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[摘 要]铁路GSM-R无线网络是铁路运输生产指挥的重要通信手段之一，也是近年来铁路通信的关键技术。为了有效控制铁路GSM-R无线网络工程建设质量，必须做好GSM-R无线网络规划及勘察设计工作。
[关键词]GSM-R 网络规划 无线覆盖 频率规划
中图分类号：U291 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）33-0282-01
1 GSM-R无线网络规划总体原则
GSM-R無线网络规划目标是为铁路作业区提供连续覆盖。GSM-R无线网络规划设计的主要任务是对网络覆盖水平、容量和服务质量进行预测，实现覆盖、容量和服务质量的平衡，主要包括覆盖规划、容量规划和频率规划等内容，为网络实施提供充足的理论依据，有效保证GSM-R网络的设计质量。
1.1 系统设计要求
（1）GSM-R系统在铁路沿线设置基站（BTS），基站通过传输设备提供的2Mbit/s环路与基站控制器（BSC）相连，通过BSC设备连接至编译码和速率适配器（TRAU）及核心网移动交换中心（MSC）。（2）在铁路沿线设置基站（BTS），保证线路上无线信号连续覆盖，满足机车台使用要求。在特殊地区可采用直放站来实现基站信号的延伸。（3）采用直放站代替基站，可降低设备投资，但直放站输出功率低、间距密，可能造成建设总投资的增加（尤其是机房、电力等方面的建设费用）。（4）一般3～5个基站通过1个2Mbit/s电路环进行连接，保证某一处光缆中断时基站业务不中断。（5）1套BSC负责管理多个BTS，设计时需仔细考虑BTS应连接至哪个BSC，并使跨BSC的切换在非关键区域进行。
1.2 网络规划设计思路
（1）根据机车运行交路和调度区的划分，确定需要进行GSM-R无线覆盖的区域，包括铁路正线、联络线、车站站台及站厅、各段所、调度所等地点。（2）根据GSM-R系统所需要提供业务的不同，确定无线覆盖方式，选择是采用单网或是冗余覆盖，如传送列控信息的网络，先明确采用冗余网络覆盖方案并需确定冗余网络的覆盖区域。（3）根据线路所处的区域考虑接入到哪个核心网节点，考虑如何设置BSC或接入到既有的哪个BSC。BSC的设置基本原则：铁路枢纽地区BSC与MSC同址设置，铁路干线和设有MSC的枢纽，BSC宜设置在较大的通信站。为减少BSC之间的切换，各BSC所控制的区域应相对集中。（4）根据选择的无线网络结构和相应的无线覆盖场强指标及小区切换指标等设计参数要求，进行无线小区规划。根据理论计算、软件仿真，合理地在所需要覆盖的区域设置基站及直放站，合理地设置天线杆塔的高度。（5）根据业务要求，对各个小区的容量进行预测，确定所采用的载频数量。（6）对各个小区的无线参数如频点、天线方位角、天线挂高等进行规划。
2 无线覆盖分析
2.1 覆盖方式
GSM-R系统根据其所提供业务的可靠性要求不同，无线覆盖可分别采用普通单网、单网交织、共站址双网等覆盖方式。一般来说，承载列控信息的GSM-R系统，对信息传送的可靠性要求较高，采用单网交织或共站址双网覆盖方式，其他用于传统无线列调通信的GSM-R系统采用普通单网覆盖方式。
2.2 覆盖预测
2.2.1 Okumura-Hata模型。GSM-R系统目前在铁路沿线应用时基本上按照5～10km的间距来设置基站，每个小区的覆盖范围按照2～5km来设计，属于宏小区；在个别枢纽地区和站厅为提高话务量和解决弱场的覆盖会用到微小区的建设方式。针对铁路GSM-R系统应用中的主要小区模式，场强预测计算中主要采用Okumura-Hata模型来进行场强预测。
Okumura-Hata模型的适用范围如下。
频率：150～1500MHz；基站高度：30～200m；
移动台高度：1～10m；覆盖距离：1～20km。
Okumura-Hata模型的市区路径损耗中值为：
=69.55+26.16lgf-13.92lg-a（）+[44.9-6.55lg（）]lg（d）-S（a）
式中，f —工作频率（按930MHz计算）；
—基站天线高度，m；
—机车台高度，m；
a（）—移动台天线高度校正因子，按中小城市取值为6.43；
d —传播距离（km）；
S（a） —建筑物密度修正因子，a为建筑物密度，在市区、郊区，S（a）取值为0.6dB，在农村，S（a）取值为-4.95dB。
2.2.2 上下行链路平衡
（1）上行链路预算
上行链路预算基站接收功率公式为：
式中，应满足：；
—基站接收电平，dBm；
—基站接收灵敏度，dBm；
—移动台接收电平，dBm；
—移动台接收灵敏度，dBm；
—移动台发射功率，dBm；
—移动台馈线及接头损耗，dB；
—移动台天线增益，dB；
—路径损耗，dB；
—基站天线增益，dB；
