检修所，OMC-T设于宝鸡通信车间，相关的维修车间、通信车间设置OMC-R、OMC-T复示终端。
2.4 场强覆盖标准
无线网络规划以机车台接收天线处的覆盖电平为标准，系统场强覆盖应满足：接收机天线处输入端射频信号最小可用接收电平Prmin为-98dBm（统计概率95%）。
2.5 系统功能
实现列车调度员-机车司机间、车站值班员-机车司机间各种列车无线调度通信功能；列车车次号及调度命令信息传送；GSM-R系统能满足铁路沿线维护人员的通信需求，用于工务、水电、电务等部门的区间维护作业通信；满足公安、抢修、救援等应急移动通信需求。
2.6 越区切换
为了为了保持移动台在移动中通话的连续性以及网络的服务质量，移动台必须进行切换，工程中应对越区切换进行合理设计。
2.6.1 切换位置选择
切换位置应尽量选在开阔地带，避免选在高话务区、隧道口、弯道以及有阻挡的地带，对于隧道群，在满足覆盖重叠长度的情况下，切换位置可选在两个隧道之间的开阔区域，对于长大隧道，则需要在隧道内切换。切换区域的场强应按照当前小区渐弱，目标小区渐强的趋势进行设计，以保证切换成功率。
2.6.2 覆盖重叠长度
覆盖重叠长度与列车运行速度，切换时间密切相关，为了提高切换成功率，切换时间按照能完成两次越区切换考虑。陇海铁路设计速度160km/h，切换时间按10s考虑，则覆盖重叠长度（160*1000/3600）*10=445m。
2.7 区间弱场覆盖
区间隧道路堑等弱场覆盖采用光纤直放站+漏泄同轴电缆或天线解决，光纤直放站方案主要由BTS、近端机、远端机、光纤、耦合器、天线或漏泄同轴电缆等组成。
光近端机和光远端机均包括射频单元（RF单元）和光单元。无线信号从基站中耦合出下行信号（930MHz-934MHz）后，进入光近端机，通过电光转换，电信号转变为光信号，从光近端机输入至光纤，经过光纤传输到光远端机，光远端机把光信号转为电信号，进入RF单元进行放大，信号经过放大后送入发射天线或者漏泄电缆（LCX）覆盖目标区域。与上行链路的工作原理一样，移动台发射的上行信号（885MHz—889MHz）通过接收天线或者漏泄电缆（LCX）至光远端机，再通过光纤到近端机回到基站。
2.8 链路预算
3 工程规模
本次改建设计方案共利用区间设备机房（含隧道内机房）176处，区间电杆利旧170处，电力设施全部利旧，以最大程度的节省投资。
结语
本次设计方案结合了西安GSM-R核心网、西安铁路局管内其它铁路GSM-R建设改造进度计划以及陇海铁路宝天段沿线设备、房屋、电力等设施现场实际情况，很好的执行了设计原则要求，最大程度节省投资的同时达到了设计标准。
参考文献
[1]中国铁路总公司.铁总运[2013]189号 中国铁路总公司关于既有普速铁路450MHz无线列调系统改建GSM-R系统方案优化的指导意见[Z].北京：中国铁路总公司，2013.
[2]西安铁路局.西铁计函[2012]40号 西安铁路局“十二五”发展规划[Z].西安：西安铁路局，2012.
[3]中华人民共和国铁道部.铁建设[2007]92号 铁路GSM-R数字移动通信系统工程设计暂行规定[S].北京：中国铁道出版社，2007.
[4]中华人民共和国铁道部.TB/T 3324-2013 铁路数字移动通信系统（GSM-R）总体技术要求[S].北京：中国铁道出版社，2013.