1、PAGE 畢業(yè)論文題 目: GSM-R 無線通信系統(tǒng)在高速鐵路中的應(yīng)用 系 別: 信息科學(xué)與技術(shù) 專 業(yè): 自動(dòng)化 姓 名: 梁 勇 西南交通大學(xué)成人教育學(xué)院 西南交通大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第PAGE 24頁院 系 成 教 院 專 業(yè) 自動(dòng)化 年 級(jí) 2009 級(jí) 姓 名 梁 勇 題 目 指導(dǎo)教師評(píng) 語 指導(dǎo)教師 (簽章)評(píng) 閱 人評(píng) 語 評(píng) 閱 人 (簽章)成 績 答辯委員會(huì)主任 (簽章) 年 月 日 誠信承諾本設(shè)計(jì)是本人獨(dú)立完成；本設(shè)計(jì)沒有任何抄襲行為；三、若有不實(shí)，一經(jīng)查出，請(qǐng)答辯委員會(huì)取消本人答辯（評(píng)閱）資格。承諾人（鋼筆填寫）：年月日摘 要高速鐵路的蓬勃發(fā)展給GSM-R帶

2、來了新的機(jī)遇，但同時(shí)高速鐵路的高可靠性要求對(duì)作為列控信息承載平臺(tái)的GSM-R無線通信系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。無線接入部分是GSM-R系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，因此無線部分的可靠性將決定整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，列車的高速運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致頻繁的越區(qū)切換，嚴(yán)重影響列控通信業(yè)務(wù)的安全，需要對(duì)GSM-R系統(tǒng)進(jìn)行合理的無線規(guī)劃，以保證通信的持續(xù)性和可靠性。本文針對(duì)高速鐵路的情況，分析對(duì)比了不同無線冗余覆蓋方式的優(yōu)劣。從滿足列控需求的角度，對(duì)小區(qū)覆蓋和基站間距進(jìn)行了規(guī)劃，并對(duì)列車速度與重疊區(qū)的關(guān)系進(jìn)行了深入分析。針對(duì)在高速鐵路中廣泛應(yīng)用的三種無線冗余覆蓋方案進(jìn)行了深入分析，就不同方式的系統(tǒng)可靠性、容災(zāi)性、頻率利用效率、抗干擾

3、能力和對(duì)越區(qū)切換的影響進(jìn)行了對(duì)比，為工程設(shè)計(jì)中無線冗余方案的選擇提供了理論依據(jù)。本次設(shè)計(jì)共分為四章，第一章是緒論，第二章介紹高速對(duì)GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)的要求和影響，第三章主要介紹高速環(huán)境下的無線冗余覆蓋，第四章介紹高速環(huán)境下的小區(qū)規(guī)劃。關(guān)鍵詞：無線通信； 高速鐵路； 冗余覆蓋目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc280353992摘 要 PAGEREF _Toc280353992 h II HYPERLINK l _Toc280353993第1章 緒 論 PAGEREF _Toc280353993 h 1 HYPERLINK l _Toc2803539941.1

4、 國外高速鐵路的發(fā)展 PAGEREF _Toc280353994 h 1 HYPERLINK l _Toc2803539951.2 國內(nèi)高速鐵路的發(fā)展 PAGEREF _Toc280353995 h 1 HYPERLINK l _Toc2803539961.3 GSM-R在高速鐵路中的應(yīng)用 PAGEREF _Toc280353996 h 2 HYPERLINK l _Toc280353997第2章 高速對(duì)GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)的要求和影響 PAGEREF _Toc280353997 h 3 HYPERLINK l _Toc2803539982.1 高速對(duì)GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)的影響 PAGEREF _

5、Toc280353998 h 3 HYPERLINK l _Toc2803539992.1.1 對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的影響 PAGEREF _Toc280353999 h 3 HYPERLINK l _Toc2803540002.1.2 對(duì)小區(qū)重選和越區(qū)切換的影響 PAGEREF _Toc280354000 h 3 HYPERLINK l _Toc2803540012.1.3 對(duì)誤碼率的影響 PAGEREF _Toc280354001 h 4 HYPERLINK l _Toc2803540022.1.4 對(duì)GSM-R網(wǎng)絡(luò)同步性能的影響 PAGEREF _Toc280354002 h 5 HYPERL

6、INK l _Toc2803540032.2 高速列控對(duì)GSM-R系統(tǒng)的要求 PAGEREF _Toc280354003 h 5 HYPERLINK l _Toc280354004第3章 高速環(huán)境下的無線冗余覆蓋 PAGEREF _Toc280354004 h 7 HYPERLINK l _Toc2803540053.1 無線子系統(tǒng)冗余覆蓋方案 PAGEREF _Toc280354005 h 7 HYPERLINK l _Toc2803540063.2 不同冗余方案的頻率分配 PAGEREF _Toc280354006 h 7 HYPERLINK l _Toc2803540073.2.1 規(guī)劃

7、原則 PAGEREF _Toc280354007 h 7 HYPERLINK l _Toc2803540083.2.2 同頻復(fù)用距離 PAGEREF _Toc280354008 h 8 HYPERLINK l _Toc2803540093.2.3 不同方案的頻率分配 PAGEREF _Toc280354009 h 9 HYPERLINK l _Toc2803540103.3不同冗余方案的對(duì)比 PAGEREF _Toc280354010 h 10 HYPERLINK l _Toc2803540113.3.1 無線子系統(tǒng)可靠性 PAGEREF _Toc280354011 h 10 HYPERLIN

8、K l _Toc2803540123.3.2 系統(tǒng)容災(zāi)能力 PAGEREF _Toc280354012 h 12 HYPERLINK l _Toc2803540133.3.3 頻率復(fù)用度 PAGEREF _Toc280354013 h 12 HYPERLINK l _Toc2803540143.3.4 抗干擾能力 PAGEREF _Toc280354014 h 13 HYPERLINK l _Toc2803540153.3.5 對(duì)越區(qū)切換的影響 PAGEREF _Toc280354015 h 13 HYPERLINK l _Toc2803540163.3.6 工程造價(jià) PAGEREF _Toc

9、280354016 h 13 HYPERLINK l _Toc280354017第4章 高速環(huán)境下的小區(qū)規(guī)劃 PAGEREF _Toc280354017 h 14 HYPERLINK l _Toc2803540184.1 小區(qū)類型 PAGEREF _Toc280354018 h 14 HYPERLINK l _Toc2803540194.1.1 宏小區(qū) PAGEREF _Toc280354019 h 14 HYPERLINK l _Toc2803540204.1.2 小區(qū) PAGEREF _Toc280354020 h 15 HYPERLINK l _Toc2803540214.1.3 微小區(qū)

10、 PAGEREF _Toc280354021 h 15 HYPERLINK l _Toc2803540224.2 路徑損耗 PAGEREF _Toc280354022 h 15 HYPERLINK l _Toc2803540234.2.1 常用傳播模型 PAGEREF _Toc280354023 h 15 HYPERLINK l _Toc2803540244.2.2 路徑損耗建模 PAGEREF _Toc280354024 h 16 HYPERLINK l _Toc2803540254.2.3 路徑損耗計(jì)算 PAGEREF _Toc280354025 h 17 HYPERLINK l _Toc

