高速鐵路長大隧道GSM-R網絡冗余組網方案分析

袁廷瑞，熊 潔，路曉彤，焦曉輝

（1.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031；2.中國國家鐵路集團有限公司工管中心，北京 100844）

1 概述

國內高速鐵路多采用基于GSM-R 網絡的CTCS-3 級列控系統，根據《鐵路數字移動通信系統（GSM-R）設計規范》（TB 10088-2015）第4.2.11 條要求規定，“CTCS-3 級列車運行控制區段、機車同步操控區段應根據需要進行冗余無線覆蓋設計”。目前高速鐵路隧道內冗余覆蓋支持多種方案，根據設備類型可分為數字直放站與分布式基站；根據組網方式可分為交織組網與同站址組網。本文主要針對長大隧道的冗余覆蓋方案進行分析對比。

2 鐵路無線通信設備簡介

目前，國內鐵路無線通信弱場區一般使用數字直放站或分布式基站與漏泄同軸電纜覆蓋。其中數字直放站由近端機（MU）與遠端機（RU）組成，一個MU 可以攜帶多個RU；分布式基站由室內基帶處理單元（BBU）和射頻拉遠單元（RRU）構成，一個BBU 可以攜帶多個RRU。各廠家的數字直放站設備配置和實現方案基本一致，組網方案主要受限于傳輸時延；分布式基站各廠家配置差異較大。

國內GSM-R 分布式基站供應商主要有中興、華為、諾基亞和凱普施。4 個廠家的設備配置如表1 所示。

表1 各廠家分布式基站設備配置情況Tab.1 Equipment configuration of distributed base stations by different manufactuers

中興、華為、諾基亞、凱普施分布式基站的設備配置和組網方案各不相同。凱普施的分布式基站基本上與數字直放站組網方式相同，中興、華為、諾基亞的分布式基站實現方式基本一致，RRU 無法同時接入兩個不同BBU 信源，均需在同一站點設置兩套RRU 分別接入不同BBU。同時各廠家設備配置能力有較大差異，導致各廠家具有不同的隧道覆蓋能力。下面將針對數字直放站與分布式基站隧道內冗余組網方案開展對比分析。

3 長大隧道GSM-R網絡冗余組網方案

3.1 冗余組網基本原則

鐵路冗余組網中采用“交織”“同站址”來區分網絡覆蓋方式，采用“主從”“主備”來區分業務承載情況。

“交織”方式中，兩相鄰站點的場強需相互覆蓋到對方站址，站間距一般為單個站點覆蓋半徑；“同站址”方式中，兩相鄰站點場強不需要覆蓋到對方站址，只需滿足同小區場強連續、異小區重疊覆蓋距離滿足切換要求，因此站間距可大于單個站點覆蓋半徑。

“主從”網絡中，不同基站互為主從信源，正常工作時均承擔業務，任一基站故障時由另一基站承載全部業務；“主備”網絡中，主基站作為主用信源，承載所有業務，備基站只作為備用信源，平時不承載業務，僅在主基站故障時承載業務?！爸鲝摹本W絡比“主備”網絡具有更高的載頻利用率。

3.2 數字直放站

方案1：數字直放站交織主從冗余覆蓋（1.5 km 站間距）

方案1 組網方案如圖1 所示，該方案與模擬直放站基本一致，在隧道口設置基站，在隧道內每站點設置單套數字直放站遠端機（RU）。以RU3 與RU4 中間為切換區，將不同BTS 設置為主/從信源，主/從信源信號電平差距6 ～8 dB。正常情況下，BTS1 和BTS2 共同承載業務。

圖1 數字直放站交織主從冗余覆蓋方案（1.5 km站間距）Fig.1 Interleaved master-slave redundancy coverage scheme of digital repeater (1.5 km station spacing)

相較于模擬直放站，數字直放站可以調節時延，RU 站間距可以增加到1.5 km，而且具備噪聲抑制能力，通信質量得到提升。但由于數字直放站系統時延問題，組網上相對于模擬直放站有兩個不同之處：一是基站處也需要設置遠端機，BTS 射頻無法直接使用；二是近端機連接遠端機的最遠限制距離減少，在交織主從冗余方案下，僅支持16.5 km 左右的隧道冗余覆蓋。在更長隧道進行冗余覆蓋時，一般采用同站址主從冗余（方案2）或同站址主備冗余方案（方案3）。

方案2：數字直放站同站址主從冗余覆蓋（2 km 站間距）

方案2 組網方案如圖2 所示。該方案在隧道口設置基站，隧道內每個站點設置2 套遠端機RU 分別接入不同BTS 信源，以中間切換區將不同BTS 設置為主/從信源。在主遠端機RU 故障情況下，由備RU 提供覆蓋，主/從信源信號電平差距6 ～8 dB。

圖2 數字直放站同站址主從冗余覆蓋方案（2 km站間距）Fig.2 Master-slave redundancy coverage scheme at the same site of digital repeater (2 km station spacing)

數字直放站組網時，小區切換主要靠信號電平強弱來進行，單個RU 設備故障時，會發生2 次小區切換，如圖2 所示。為保證單設備故障后小區重疊覆蓋距離滿足2 次切換需求（按10 s 考慮，長度約為1 km），最長站間距建議控制在2 km 左右。當隧道長度小于16.5 km 時，該方案相對于方案1站間距即無法有效增加，反而會增設更多的遠端機，不具備優勢；當隧道長度大于16.5 km 時，該方案才具備應用價值。