—塔顶功分器损耗，dB；
—基站馈线及接头损耗，dB；
—基站分集接收增益，dB；
—人体、车体引起的附加损耗，dB；
—阴影衰落，dB；
—设计余量，dB。
（2）下行链路预算
下行链路预算移动台接收功率公式为：
式中，—基站发射功率，dBm；
—合分路单元损耗，dB。
其他参数同上行链路预算参数。 2.2.3 重叠覆盖区计算
对于铁路GSM-R系统，当列车从一个小区行驶到另一个小区时，为了保证通话的连续性，需要在两个小区之间进行切换。相邻小区的覆盖重叠需要有足够的长度，這样才能保证小区之间的安全越区切换。
3 系统频率规划
GSM-R系统采用900MHz频段，上行为885～889MHz（移动台发，基站收），下行为930～934MHz（基站发，移动台收），相邻频道间隔为200kHz。按等间隔频道配置的方法，共有21个载频。频道序号从999～1019，扣除低端999和高端1019作为隔离保护，实际可用频道为19个，频道序号为1000～1018。
4 需要进一步探讨的问题
4.1 基站之间的频率干扰
（1）同频干扰。由于GSM-R系统采用频率复用的技术以提高频谱效率和系统容量，同频干扰问题无法完全避免。当同频干扰的载干比小于某个特定值时，通话就会受到影响甚至无法建立呼叫。由于有用信号和干扰信号无法从频率上分开，采用频域滤波器无法滤除干扰信号。因此只能从频率分配和网络覆盖方面着手，即通过加大同频干扰的载干比、采用定向天线减少同频干扰小区、调整天线高度和角度等方法，最大限度地减小同频干扰对系统造成的影响。
（2）邻频干扰。如果邻近小区中存在与本小区工作信道相邻的信道，或基站小区覆盖范围比设计预测的范围大，邻道干扰均会产生。当邻频干扰的载干比小于某个特定值时，通话同样会受到影响甚至无法建立呼叫。邻频干扰的克服，可以通过增大邻频基站的间距、调整天线参数等方法来提高邻频干扰载干比。
（3）交调干扰。典型的交调干扰是三阶互调干扰，如果A、B、C三个频率之间的关系为：
A+B=2C
则三个频率之间就会产生三阶互调干扰。因此，应该通过合理的频率分配以及器件设计来避免三阶互调干扰。
4.2 工程建设后期的网络优化
工程建设完成后，应对GSM-R无线网络进行数据采集、数据分析，找出影响网络服务质量的原因，并通过对系统参数的调整以及对系统设备配置的调整等技术手段，进行网络优化。
参考文献
[1] 《铁路数字移动通信系统（GSM-R）设计规范》TB 10088-2015.
[2] 中国铁路总公司关于做好特殊区域GSM-R无线网规划工作的意见（铁总运【2014】252号）.
[关键词]GSM-R 网络规划 无线覆盖 频率规划
中图分类号：U291 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）33-0282-01
1 GSM-R无线网络规划总体原则
GSM-R無线网络规划目标是为铁路作业区提供连续覆盖。GSM-R无线网络规划设计的主要任务是对网络覆盖水平、容量和服务质量进行预测，实现覆盖、容量和服务质量的平衡，主要包括覆盖规划、容量规划和频率规划等内容，为网络实施提供充足的理论依据，有效保证GSM-R网络的设计质量。
1.1 系统设计要求
（1）GSM-R系统在铁路沿线设置基站（BTS），基站通过传输设备提供的2Mbit/s环路与基站控制器（BSC）相连，通过BSC设备连接至编译码和速率适配器（TRAU）及核心网移动交换中心（MSC）。（2）在铁路沿线设置基站（BTS），保证线路上无线信号连续覆盖，满足机车台使用要求。在特殊地区可采用直放站来实现基站信号的延伸。（3）采用直放站代替基站，可降低设备投资，但直放站输出功率低、间距密，可能造成建设总投资的增加（尤其是机房、电力等方面的建设费用）。（4）一般3～5个基站通过1个2Mbit/s电路环进行连接，保证某一处光缆中断时基站业务不中断。（5）1套BSC负责管理多个BTS，设计时需仔细考虑BTS应连接至哪个BSC，并使跨BSC的切换在非关键区域进行。
1.2 网络规划设计思路
（1）根据机车运行交路和调度区的划分，确定需要进行GSM-R无线覆盖的区域，包括铁路正线、联络线、车站站台及站厅、各段所、调度所等地点。（2）根据GSM-R系统所需要提供业务的不同，确定无线覆盖方式，选择是采用单网或是冗余覆盖，如传送列控信息的网络，先明确采用冗余网络覆盖方案并需确定冗余网络的覆盖区域。（3）根据线路所处的区域考虑接入到哪个核心网节点，考虑如何设置BSC或接入到既有的哪个BSC。BSC的设置基本原则：铁路枢纽地区BSC与MSC同址设置，铁路干线和设有MSC的枢纽，BSC宜设置在较大的通信站。为减少BSC之间的切换，各BSC所控制的区域应相对集中。（4）根据选择的无线网络结构和相应的无线覆盖场强指标及小区切换指标等设计参数要求，进行无线小区规划。根据理论计算、软件仿真，合理地在所需要覆盖的区域设置基站及直放站，合理地设置天线杆塔的高度。（5）根据业务要求，对各个小区的容量进行预测，确定所采用的载频数量。（6）对各个小区的无线参数如频点、天线方位角、天线挂高等进行规划。