11、2803540264.3 小區(qū)覆蓋規(guī)劃 PAGEREF _Toc280354026 h 18 HYPERLINK l _Toc2803540274.4 重疊區(qū)規(guī)劃 PAGEREF _Toc280354027 h 18 HYPERLINK l _Toc2803540284.4.1 重疊區(qū)定義 PAGEREF _Toc280354028 h 18 HYPERLINK l _Toc2803540294.4.2 決定重疊區(qū)長度的因素 PAGEREF _Toc280354029 h 19 HYPERLINK l _Toc2803540304.4.3 依據(jù)載干比計(jì)算重疊區(qū)長度 PAGEREF _Toc28

12、0354030 h 20 HYPERLINK l _Toc2803540314.5 基站間距規(guī)劃 PAGEREF _Toc280354031 h 20 HYPERLINK l _Toc2803540324.5.1 列控QoS指標(biāo)對(duì)最小基站間距的限定 PAGEREF _Toc280354032 h 20 HYPERLINK l _Toc2803540334.5.2 不同環(huán)境下的基站間距 PAGEREF _Toc280354033 h 21 HYPERLINK l _Toc280354034結(jié) 論 PAGEREF _Toc280354034 h 22 HYPERLINK l _Toc2803540

13、35致 謝 PAGEREF _Toc280354035 h 23 HYPERLINK l _Toc280354036參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc280354036 h 24第1章 緒 論根據(jù)國際鐵路聯(lián)盟(UIC)的定義，凡是新建線路運(yùn)營速度超過250km/h或者既有改造線路運(yùn)營速度超過200km/h的均可稱為高速鐵路。1.1 國外高速鐵路的發(fā)展國外高速鐵路發(fā)展較早，主要以日本、法國和德國為代表，下面分別予以介紹。1964年，世界第一條高速鐵路在日本東京至大販建成通車，全長515.4公里，投入運(yùn)營后，列車運(yùn)行速度達(dá)210km/h。這條專門用于客運(yùn)的電氣化、標(biāo)準(zhǔn)軌距的雙線鐵路，代表了當(dāng)時(shí)世界

14、第一流的鐵路高速技術(shù)水平，并標(biāo)志著世界高速鐵路試驗(yàn)階段跨入了商業(yè)運(yùn)營階段。法國于1981年建成TGV巴黎東南線(巴黎至里昂，全長417公里)，其列車最高運(yùn)行時(shí)速達(dá)270公里。法國東南線的成功運(yùn)營，證明高速鐵路也完全適合歐洲環(huán)境，高速列車是一種具有競爭力的現(xiàn)代交通工具。在2007年四月，TGV創(chuàng)造了當(dāng)前輪軌列車所能達(dá)到的最高時(shí)速：574.8km/h。目前法國高速鐵路總里程達(dá)到1700公里。德國高速鐵路稱為ICE(Inter City Express)，其發(fā)展晚于法國TGV，起始于80年代，但是發(fā)展很快。1991年6月漢諾威至維爾茨堡線(長327公里)正式通車，成為德國第一條正式運(yùn)營的高速鐵路。此

15、后于1992年6月建成了曼海姆至斯圖加特線(長105公里)。1999年，德國的第三代ICE線路的實(shí)際運(yùn)營速度己經(jīng)可以達(dá)到330km/h。目前，法國已有科隆至法蘭克福，漢諾威至柏林和卡爾斯魯厄至巴塞爾等多條高速線路，總里程達(dá)1290公里。1.2 國內(nèi)高速鐵路的發(fā)展與國外相比，我國高速鐵路起步較晚，但是近年發(fā)展迅速。我國于2004年三月在上海引進(jìn)了磁懸浮列車，其最高時(shí)速達(dá)430 km/h；2007年四月開始了常規(guī)高速鐵路運(yùn)營，2008年正式開通的京津城際時(shí)速可達(dá)350km/h，是目前世界上運(yùn)營速度最快的城際高速鐵路。2005年年初國務(wù)院常務(wù)會(huì)議討論并原則通過了中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃，明確了我國鐵路網(wǎng)中長

16、期建設(shè)目標(biāo)和任務(wù)，描繪了鐵路網(wǎng)至2020年的宏偉藍(lán)圖，這標(biāo)志著我國鐵路新一輪大規(guī)模建設(shè)即將展開。根據(jù)規(guī)劃，我國將修建全長達(dá)到12000公里的高速鐵路網(wǎng)絡(luò)，時(shí)速超過200km/h，成為世界上最大的高速鐵路網(wǎng)絡(luò)。1.3 GSM-R在高速鐵路中的應(yīng)用GSM-R是鐵路行業(yè)的國際無線通信標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也是ERTMS(歐洲鐵路運(yùn)輸管理系統(tǒng))的一部分，主要用于列車與地面控制中心的通信。根據(jù)EIRENE- MORANE規(guī)范，GSM-R可滿足列車在最高500km/h時(shí)速下的列控?zé)o線通信需求。伴隨著高速鐵路在世界范圍內(nèi)的蓬勃發(fā)展，GSM-R也必然在高速鐵路環(huán)境中獲得廣泛應(yīng)用。GSM-R基于GSM，充分利用GSM技術(shù)的

17、規(guī)模效應(yīng)和成熟性，來實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效且具有高度互操作性的數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，從而取代現(xiàn)有的各種互不兼容的軌道電纜和模擬通信系統(tǒng)。作為一個(gè)具有高度獨(dú)立性和互操作性的通信平臺(tái)，GSM-R可將控制命令直接傳輸給列車駕駛員，從而允許列車以更高的速度行駛并具有更高的安全性。GSM-R是一個(gè)可靠的語音和數(shù)據(jù)通信平臺(tái)，可以為鐵路運(yùn)營工作人員，司機(jī)，調(diào)度員和維護(hù)人員等提供通信服務(wù)。此外，它還可以提供像VGCS，VBS，基于位置尋址的呼叫以及增強(qiáng)多優(yōu)先級(jí)強(qiáng)拆等業(yè)務(wù)，可以充分滿足鐵路環(huán)境復(fù)雜多樣的通信需求。由于GSM-R可實(shí)現(xiàn)跨國界的高速和一般列車之間的通信，能將現(xiàn)有的鐵路通信應(yīng)用融合到單一網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中，以減少集成和運(yùn)行

18、費(fèi)用，而且GSM-R是由已標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備改進(jìn)而成，GSM平臺(tái)上已經(jīng)提供了大量的業(yè)務(wù)，因而引入鐵路專用的功能時(shí)，只需最低限度地改動(dòng)，就能保證價(jià)格低廉、性能可靠地實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行?，F(xiàn)在已經(jīng)有38個(gè)國家和地區(qū)選擇采用GSM-R標(biāo)準(zhǔn)，已廣泛用于德國、瑞士、瑞典、意大利、西班牙、英國、比利時(shí)、荷蘭和芬蘭等國以及亞洲和非洲等地區(qū)?？梢?，GSM-R受到了世界各國高速鐵路行業(yè)的青睞。我國從2005年起高速鐵路客運(yùn)專線GSM-R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)入實(shí)施階段。作為奧運(yùn)重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目的京津城際鐵路已于2008年開通，采用的是GSM-R系統(tǒng)。正在建設(shè)的武廣、鄭西和京滬等長達(dá)7000km的高速線路都已決定采用GSM-R系統(tǒng)，GSM-R在

