趙一穎,姜志威

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 研究背景及意義

鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)(GSM-R)是一種鐵路專用的無線通信制式[1]，主要用于承載列車調(diào)度通信、列車控制數(shù)據(jù)傳輸、車次號傳輸、區(qū)間移動公務(wù)通信、應(yīng)急指揮通信等功能。相比于公眾網(wǎng)絡(luò)GSM制式采用的面狀覆蓋，GSM-R制式采用的則是符合鐵路特點線狀覆蓋，并且在組網(wǎng)架構(gòu)、占用帶寬等方面也存在較大差異。可見，在方案研究、工程設(shè)計、項目審批、施工建設(shè)、運維管理等各階段做好GSM-R仿真分析，對鐵路安全生產(chǎn)具有重要的意義。

目前，通信行業(yè)常用的幾種無線網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)化仿真軟件有英國AIRCOM公司的Enterprise ASSET[2]、法國FORSK公司的Atoll[3]，中國百林的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件NeST等。設(shè)備廠商一般也會有自己仿真系統(tǒng)軟件，如愛立信公司的TCPU、諾基亞公司的Totem Suite、華為公司的GENEX、阿爾卡特朗訊公司的Ocelot等。然而，這些無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件均不能直接支持GSM-R仿真[4]。盡管通過繁瑣的參數(shù)配置仍可利用上述軟件實現(xiàn)GSM-R仿真的部分功能，但使用商業(yè)軟件處理高精度鐵路沿線實地模型卻存在信息安全隱患。因此，研究基于實地模型的GSM-R仿真系統(tǒng)對我國鐵路行業(yè)是必要和迫切的。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

GSM-R仿真系統(tǒng)的功能設(shè)計應(yīng)貼合鐵路行業(yè)的實際應(yīng)用需求，重點關(guān)注切換、干擾[5]、冗余覆蓋等關(guān)鍵性問題。根據(jù)TB10088—2015《鐵路移動通信系統(tǒng)(GSM-R)設(shè)計規(guī)范》[6]中規(guī)定的無線覆蓋要求和特性指標，確定基于實地模型的GSM-R仿真系統(tǒng)需具備以下功能。

(1)無線場強覆蓋分析功能

鐵路沿線實現(xiàn)GSM-R無線信號的有效覆蓋是一項基本要求[7]，無線通信系統(tǒng)設(shè)計方案應(yīng)滿足接收機天線輸入端射頻信號最小可用接收電平不低于規(guī)范中要求的數(shù)值。例如，當列車設(shè)計速度超過280 km/h時，在時間、地點統(tǒng)計概率95%的條件下，列控類業(yè)務(wù)要求最小可用接收電平應(yīng)不低于-92 dBm，而話音及非列控類業(yè)務(wù)則要求不低于-98 dBm。通過仿真系統(tǒng)無線場強覆蓋分析功能，可以核查鐵路沿線區(qū)域是否存在GSM-R信號最小可用接收電平不滿足規(guī)范要求的情況[8]。

(2)C/I指標分析功能

GSM-R系統(tǒng)的工作頻率帶寬為4 MHz，采用等間隔配置方法劃分為19個頻點[9]，頻點間隔僅有200 kHz。無線通信系統(tǒng)設(shè)計時，主要應(yīng)避免同頻和鄰頻干擾，干擾會引起誤碼增加、話音質(zhì)量下降、數(shù)據(jù)傳輸差錯率上升，影響行車安全[10]。C/I指標即載干比，定義為接收到的有用信號電平與所有非有用信號電平的比值[11]。設(shè)計規(guī)范中要求同頻C/I值不小于-12 dB，鄰頻C/I值不小于-6 dB。通過仿真系統(tǒng)的C/I指標分析功能，就可以直接分析GSM-R系統(tǒng)自身的信號干擾特性，或者結(jié)合無線場強測試結(jié)果，分析GSM-R系統(tǒng)在實地環(huán)境中的信號干擾特性。

(3)重疊覆蓋分析功能

隨著高速鐵路列車控制系統(tǒng)的不斷革新，對于GSM-R無線通信的技術(shù)要求也在同步提升。目前國內(nèi)高速鐵路廣泛采用的CTCS-3級列控系統(tǒng)，在列車運行控制區(qū)段、機車同步操控區(qū)段，以及與其他等級列控線路之間的轉(zhuǎn)換區(qū)段等，均應(yīng)進行冗余無線覆蓋[12]。通過仿真系統(tǒng)的重疊覆蓋分析功能，不僅可以核查出鐵路沿線區(qū)域是否存在GSM-R信號未實現(xiàn)冗余覆蓋的情況，而且也能用于復(fù)雜線路區(qū)段的多信號覆蓋特性研究[13]。

3 無線仿真原理

傳播模型是分析無線信號覆蓋特性的理論基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)計算機無線仿真的數(shù)學(xué)原理[14]。在鐵路GSM-R無線仿真中，主要研究信號受到傳播路徑上的障礙物遮擋后，所產(chǎn)生的空間大尺度衰落變化，所以通常采用修正的Okumura-Hata模型作為傳播模型進行計算[15]。

Okumura-Hata模型的城市市區(qū)基本傳播損耗Lb的中值公式如下

Lb=69.55+26.16lgf-13.82lghb+

(44.9-6.55lghb)lgd-α(hm)