2 无线覆盖分析
2.1 覆盖方式
GSM-R系统根据其所提供业务的可靠性要求不同，无线覆盖可分别采用普通单网、单网交织、共站址双网等覆盖方式。一般来说，承载列控信息的GSM-R系统，对信息传送的可靠性要求较高，采用单网交织或共站址双网覆盖方式，其他用于传统无线列调通信的GSM-R系统采用普通单网覆盖方式。
2.2 覆盖预测
2.2.1 Okumura-Hata模型。GSM-R系统目前在铁路沿线应用时基本上按照5～10km的间距来设置基站，每个小区的覆盖范围按照2～5km来设计，属于宏小区；在个别枢纽地区和站厅为提高话务量和解决弱场的覆盖会用到微小区的建设方式。针对铁路GSM-R系统应用中的主要小区模式，场强预测计算中主要采用Okumura-Hata模型来进行场强预测。
Okumura-Hata模型的适用范围如下。
频率：150～1500MHz；基站高度：30～200m；
移动台高度：1～10m；覆盖距离：1～20km。
Okumura-Hata模型的市区路径损耗中值为：
=69.55+26.16lgf-13.92lg-a（）+[44.9-6.55lg（）]lg（d）-S（a）
式中，f —工作频率（按930MHz计算）；
—基站天线高度，m；
—机车台高度，m；
a（）—移动台天线高度校正因子，按中小城市取值为6.43；
d —传播距离（km）；
S（a） —建筑物密度修正因子，a为建筑物密度，在市区、郊区，S（a）取值为0.6dB，在农村，S（a）取值为-4.95dB。
2.2.2 上下行链路平衡
（1）上行链路预算
上行链路预算基站接收功率公式为：
式中，应满足：；
—基站接收电平，dBm；
—基站接收灵敏度，dBm；
—移动台接收电平，dBm；
—移动台接收灵敏度，dBm；
—移动台发射功率，dBm；
—移动台馈线及接头损耗，dB；
—移动台天线增益，dB；
—路径损耗，dB；
—基站天线增益，dB；
—塔顶功分器损耗，dB；
—基站馈线及接头损耗，dB；
—基站分集接收增益，dB；
—人体、车体引起的附加损耗，dB；
—阴影衰落，dB；
—设计余量，dB。
（2）下行链路预算
下行链路预算移动台接收功率公式为：
式中，—基站发射功率，dBm；
—合分路单元损耗，dB。
其他参数同上行链路预算参数。 2.2.3 重叠覆盖区计算
对于铁路GSM-R系统，当列车从一个小区行驶到另一个小区时，为了保证通话的连续性，需要在两个小区之间进行切换。相邻小区的覆盖重叠需要有足够的长度，這样才能保证小区之间的安全越区切换。
3 系统频率规划
GSM-R系统采用900MHz频段，上行为885～889MHz（移动台发，基站收），下行为930～934MHz（基站发，移动台收），相邻频道间隔为200kHz。按等间隔频道配置的方法，共有21个载频。频道序号从999～1019，扣除低端999和高端1019作为隔离保护，实际可用频道为19个，频道序号为1000～1018。
4 需要进一步探讨的问题
4.1 基站之间的频率干扰
（1）同频干扰。由于GSM-R系统采用频率复用的技术以提高频谱效率和系统容量，同频干扰问题无法完全避免。当同频干扰的载干比小于某个特定值时，通话就会受到影响甚至无法建立呼叫。由于有用信号和干扰信号无法从频率上分开，采用频域滤波器无法滤除干扰信号。因此只能从频率分配和网络覆盖方面着手，即通过加大同频干扰的载干比、采用定向天线减少同频干扰小区、调整天线高度和角度等方法，最大限度地减小同频干扰对系统造成的影响。
（2）邻频干扰。如果邻近小区中存在与本小区工作信道相邻的信道，或基站小区覆盖范围比设计预测的范围大，邻道干扰均会产生。当邻频干扰的载干比小于某个特定值时，通话同样会受到影响甚至无法建立呼叫。邻频干扰的克服，可以通过增大邻频基站的间距、调整天线参数等方法来提高邻频干扰载干比。
（3）交调干扰。典型的交调干扰是三阶互调干扰，如果A、B、C三个频率之间的关系为：
A+B=2C
则三个频率之间就会产生三阶互调干扰。因此，应该通过合理的频率分配以及器件设计来避免三阶互调干扰。
4.2 工程建设后期的网络优化
工程建设完成后，应对GSM-R无线网络进行数据采集、数据分析，找出影响网络服务质量的原因，并通过对系统参数的调整以及对系统设备配置的调整等技术手段，进行网络优化。
参考文献
[1] 《铁路数字移动通信系统（GSM-R）设计规范》TB 10088-2015.
[2] 中国铁路总公司关于做好特殊区域GSM-R无线网规划工作的意见（铁总运【2014】252号）.