19、中國高速鐵路有巨大的發(fā)展空間。第2章 高速對(duì)GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)的要求和影響高速對(duì)無線通信系統(tǒng)提出了更高的要求，如何確保高速環(huán)境下無線通信的可持續(xù)性和可靠性是移動(dòng)運(yùn)營商和移動(dòng)設(shè)備商需要共同面對(duì)的難題。在高速鐵路的環(huán)境下，由于列車的高速行駛和環(huán)境變化，使得高速下的無線通信面臨著更大的挑戰(zhàn)。2.1 高速對(duì)GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)的影響2.1.1 對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的影響高速鐵路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃主要涉及到小區(qū)切換帶、切換關(guān)系、重疊區(qū)規(guī)劃、容量估算、冗余設(shè)計(jì)、隧道覆蓋和位置區(qū)規(guī)劃等?？偟膩碚f，高鐵無線規(guī)劃最終要達(dá)到比公用GSM更好的覆蓋和信號(hào)接收概率。對(duì)于越區(qū)切換的規(guī)劃要尤其注意。為了減少在小區(qū)邊界的切換次數(shù)，可以使用兩

20、根180度覆蓋天線對(duì)一個(gè)小區(qū)進(jìn)行覆蓋，相比全向天線來說，這樣將使得切換次數(shù)減少一半左右，并且能夠擴(kuò)大覆蓋范圍。由于列車的高速運(yùn)動(dòng)，對(duì)于切換帶和重疊區(qū)的設(shè)計(jì)要尤其仔細(xì)，重疊區(qū)域的設(shè)置會(huì)對(duì)越區(qū)切換的影響很大。如果重疊區(qū)太小，可能會(huì)出現(xiàn)弱場，導(dǎo)致切換中接收不到信息而通信中斷；如果重疊區(qū)太大，同頻干擾增大，切換時(shí)間會(huì)很長，不易控制，因此要想解決好鐵路沿線的切換問題，需要合理設(shè)計(jì)重疊區(qū)域的大小。同時(shí)無線基站的選址也要與地面應(yīng)答器等信號(hào)設(shè)備以及無線閉塞中心等設(shè)備協(xié)調(diào)考慮，比如不能讓切換發(fā)生在RBC交接處等，這就更增加了無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的難度。對(duì)于大型車站及普通車站，其頻率規(guī)劃及天線架設(shè)等也與軌道環(huán)境有很大的不

21、同，也要合理設(shè)置，避免列車在車站環(huán)境產(chǎn)生信道擁塞或者頻繁切換。綜上可見，滿足列控通信的高速線路無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與普速線路和公用網(wǎng)絡(luò)有很大的不同，如何建設(shè)高可靠的無線網(wǎng)絡(luò)將成為高速線路GSM-R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中至關(guān)重要的一環(huán)。2.1.2 對(duì)小區(qū)重選和越區(qū)切換的影響移動(dòng)通信系統(tǒng)需要一定的時(shí)間對(duì)無線信道資源進(jìn)行測(cè)量、平均、判決、執(zhí)行等，隨著用戶移動(dòng)速度的加快，一項(xiàng)流程從發(fā)起到完成(如切換、呼叫等)，無線環(huán)境往往已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，這將給網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的正常進(jìn)行帶來一些新的問題。在空閑模式下，MS會(huì)連續(xù)監(jiān)測(cè)BA(BCCH分配)列表中所有載頻的電平情況，對(duì)電平進(jìn)行平均處理的時(shí)間是：Max5，(5N+6)/7)XBS一

22、PA一MFRMS/4。其中，N是BA表中載頻的數(shù)量。按網(wǎng)絡(luò)的通常設(shè)置，BA表中的載頻就是鄰區(qū)的BCCH頻點(diǎn)，在GSM-R網(wǎng)絡(luò)中由于鄰小區(qū)較少，因此N的最大值取6。 BSPAMFRMS表示小區(qū)中的尋呼信道被分配成的尋呼子信道數(shù)，包含于信息單元“控制信道描述”中，在每個(gè)小區(qū)廣播的系統(tǒng)消息中傳送，取值范圍為29，該值的大小取決于尋呼負(fù)載，本處取4(GSM-R網(wǎng)絡(luò)中話務(wù)量較少)。可計(jì)算得出最大的平均處理時(shí)延為5s。專用模式下，MS每隔480ms向BTS上報(bào)一次6個(gè)最佳鄰小區(qū)，至少每隔105解調(diào)1次小區(qū)列表中的BSIC(基站識(shí)別碼)，如果是新出現(xiàn)在小區(qū)列表中的小區(qū)，則需在55內(nèi)解調(diào)BSIC。對(duì)于無法解調(diào)

23、BSIC的小區(qū)，其信號(hào)強(qiáng)度是不會(huì)上報(bào)的，這樣就會(huì)出現(xiàn)一種情況：當(dāng)服務(wù)小區(qū)信號(hào)強(qiáng)度快速衰落時(shí)，鄰小區(qū)雖然信號(hào)強(qiáng)度很好，但是由于無法及時(shí)解調(diào)出BSIC，造成無法切換而導(dǎo)致通信中斷。從切換請(qǐng)求發(fā)起到切換完成釋放源小區(qū)資源，跨MSC切換一般需要5s，BSC內(nèi)小區(qū)間切換時(shí)間為3s。因此從測(cè)量、判決到完成切換，這段時(shí)間的典型值是BSC內(nèi)小區(qū)間切換為7s，對(duì)于跨MSC的切換，這個(gè)時(shí)間將達(dá)到9s。假設(shè)列車運(yùn)行速度為350km/h，那么一個(gè)小區(qū)從進(jìn)入鄰區(qū)列表、解調(diào)BSIC、測(cè)量、觸發(fā)切換，到切換完成，至少需要5+4+3=12s(對(duì)于BSC內(nèi)切換)，火車對(duì)應(yīng)移動(dòng)的距離是1166m，在這段距離內(nèi)，服務(wù)小區(qū)必須保證信

24、號(hào)不發(fā)生快速衰落導(dǎo)致通信中斷，則電平值需不低于-95dBm，才能保證呼叫的正常進(jìn)行。2.1.3 對(duì)誤碼率的影響 由于高速移動(dòng)所帶來的多普勒頻移以及信道快速變化等因素的影響，高速環(huán)境下的誤碼率高于普通速度下的誤碼率。表2-1是來自Morane項(xiàng)目在法國鐵路線上在不同列車速度下測(cè)試得到的誤碼率結(jié)果。表2-1 不同速度下誤碼率從表2-1可見，對(duì)于表中三種傳輸方式，列車速度均對(duì)誤碼率產(chǎn)生了顯著影響。2.1.4 對(duì)GSM-R網(wǎng)絡(luò)同步性能的影響高速運(yùn)動(dòng)情況下保持基站和移動(dòng)臺(tái)之間的同步問題，主要體現(xiàn)在GSM時(shí)間提前量(TA)這個(gè)參數(shù)的解碼能力上。在呼叫進(jìn)行期間，移動(dòng)臺(tái)發(fā)送給基站的測(cè)量報(bào)告報(bào)頭上攜帶著移動(dòng)臺(tái)測(cè)

25、量的時(shí)延值，而基站必須監(jiān)視呼叫到達(dá)時(shí)的時(shí)間，并在下行SACCH的系統(tǒng)消息上以每兩秒一次的頻率向移動(dòng)臺(tái)發(fā)出指令，隨著移動(dòng)臺(tái)離開基站的距離的變化，逐步指示移動(dòng)臺(tái)應(yīng)該提前的發(fā)送的時(shí)間?？梢娨苿?dòng)臺(tái)測(cè)量的時(shí)延值發(fā)送的頻率為每480ms一次，而基站每兩秒向移動(dòng)臺(tái)發(fā)一次指令，也就是說GSM-R系統(tǒng)1人的最快的調(diào)整為每2s調(diào)整一個(gè)碼元，可以推導(dǎo)出其可支持的最大速率為：3.7*10-6*3*108*3600/(2*2)=999km/h。故在目前TA機(jī)制完全能夠支持到500km/h。2.2 高速列控對(duì)GSM-R系統(tǒng)的要求為了確保高速環(huán)境下的列控的需求，國內(nèi)外的相關(guān)機(jī)構(gòu)都制定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，GSM-R只有達(dá)到這些標(biāo)準(zhǔn)