方案3：數字直放站同站址主備冗余覆蓋（2 km 站間距）

方案3 組網方案如圖3 所示。該方案與方案2的組網基本一致，主要區別在于BTS1 為主基站信源，BTS2 為備用基站信源，中間不發生切換，正常工作時網絡業務均由BTS1 承載，故障時才由BTS2 承載業務。同時，由于該方案在單個RU 故障時會發生切換，站間距也無法進一步增加。同方案2 一樣，只有當隧道長度大于16.5 km 時，該方案才具備應用價值。

圖3 數字直放站同站址主備冗余覆蓋方案（2 km站間距）Fig.3 Main and standby redundancy coverage scheme at the same site of digital repeater (2 km station spacing)

3.3 分布式基站

由于凱普施的分布式基站與數字直放站組網方式基本相同，可參考方案1 ～3，不再贅述。下面針對中興、華為、諾基亞的分布式基站分析長大隧道的冗余覆蓋方案。

方案4：分布式基站交織主從冗余覆蓋（1.5 km 站間距）

方案4 組網方案如圖4 所示。在隧道口設置基站BBU，在隧道內每站點均需設置兩套RRU 分別接入不同BBU，以中間切換區將不同BBU 設置為主/從信源，正常情況下BBU1 和BBU2 均需承載業務。與數字直放站不同的是，分布式基站方案每個站點都需要設置兩套RRU。

圖4 分布式基站交織主從冗余覆蓋方案（1.5 km站間距）Fig.4 Interleaved master-slave redundancy coverage scheme of distributed base station (1.5 km station spacing)

圖4 中紅圈RRU2a 故障時，該站點會由RRU2b 發出BBU2 的基站信號，在該站點附近區域的漏纜中BBU2 的信號明顯強于BBU1 信號，將導致發生小區切換。同時，為避免連續發生2 次小區切換導致傳輸無差錯時間小于20 s，需分布式基站具備小區切換的優化能力（當切換到備用網絡后駐留時間大于20 s，期間不進行切換）。

方案5：分布式基站同站址主從冗余覆蓋（2 km 站間距）

方案5 組網方案如圖5 所示。該方案組網與方案4 一致，只是將站間距增加為2 km（建議最長站間距控制在2 km 左右，原因同方案2）。這樣當某站點單個RRU 故障時發生2 次小區切換后，傳輸無差錯時間也不會小于20 s，但由于站間距為2 km，相臨站點無法做到覆蓋到根部的交織覆蓋，當同站址的兩套RRU 同時故障時，該站點區域會存在弱場。

圖5 分布式基站同站址主從冗余覆蓋方案（2 km站間距）Fig.5 Master-slave redundancy coverage scheme at the same site of distributed base station (2 km station spacing)

方案6：分布式基站同站址主備冗余覆蓋（2 km 站間距）

方案6 組網方案如圖6 所示。該方案與方案5的組網基本一致，主要區別在于BBU1 為主基站信源，BBU2 為備用基站信源，中間不發生切換，正常工作時網絡業務均由BBU1 承載，故障時才由BBU2 承載業務。同時，由于該方案在單個RRU 故障時會發生切換，同小區站間距無法進一步增加。

圖6 分布式基站同站址主備冗余覆蓋方案（2 km站間距）Fig.6 Main and standby redundancy coverage scheme at the same site of distributed base station (2 km station spacing)

4 方案對比分析

以上方案簡要對比如表2 所示。

表2 長大隧道冗余覆蓋組網方案對比Tab.2 Comparison of redundant coverage networking schemes for long tunnels

通過以上分析，在長大隧道進行冗余組網覆蓋時，分布式基站和數字直放站適合采用的冗余方案不同?？紤]只在隧道口設置基站的情況下，數字直放站在隧道長度小于16.5 km 時，適合采用1.5 km站間距的交織主從冗余方案（方案1）；當隧道長度大于16.5 km 時，可采用2 km 站間距的同站址主從冗余（方案2）或主備冗余方案（方案3）。分布式基站交織主從冗余（方案4）存在所需設備數量過多、廠家支持程度不同等問題；更適合采用2 km 站間距的同站址主從冗余（方案5）或主備冗余方案（方案6），主從冗余的載頻利用率較高。

5 結束語

本文針對GSM-R 網絡在長大隧道內的冗余覆蓋情況，結合各廠家設備支持情況與傳輸無差錯時間要求，對比分析了數字直放站與分布式基站的多種組網方案，給出了各種方案的適用范圍建議。

分布式基站與數字直放站都可以滿足高速鐵路無線網絡冗余覆蓋需求，但實現方式差異較大。兩種方案各有優劣：數字直放站建設成本低，但對組網時延要求更高，同時增加了運維工作量和網絡故障環節；分布式基站方案更易維護，且對時延約束不敏感，但成本較高。關于各方案支持的最大隧道長度，數字直放站主要受限于時延約束；分布式基站主要受限于BBU 光口數量或光纜距離，如果能進一步優化相關性能，將會有更多運用場景。