26、，才能確保列控通信的可靠性。ERTMS規(guī)定了GSM-R要達(dá)到以下指標(biāo)：GSM-R要能夠支持列車最高時(shí)速500 km/h，平均運(yùn)營速度350 km/h的下的列控通信，誤碼率要小于10-4，在傳輸列控?cái)?shù)據(jù)時(shí)最小接收電平要高于-85dBm。為了保證高速列車安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)控制，要求列車與地面之間進(jìn)行雙向、大量信息傳輸，這些信息包括：列車狀態(tài)、列車速度、列車位置、列控信息、線路數(shù)據(jù)信息、橋隧信息和環(huán)境信息等。下表就是應(yīng)用于CTCS3級(jí)列控GSM- R無線子系統(tǒng)所需具備的無線覆蓋及Qos指標(biāo)。無線場強(qiáng)覆蓋以最小可用接收電平表示，并應(yīng)符合下表的規(guī)定：表2-2 最小可用接收電平為了保證無線場強(qiáng)覆蓋設(shè)計(jì)

27、不會(huì)越過相鄰基站或直放站，無線覆蓋還應(yīng)滿足以下規(guī)定：1)同頻道干擾保護(hù)比：不小于12dB；2)鄰頻道干擾保護(hù)比：不小于-6dB。第3章 高速環(huán)境下的無線冗余覆蓋3.1 無線子系統(tǒng)冗余覆蓋方案 高速鐵路的GSM-R無線系統(tǒng)需要為列控系統(tǒng)提供電路數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，必須高度重視系統(tǒng)的可靠性，而無線部分是系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵所在，因此，必須引入冗余以提高整個(gè)系統(tǒng)的可用度。對(duì)于無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，從防止設(shè)備單點(diǎn)故障的角度出發(fā)，需要考慮以下情況：l)對(duì)于有源通信設(shè)備，如果設(shè)備癱瘓，會(huì)使GSM-R系統(tǒng)部分或全部服務(wù)中斷，應(yīng)考慮故障后的備用手段，而且能夠在極短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)業(yè)務(wù)。沿線有大量同類設(shè)備、維護(hù)不方便的設(shè)備，如基站、直放站

28、、傳輸、電源設(shè)備等，應(yīng)設(shè)計(jì)為自動(dòng)恢復(fù)到備用工作方式；對(duì)于設(shè)備數(shù)量少、投資較大、但設(shè)置地點(diǎn)維護(hù)方便的設(shè)備，如BSC或者TRAU、MSC等，可采用具有較高M(jìn)TBF(Mean Time Between Failures，即平均故障間隔時(shí)間)和較低MTTR(MeanTime To Repair，即平均恢復(fù)時(shí)間)的設(shè)備，有故障時(shí)可以做到自動(dòng)切換到備用工作方式。2)對(duì)于無源器件，比如漏纜，架設(shè)雙條投資很高，考慮到客運(yùn)專線E常運(yùn)營時(shí)不允許人員進(jìn)入，因此只要管理維護(hù)得當(dāng)，平時(shí)很少遭受人為破壞。設(shè)計(jì)中要完善對(duì)漏纜的監(jiān)測(cè)，一旦性能劣化應(yīng)自動(dòng)告警，并及時(shí)維修。3)對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施，比如機(jī)房、鐵塔，一旦倒塌、或遭受人為或

29、者自然災(zāi)害而濘致站點(diǎn)的不可用，將直接導(dǎo)致GSM-R系統(tǒng)的服務(wù)中斷。因此，在站址選取時(shí)應(yīng)避免洪澇區(qū)和容易發(fā)生山體滑坡的區(qū)域，攀礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)要保留一定余量，防雷接地及EMC系統(tǒng)設(shè)計(jì)完善，并加強(qiáng)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測(cè)和維護(hù)。GSM-R無線子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，因此，針對(duì)以上情況，日前有以下三種兀余覆蓋方式：單層交織冗余覆蓋，雙層基站共址和雙層基站交織覆蓋。3.2 不同冗余方案的頻率分配頻率規(guī)劃是GSM-R網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的重要環(huán)節(jié)，良好的頻率規(guī)劃是網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的基礎(chǔ)。不同冗余方式有著不同的頻率規(guī)劃方案，因此導(dǎo)致了不同的頻率利用效率、抗干擾能力、系統(tǒng)容量和擴(kuò)容能力。本節(jié)將就上述三種冗余覆蓋方式的頻率規(guī)劃方案的相

30、關(guān)問題進(jìn)行研究。3.2.1 規(guī)劃原則1. 工作頻段GSM-R采用900MHz工作頻段，885MHz889MHz(上行)、930MHz 934MHz(下行)，共4MHz頻率帶寬，雙工收發(fā)頻率間隔45MHz，相鄰頻道間隔為200kHz。按等間隔頻道配置的方法，共有21個(gè)載頻。頻道序號(hào)從9991019，扣除底端999和高端1019做為隔離保護(hù)，實(shí)際可用頻道19個(gè)，頻道序號(hào)為10001018。頻道序一號(hào)和頻道標(biāo)稱中心頻率的關(guān)系為：fL(n)=890.000MHz+(n-1024)*0.200MHz(上行) (3-1)fH(n)= fL(n)+45MHz(下行) (3-2)n=999 10192頻率分配

31、原則頻道分配應(yīng)考慮同頻道干擾、鄰頻道干擾和互調(diào)干擾等因素，并使載干比滿足以下要求：同頻道載干比：控制信道及列控業(yè)務(wù)信道C/I12dB，其他業(yè)務(wù)信道所在頻率的C/I9dB；鄰頻道載干比：C/I-6B；偏離載波400kHz時(shí)的干擾保護(hù)比：C/ I一38dB。3頻率規(guī)劃基本原則良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一個(gè)良好頻率計(jì)劃的基礎(chǔ)。在進(jìn)行一定區(qū)域內(nèi)的頻率規(guī)劃時(shí)，一般采用地理分片的方式進(jìn)行，但需要在分片交界處預(yù)留一定頻點(diǎn)(頻率足夠使用時(shí))或進(jìn)行頻點(diǎn)劃分。交界處的選擇盡量避開熱點(diǎn)地區(qū)或組網(wǎng)復(fù)雜區(qū)。不管采用何種方式進(jìn)行頻率規(guī)劃，一般需要遵循以下原則：同基站內(nèi)不允許存在同頻頻點(diǎn)；同一小區(qū)內(nèi)BCCH和TCH的頻率間隔最好在4

32、00kHZ以上；沒有采用跳頻時(shí)，同一小區(qū)的TCH間的頻率間隔最好在40kHz以上；非13復(fù)用方式下，直接鄰近的基站避免同頻(即使其天線主瓣方向不同，旁瓣及背瓣的影響也會(huì)因天線及壞境的原因而難以預(yù)測(cè))；考慮到天線掛高和傳播環(huán)境的復(fù)雜性，距離較近的基站應(yīng)盡量避免同頻相對(duì)。3.2.2 同頻復(fù)用距離蜂窩系統(tǒng)容量受無線帶寬的限制，頻率必須進(jìn)行復(fù)用刁能滿足一定區(qū)域內(nèi)的容量需求。在同等區(qū)域內(nèi)，頻率復(fù)用距離越寬松，同鄰頻干擾越小，但容量也??；頻率復(fù)用越緊密，雖然容量得到一定的提升，但隨之帶來了同鄰頻干擾的上升?？刂茝?fù)用頻點(diǎn)的相互干擾是頻率規(guī)劃中的關(guān)鍵。頻率復(fù)用距離可根據(jù)GSM-R系統(tǒng)的載干比要求進(jìn)行分析計(jì)算。

33、假設(shè)C是信號(hào)有用功率，I是干擾信號(hào)的功率，在一個(gè)系統(tǒng)中，同頻干擾可能有多個(gè)，先假設(shè)共有K個(gè)干擾源，每個(gè)干擾用IK表示，K的取值從lK，那么同頻信號(hào)的載干比就可以表示為： (3-3)按照無線信號(hào)傳播理論，信號(hào)在空間按照接收位置到發(fā)射位置的冪指數(shù)下降，假設(shè)天線的輻射功率為PT，在距離發(fā)射天線位置d處接收到平均信號(hào)功率Pd可以由下面公式表示Pd=PTA/dn (3-4)A為一個(gè)常數(shù)；n為傳播指數(shù)，取值范圍在24之間，隨著環(huán)境不同取值不同。服務(wù)基站的干擾l都是其余同頻基站信號(hào)的總和，在PT取值都一定的情況下，式(3)中干擾信號(hào)強(qiáng)度Ik都可用式(5)表示： (3-5)而服務(wù)基站服務(wù)范圍有用信號(hào)應(yīng)該以服務(wù)

34、小區(qū)半徑邊緣來表示，即C可以表示為：C= PTA/dn (3-6)根據(jù)以上分析C/工可以用距離參數(shù)進(jìn)行歸一化表示： (3-7)根據(jù)GSM-R小區(qū)線狀覆蓋的不同方案可根據(jù)式（7）導(dǎo)出不同的計(jì)算公式。3.2.3 不同方案的頻率分配1單層交織覆蓋單層交織冗余覆蓋網(wǎng)絡(luò)所需的小區(qū)數(shù)在原有的單層網(wǎng)絡(luò)上增加了一倍，使原先使用2x2頻率復(fù)用模式的變?yōu)?x2的復(fù)用模式，因此對(duì)GSM一R的19個(gè)頻點(diǎn)可做如表1所示的分組，共分8組，由于實(shí)際應(yīng)用中可能有一些特殊站型和特殊環(huán)境的應(yīng)用，預(yù)留三個(gè)頻點(diǎn)1001、1010、和1017號(hào)頻點(diǎn)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)調(diào)整使用。表3-1 單層交織覆蓋頻率分組頻率分配的秩序可以按1、3、5、7、

35、2、4、6、8的秩序進(jìn)行，其每小區(qū)的最大配置為2載頻，可保證同一小區(qū)和鄰小區(qū)的頻點(diǎn)不相鄰，如重疊覆蓋小區(qū)實(shí)行負(fù)荷分擔(dān)，則等效每小區(qū)的最大容量為4載頻。2同站址雙層網(wǎng)絡(luò)同站址無線雙層網(wǎng)絡(luò)的頻率分配可在表3頻率分組的基礎(chǔ)上，對(duì)頻率分組進(jìn)行重新組合，見表3-2所示.表3-2同站址雙層覆蓋頻率分組同站址兩個(gè)基站的頻率配置(網(wǎng)絡(luò)A，網(wǎng)絡(luò)B)可按秩序(l，3)、(5，7)、(2，4)、(6，8)進(jìn)行，其等效的最大小區(qū)配置仍為四載頻。3交織雙層覆蓋交織雙側(cè)網(wǎng)絡(luò)的頻率規(guī)劃既可按單網(wǎng)交織冗余覆蓋網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行，也可按同站址無線雙層網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行，其等效的最大小區(qū)配置也是四載頻。3.3不同冗余方案的對(duì)比上述三種無線

36、冗余覆蓋方案，都在某種程度上提高了系統(tǒng)的可靠性，但它們?cè)诳煽啃猿潭?、頻率規(guī)劃與擴(kuò)容能力、抗干擾能力、小區(qū)切換和工程造價(jià)等方面還存在不同，一卜面就針對(duì)這幾個(gè)方面對(duì)這三種冗余方式進(jìn)行比較。3.3.1 無線子系統(tǒng)可靠性l系統(tǒng)可靠性基本準(zhǔn)則對(duì)于串聯(lián)結(jié)構(gòu)，無線系統(tǒng)的可用度是各單元可用度的乘積：Asys=Ai (3-8)其中Asys為串聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可用度，Ai為各個(gè)單元的可用度對(duì)于并聯(lián)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的可用度通過不可用度間接計(jì)算，不可用度為：Usys=Ui (3-9)則并聯(lián)系統(tǒng)的可用度為：Asys=1-Ui (3-10)2單層交織可靠性模型單層交織可靠性模型如圖3-1所示。Asys=1-(1-ABTS1*ABT

37、S3)*( 1-ABTS2)*ABSC (3-11)假設(shè)所有BTS的可用度都是相同的，則上式可簡化為：Asys=(ABTS+A2BTS- A3BTS)* ABSC (3-12)圖3-1 單層交織覆蓋可靠性模型3雙層交織可靠性模型雙層交織可靠性模型如圖3-2所示。圖3-2 雙層交織覆蓋可靠性模型上述結(jié)構(gòu)的可用度為：Asys=1-(1-ABTS1*ABTS3*ABSC1)*( 1-ABTS2*ABSC2) (3-13)假設(shè)所有BTS的可用度都是相同的，所有BSC的可用度是相同的，則上式可簡化為：Asys=ABSC*ABTS*(1+ABTS-A2BTS*ABSC) (3-14)4同站址雙層可靠性模型

38、雙層同站址可靠性模型如圖3-3所示圖3-3 雙層共站址覆蓋可靠性模型上述結(jié)構(gòu)的可用度為：Asys=1-(1-ABTS1*ABSC1)*( 1-ABTS2*ABSC2) (3-15)假設(shè)所有BTS的可用度都是相同的，所有BSC的可用度是相同的，則上式可簡化為： Asys=2*ABSC* ABTS -A2BTS*A2BSC (3-16)單層交織網(wǎng)絡(luò)的不可用度是相對(duì)較高的，其不可用度接近1小時(shí)/4年，而其它兩種方式從理論上來說是幾乎不會(huì)失效的，共站址雙層覆蓋方式的設(shè)備可靠性是最高的。3.3.2 系統(tǒng)容災(zāi)能力一旦某一站點(diǎn)發(fā)生重大災(zāi)難性事故(如塌方、泥石流、爆炸等)，采用同站址雙層覆蓋方式可能導(dǎo)致該點(diǎn)的

39、兩套無線設(shè)備都不能正常工作，從而使網(wǎng)絡(luò)覆蓋發(fā)生中斷，業(yè)務(wù)在此區(qū)段無法實(shí)現(xiàn)；而如果采用交織單網(wǎng)和交織雙網(wǎng)覆蓋方式，單點(diǎn)故障不會(huì)導(dǎo)致無線覆蓋中斷，業(yè)務(wù)可以正常使用。因此，在系統(tǒng)容災(zāi)性方面，交織雙網(wǎng)和交織單網(wǎng)均強(qiáng)于同站址雙層網(wǎng)絡(luò)。3.3.3 頻率復(fù)用度頻率利用效率可以用頻率復(fù)用度來表征，它反映了頻率復(fù)用的緊密程度。頻率復(fù)用度：fresue=NARFCN/NIRX其中NARFCN為總的可用頻點(diǎn)數(shù)，NIRX為小區(qū)配置的TRX。對(duì)于nm頻率復(fù)用方式：n表示復(fù)用簇中有n個(gè)基站，m表示每個(gè)基站有m個(gè)小區(qū)。那么它的頻率復(fù)用度為：fresue=nm顯然，頻率復(fù)用度越低，其頻率復(fù)用越緊密，頻率的利用率越高，但隨著頻

40、率復(fù)用緊密程度的減小，無線網(wǎng)絡(luò)的干擾也增大，需要DTX，功率控制等技術(shù)來支持；頻率復(fù)用度越大，其頻率利用率越小，但容易獲得較高的網(wǎng)絡(luò)話音質(zhì)量。3.3.4 抗干擾能力對(duì)于同站址雙層覆蓋，通過鏈路計(jì)算，設(shè)計(jì)兩個(gè)基站的間距為5km，則第一個(gè)基站在其中心區(qū)域的信號(hào)電平為-89dBm，在距離第一個(gè)基站2.95km(2.5+0.9/2)處信號(hào)電平為-92dBm，該點(diǎn)為移動(dòng)臺(tái)切換到第二個(gè)基站結(jié)束位置，是移動(dòng)臺(tái)正常工作在第一個(gè)基站的最低電平位置，列車行駛經(jīng)過該位置時(shí)，信號(hào)已經(jīng)切換到第二個(gè)基站，第二個(gè)基站信號(hào)在此位置強(qiáng)度為-86dBm。根據(jù)鐵道部與中國移動(dòng)的初步協(xié)商意見，中國移動(dòng)基站信號(hào)在距離鐵軌2km位置處信

41、號(hào)電平應(yīng)低于-95dBm，信號(hào)強(qiáng)度按照34倍的指數(shù)衰減，鐵路2km處信號(hào)強(qiáng)度將衰減912dB，那么在正常工作最低電平位置GSM-R與中國移動(dòng)基站的載干比C/I=-92(959)=12，滿足C/I=12的系統(tǒng)要求，因此，信號(hào)電平在該覆蓋一下可以滿足系統(tǒng)安全運(yùn)行的質(zhì)量要求。3.3.5 對(duì)越區(qū)切換的影響交織冗余方案時(shí)主要以相鄰基站覆蓋冗余為主，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃做較為充足的網(wǎng)絡(luò)覆蓋余量，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)需要調(diào)整避免網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)切換頻繁，重選過多等問題。按照列車時(shí)速350km/h計(jì)算，同站址方案站間距5km，則每51s會(huì)發(fā)生一次切換(不考慮切換失敗的情況)，數(shù)據(jù)通道的中斷時(shí)間為300ms，對(duì)通道效率的影響小于0.

42、6%。交織方案站間距3.2km，則每33s會(huì)發(fā)生一次切換(不考慮切換失敗的情況)，對(duì)通道效率的影響小于0.9%。為了確保無線信道盡可能高的可靠性，無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃應(yīng)盡量避免頻繁切換。假設(shè)線路總長1000km，對(duì)于同站址覆蓋，則越區(qū)切換大約200次，而交織覆蓋則大約為312次，可見，后者比前者切換次數(shù)增加了56%。切換次數(shù)的增加增大了通信中斷的概率，也就增加了通信中斷的可能性。3.3.6 工程造價(jià)同站址雙層覆蓋比單層交織覆蓋主要增加了基站設(shè)備和基站控制器，而電源、機(jī)房、鐵塔等設(shè)施基本可以共用，因此在投資方面比較經(jīng)濟(jì)。單網(wǎng)交織冗余覆蓋方案由于網(wǎng)絡(luò)采用冗余覆蓋，與同站址雙層覆蓋方案相比，基站站點(diǎn)數(shù)量增多

43、約60%，而基站數(shù)量減少20%，相應(yīng)地，電源、機(jī)房、鐵塔建設(shè)、傳輸設(shè)備及通信線路建設(shè)等配套內(nèi)容也一并增加27l。經(jīng)測(cè)算，單網(wǎng)交織冗余覆蓋方案比同站址雙層覆蓋方案投資約增加30%。交織雙網(wǎng)較交織單網(wǎng)增加了基站控制器、移動(dòng)交換機(jī)等控制設(shè)備，投資較單網(wǎng)交織更大一些?？梢姡诠こ淘靸r(jià)方面，交織雙網(wǎng)最大，交織單網(wǎng)次之，同站址雙網(wǎng)最小。第4章 高速環(huán)境下的小區(qū)規(guī)劃高速鐵路環(huán)境下的GSM-R系統(tǒng)需要在時(shí)速200350km/h下運(yùn)行，要為列控系統(tǒng)提供雙向信息傳輸通道，并提供無線列調(diào)、車次號(hào)及調(diào)度命令信息傳送、區(qū)間公務(wù)移動(dòng)通信等業(yè)務(wù)。參照歐洲 EIRENE SRSv.15系統(tǒng)需求規(guī)范，GSM-R網(wǎng)絡(luò)的最小接收電

44、平建議為-92dBm(95%覆蓋率，機(jī)車天線頂部接收)。列控系統(tǒng)對(duì)GSM-R網(wǎng)絡(luò)提出了很高的QoS需求，需滿足ERTMS /ETCS Subset-093的指標(biāo)。沿鐵路線實(shí)現(xiàn)場強(qiáng)無縫連續(xù)覆蓋并達(dá)到系統(tǒng)QoS要求是無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的一項(xiàng)重要任務(wù)。鐵路沿線的場強(qiáng)覆蓋規(guī)劃，一般可根據(jù)場強(qiáng)覆蓋預(yù)測(cè)模型進(jìn)行電波的傳播預(yù)測(cè)。在實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)無縫覆蓋的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該根據(jù)線路最高設(shè)計(jì)時(shí)速對(duì)切換重疊區(qū)進(jìn)行很好地規(guī)劃，保證足夠的重疊區(qū)長度，以滿足快速越區(qū)切換的需要(信號(hào)-92dBm)。重疊區(qū)域的設(shè)置對(duì)越區(qū)切換的影響很大。若重疊區(qū)太小，可能會(huì)出現(xiàn)弱場，導(dǎo)致切換中接收不到信令而通信中斷；若重疊區(qū)太大，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的同頻干擾，

45、對(duì)列控通信質(zhì)量造成不利影響。因此要想解決好鐵路沿線的切換問題，需要合理設(shè)計(jì)重疊區(qū)域的大小。關(guān)于重疊區(qū)的規(guī)劃將在本章進(jìn)行重點(diǎn)研究。此外，由于GSM-R系統(tǒng)的越區(qū)切換為硬切換，每次切換將導(dǎo)致EVC-RBC(車載安全計(jì)算機(jī)-無線閉塞中心)間的列控CSD(電路域數(shù)據(jù))業(yè)務(wù)中斷300500ms，為了更好地滿足列控對(duì)GSM-R系統(tǒng)無錯(cuò)誤傳輸周期的要求，2次連續(xù)越區(qū)切換間隔大于205，因此可以根據(jù)該指標(biāo)計(jì)算出基站間最小站距，作為高速環(huán)境下基站間距設(shè)計(jì)的理論下限，并據(jù)此推斷出何種環(huán)境下不宜開行高速列車。4.1 小區(qū)類型在GSM-R網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)小區(qū)的覆蓋半徑可以將小區(qū)分為三類：宏小區(qū)、小區(qū)和微小區(qū)。4.1.1

46、宏小區(qū)在宏小區(qū)中，基站的天線安裝位置一般要超過周圍房頂?shù)淖罡吒叨?。路徑損耗主要取決于移動(dòng)臺(tái)周圍房頂?shù)难苌浜蜕⑸?，主要射線是在房頂上傳播的。宏小區(qū)的半徑最小1km，一般均超過3km。對(duì)于宏小區(qū)可以采用Hata宏蜂窩傳播模型(150-l000MHz)來計(jì)算路徑損耗。宏小區(qū)覆蓋適用于城市、郊區(qū)和鄉(xiāng)村地區(qū)的鐵路環(huán)境。4.1.2 小區(qū)對(duì)于小區(qū)覆蓋，天線安裝位置高于周圍建筑的平均高度，但低于周圍房頂?shù)淖罡吒叨龋鋫鞑C(jī)理與宏小區(qū)相同。小區(qū)和宏小區(qū)的主要差別是傳播范圍，典型小區(qū)的最大半徑小于3km，通常收發(fā)天線之間分為兩種情況：視距情況和非視距情況。在小區(qū)半徑小于1km的場合，不能使用Hata模型。小區(qū)的覆

47、蓋適用于鐵路線路鋪設(shè)在城市地區(qū)和郊區(qū)的環(huán)境。4.1.3 微小區(qū)微小區(qū)的基站天線高度通常低于周圍建筑的平均高度，波的傳播決定于建筑物周圍的衍射和散射。微小區(qū)可以采用 COST231傳播模型來計(jì)算路徑損耗，半徑在100300m范圍內(nèi)，基站與移動(dòng)臺(tái)間的距離d0.02km。微小區(qū)的覆蓋適用于人口密度高話務(wù)量較大的城市地區(qū)。根據(jù)上面的三種分類的特性，再結(jié)合高速鐵路的實(shí)際環(huán)境，可以認(rèn)為高速環(huán)境下的小區(qū)覆蓋類型主要為宏小區(qū)，而其它兩種覆蓋主要適用于在車站或者編組站等環(huán)境。所以本文后面都默認(rèn)采用宏小區(qū)覆蓋。4.2 路徑損耗4.2.1 常用傳播模型傳播模型是非常重要的，它是移動(dòng)通信網(wǎng)中小區(qū)規(guī)劃的基礎(chǔ)。一個(gè)優(yōu)秀的

48、移動(dòng)無線傳播環(huán)境模型要能夠根據(jù)不同的地形、地貌或者是不同的環(huán)境做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。這些環(huán)境因素涉及了傳播模型中的很多變量，它們都起著重要的作用。多數(shù)模型是預(yù)測(cè)無線電波傳播路徑上的損耗的。所以傳播環(huán)境對(duì)無線傳播模型的建立起關(guān)鍵作用，確定某一特定地區(qū)的傳播環(huán)境的主要因素有：自然地形(高山、丘陵、平原、水域等)；人工建筑的數(shù)量、高度、分布和材料特性；該地區(qū)的植被特征；天氣狀況；自然和人為的電磁噪聲干擾；此外，無線傳播模型還受系統(tǒng)工作頻率和移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀況的影響。在相同地區(qū)，工作頻率不同，接收信號(hào)衰落狀況各異。靜止的移動(dòng)臺(tái)與高速運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)臺(tái)的傳播環(huán)境也大不相同。目前，針對(duì)宏小區(qū)環(huán)境移動(dòng)無線電波的傳播特性有多

49、種傳播預(yù)測(cè)模型，在900MHz時(shí)常用的有：Okumura模型、Hata模型、 Cost231-Walfisch-Ikegami模型等。1Hata模型Hata模型是廣泛使用的一種中值路徑損耗預(yù)測(cè)的傳播模型，適用于宏蜂窩(小區(qū)半徑大于Ikm)的路徑損耗預(yù)測(cè)。該模型是根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出的經(jīng)驗(yàn)公式，是一個(gè)公式化的模型，其路徑損耗計(jì)算公式中的參數(shù)容易獲得，模型應(yīng)用簡單，Hata模型針對(duì)大城市、中小城市、郊區(qū)、鄉(xiāng)村準(zhǔn)開放、鄉(xiāng)村開放等環(huán)境制定了相應(yīng)的修正因子，擴(kuò)大了其使用范圍，預(yù)測(cè)結(jié)果較為精確，便于計(jì)算機(jī)處理，因此Hata模型非常具有實(shí)用價(jià)值。2Okumura模型該模型是預(yù)測(cè)城區(qū)信號(hào)時(shí)使用最廣泛的模型

50、，最初是基于東京環(huán)境得出的，對(duì)具有高密度樓房的大城市環(huán)境預(yù)測(cè)比較精確，但是對(duì)城區(qū)和郊區(qū)快速變化反應(yīng)較慢，預(yù)測(cè)和測(cè)試的路徑損耗偏差為10dB-4OdB。模型完全基于測(cè)試數(shù)據(jù)，不提供任何分析解釋，需要查詢曲線圖，不便于計(jì)算機(jī)處理。3Cost231-Walfisch-Ikegami模型該模型是適用于密集城區(qū)組網(wǎng)的微蜂窩模型，廣泛應(yīng)用于建筑物高度近似一致的郊區(qū)和城區(qū)環(huán)境。模型考慮了較多的影響因素，如建筑物高度、道路寬度、建筑物的間隔、道路方位等，對(duì)大城市環(huán)境預(yù)測(cè)相對(duì)精確。但選值較為復(fù)雜，不易確定。該模型的適用距離限于5km以內(nèi)，對(duì)大于5km的環(huán)境不適用。Hata模型從頻段、適用距離、天線高度和應(yīng)用環(huán)境

51、四個(gè)方面都符合高速鐵路環(huán)境下GSM-R無線規(guī)劃的需求，而且在GSM和GSM-R網(wǎng)絡(luò)中都有成熟廣泛的應(yīng)用，故本文將選用Hata模型對(duì)GSM-R鐵路環(huán)境進(jìn)行建模和計(jì)算路徑損耗。4.2.2 路徑損耗建模根據(jù)以上分析，可以采用Hata模型為我國采用GSM-R系統(tǒng)的鐵路建模，該模型以市區(qū)傳播損耗為標(biāo)準(zhǔn)，其他地區(qū)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，該模型的具體適用條件如下：適用小區(qū)類型：宏小區(qū)；工作頻率：1501500MHz；適用距離：1km20km；基站天線高度Hb：30m200m；移動(dòng)臺(tái)天線高度Hm：1m10m；Hata模型以市區(qū)路徑傳播損耗為基準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)其他地區(qū)進(jìn)行修正，市區(qū)傳播路徑損耗基準(zhǔn)公式為：L(dB)

52、=69.55+26.16lg(f)-13.82lg(Hb)+44.9-6.55log(Hb)lg(d)-a(Hm) (4-1)對(duì)于大城市，移動(dòng)天線修正因子為：a(Hm)=3.2*(lg(11.75*Hm)2-4.97 (4-2)對(duì)于中小城市，移動(dòng)天線修正因子為：a(Hm)=(1.1*lg(f)-0.7)*Hm-(1.56*lg(f)-0.8) (4-3)對(duì)于其他幾種環(huán)境，其路徑損耗修正模型入表4-1所示：表4-1 路徑損耗修正模型4.2.3 路徑損耗計(jì)算當(dāng)前在鐵路線上眾多的專用GSM-R移動(dòng)終端可以分為以下四種基本類型，具體見表4-2。表4-2 移動(dòng)終端分類從滿足高速環(huán)境下列控和列調(diào)應(yīng)用角度出

53、發(fā)，本文根據(jù)如下條件進(jìn)行路徑損耗的計(jì)算：工作頻率f：932MHz，(GSM-R下行鏈路工作頻段930-934MHZ)；基站高度Hb： 35米、45米、50米；移動(dòng)臺(tái)高度Hm：4.5m(機(jī)車臺(tái))。根據(jù)上述條件和路徑損耗模型可得到各種環(huán)境下的路徑損耗公式，見表4-3。表4-3 不同環(huán)境下的路徑損耗4.3 小區(qū)覆蓋規(guī)劃小區(qū)覆蓋半徑的規(guī)劃應(yīng)以移動(dòng)臺(tái)的最小接入電平為邊界，各種環(huán)境下纂站的最大覆蓋半徑可以根據(jù)表4.4中的路徑損耗模型計(jì)算出來。高速線路下的典型環(huán)境主要有大城市、中小城市、郊區(qū)、鄉(xiāng)村準(zhǔn)開放、鄉(xiāng)村開放地區(qū)五種，按照移動(dòng)終端的應(yīng)用類型有列控和非列控之分，此外，還要考慮不同類型移動(dòng)終端的發(fā)射功率以及

54、基站天線高度?？梢姡煌瑮l件下得出的小區(qū)覆蓋半徑也是不同的。下面將從滿足需求最嚴(yán)格的高速列控通信覆蓋指標(biāo)出發(fā)，對(duì)于滿足機(jī)車臺(tái)正常通信的小區(qū)覆蓋范圍進(jìn)行研究。機(jī)車臺(tái)的接收電平(中值)計(jì)算公式為：Pr(dBm)=Pt+Gb+Gm-L (4-4)其中：基站發(fā)射天線增益Gb：10dB(含饋線、接頭損耗)；移動(dòng)臺(tái)的接收天線增益Gm：0dB(含饋線、接頭損耗)；基站的發(fā)射功率Pt：43dBm(20w)；機(jī)車臺(tái)的高度：4.5m；機(jī)車臺(tái)靈敏度：-104dBm；那么，機(jī)車臺(tái)接收電平(中值)為：Pr(dBm)=Pt+Gb+Gm-L=43+10-0-L=53-L(dBm) (4-5)4.4 重疊區(qū)規(guī)劃4.4.1 重

55、疊區(qū)定義在進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)，需要調(diào)整兩相鄰小區(qū)的覆蓋范圍，至少要保證鄰小區(qū)間沒有未覆蓋區(qū)域，在此基礎(chǔ)上還應(yīng)考慮兩相鄰小區(qū)間存在一定重疊區(qū)，以確保越區(qū)切換成功執(zhí)行，保證通信連接的持續(xù)性和可靠性。因此，一般在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮兩個(gè)相鄰區(qū)域的連接處要有一定縱深的重疊區(qū)來減少可能出現(xiàn)的弱場區(qū)及不可通概率。但是覆蓋區(qū)過深又會(huì)招致越區(qū)干擾，所以必須合理設(shè)計(jì)。在小區(qū)內(nèi)，距基站較近的區(qū)域，覆蓋場強(qiáng)值較高，隨著離基站距離的增加，路徑損耗增加，覆蓋場強(qiáng)值下降，當(dāng)基站的覆蓋場強(qiáng)下降到移動(dòng)終端的最小接收電平時(shí)，該處即為小區(qū)邊界，如圖4.2所示，當(dāng)前小區(qū)的邊界即為D點(diǎn)，鄰小區(qū)的邊界即為A點(diǎn)。此時(shí)，移動(dòng)終端距基站的距離就是小

56、區(qū)半徑。由于移動(dòng)臺(tái)經(jīng)常處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，電波在基站與移動(dòng)臺(tái)之間隨路徑的不同亦隨時(shí)隨地發(fā)生變化，因此很難找到相鄰覆蓋區(qū)間的嚴(yán)格分界線。通常說的覆蓋區(qū)是從覆蓋場強(qiáng)平均變化意義上來理解的，本文中定義的重疊區(qū)是指相鄰兩個(gè)基站重疊覆蓋的區(qū)域，也就是兩個(gè)小區(qū)邊界之間重疊覆蓋區(qū)域?yàn)橹丿B區(qū)。如圖所示，重疊區(qū)為A、D之間的趾離L。圖4-1 重疊區(qū)示意圖4.4.2 決定重疊區(qū)長度的因素1切換距離切換距離即為從觸發(fā)切換開始到切換完成之間列車所行進(jìn)的距離，切換距離主要取決于列車速度。 HOMargin為一可變參數(shù)，在實(shí)際工程設(shè)置中經(jīng)常為6dB，路徑損耗指數(shù)n在城市環(huán)境為3.377，在郊區(qū)環(huán)境下為3.325，在鄉(xiāng)村環(huán)境下為

57、3.181，小區(qū)半徑需滿足機(jī)車臺(tái)傳輸列控業(yè)務(wù)需求。Hb代表基站天線高度，r為小區(qū)半徑：中小城市環(huán)境，Hb=50m，r=2.26km；郊區(qū)環(huán)境，Hb=50m，r=3.61km；鄉(xiāng)村準(zhǔn)開放放境，Hb=50m，r=9.13km；鄉(xiāng)村開放環(huán)境，Hb=50m，r=12.84km切換距離與重疊區(qū)長度呈簡單的線性關(guān)系，切換帶越長，則重疊區(qū)越長，并且在相同切換帶長度時(shí)，重疊區(qū)長度依中小城市到鄉(xiāng)村開放環(huán)境次序增長。各種環(huán)境下的線性關(guān)系近似一致，不同環(huán)境下的損耗指數(shù)影響很小，可以忽略不計(jì)，所以重疊區(qū)的長度主要取決于不同環(huán)境下的小區(qū)覆蓋半徑。2切換容限切換容限是一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)于切換發(fā)生地點(diǎn)和時(shí)機(jī)有著重要影響，當(dāng)其值大于零，表明需要鄰小區(qū)電平值大于服務(wù)小區(qū)才可以切換；當(dāng)其值小于零，則可以讓移動(dòng)臺(tái)提前切換，如在隧道等環(huán)境。因此，切換容限在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中有著不同設(shè)置。重疊區(qū)長度隨著切換容限的增大呈指數(shù)形式增長；切換容限的改變對(duì)于鄉(xiāng)村環(huán)境的影響要大于其它兩種環(huán)境，體現(xiàn)為改變速度更快；同樣情況下，滿足非列控業(yè)務(wù)需求時(shí)的重疊區(qū)長度要大于滿足列控時(shí)的長度3列車速度 當(dāng)小區(qū)半徑一定時(shí)列車速度和切換時(shí)間就主要決定了重疊區(qū)長度。切換時(shí)間主要取決于網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時(shí)間和切換算法，在工程設(shè)計(jì)中僅在一個(gè)較小的范圍內(nèi)浮動(dòng)，而列車最大速度根據(jù)線路不同，從200km/h到500km/h不等，是一個(gè)變化較大的參數(shù)。在實(shí)際環(huán)境中，基站天線的高