(1)

其中，f為無線信號的工作頻率，由于GSM-R為下行受限系統(tǒng)，下行頻段930～934 MHz，故可將f取值為932 MHz；hb為基站天線有效高度，m，定義為基站天線與移動臺天線之間的高度差，根據(jù)鐵路工程中基站天線通常掛設(shè)在距鐵塔頂2 m的一層平臺上，hb的計算方法為基站與移動臺位置的海拔高度差加上鐵塔高度再減去2 m；d為傳播距離，km，定義為基站與接收機之間的直線距離，可根據(jù)二者坐標位置計算；α(hm)為移動臺天線高度因子，計算公式視城市規(guī)模而不同；hm為移動臺天線有效高度，m，GSM-R手持終端可取值為1.5 m，GSM-R車載終端可取值為10 m。考慮到高速鐵路的明區(qū)間通常不會穿越大型城市，故應(yīng)選取適用于中小城市的計算公式，具體如下

α(hm)=(1.11lgf-0.7)hm-(1.56lgf-0.8)

(2)

此外，還可根據(jù)鐵路線路區(qū)段具體地形地貌，附加郊區(qū)、開闊地、準開闊地、農(nóng)村、丘陵地等校正因子，以修正傳播損耗Lb的計算結(jié)果[16]。

根據(jù)基站與移動臺之間傳播損耗計算結(jié)果，即可對前文所述的3種分析功能進行仿真計算。

(1)無線場強覆蓋分析功能

無線場強覆蓋分析需要利用基站布點方案，分別計算出各基站在鐵路沿線各位置處的無線信號場強值，并將各處的信號場強最大值以分層設(shè)色法的形式進行繪圖展示。

(2)C/I指標分析功能

根據(jù)C/I指標的定義，計算一個位置的C/I指標需要先計算出該處的載波信號場強值與干擾信號場強值?？紤]到非樞紐地區(qū)GSM-R無線信號通常為線狀覆蓋，并且采用高電平切換的方式[17]，可將該處場強值最大的信號判定為載波信號，其余信號判定為干擾信號，則按照公式(3)即可計算出該處的C/I指標，并以分層設(shè)色法的形式進行繪圖展示。

(3)

式中，Lp(i)表示位置p處接收到的第i個無線信號的場強值；imax表示場強值最大的無線信號序號。

需要說明的是，根據(jù)GSM-R制式的線狀覆蓋特點，19個頻點可以劃分成6個三頻點小組，按照冗余覆蓋方式下基站間隔約3.5 km、每個基站占用1個三頻點小組，于是非樞紐地區(qū)的頻點復(fù)用距離可以達到6×3.5 km=21 km。因此，在非樞紐地區(qū)場景下，才可對GSM-R系統(tǒng)內(nèi)的同頻干擾忽略不計，進行前文所述的C/I指標分析。

(3)重疊覆蓋分析功能

重疊覆蓋指標定義為一個位置可接收到有用電平的數(shù)量，需要對該位置接收到的所有無線信號先判斷是否達到預(yù)設(shè)的電平門限值，然后再進行計數(shù)統(tǒng)計，最后以分層設(shè)色法的形式進行繪圖展示。本文將電平門限值設(shè)定為-70 dBm。

(4)分布式基站共小區(qū)的處理方法

在許多既有線GSM-R改造工程中，經(jīng)常采用分布式基站(RRU)共小區(qū)組網(wǎng)的方式[18]，即多個不同址的基站雖然分別設(shè)有發(fā)射機，但基站之間可以共用頻點、不發(fā)生切換，等效為一個小區(qū)[19]。對于前文所述的3種無線仿真功能，只有C/I指標分析功能需對采用共小區(qū)方式組網(wǎng)的基站進行特殊處理。盡管共小區(qū)內(nèi)非主用發(fā)射機的信號與主用信號同頻，但是RRU可通過自適應(yīng)均衡技術(shù)消除此類干擾，故計算公式(3)中干擾信號場強值時，應(yīng)去除共小區(qū)內(nèi)的非主用信號。

4 數(shù)據(jù)接口處理

GSM-R仿真系統(tǒng)所需的輸入數(shù)據(jù)主要為提供地理信息的三維電子地圖，以及提供基站信息的GSM-R系統(tǒng)設(shè)計方案。系統(tǒng)開發(fā)前，需要對上述數(shù)據(jù)與系統(tǒng)功能之間的接口進行設(shè)計。

4.1 三維電子地圖數(shù)據(jù)接口

(4)

(5)

式中，X為中央子午線弧長；N為卯酉圈曲率半徑；t=tanB；l=L-L0為經(jīng)度L與該位置中央子午線經(jīng)度L0之差；ρ=180×3 600/π，rad·s；η2=e′2cos2B；e′為地球橢球第二偏心率。

4.2 GSM-R系統(tǒng)方案數(shù)據(jù)接口

為了實現(xiàn)仿真計算，GSM-R系統(tǒng)設(shè)計方案需采用數(shù)據(jù)格式表達。該格式根據(jù)軟件開發(fā)的具體需求制定，并且盡量與成熟商業(yè)軟件的數(shù)據(jù)輸入形式保持一致，以提供最大化的數(shù)據(jù)兼容條件和批量導(dǎo)入的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

本文提出的GSM-R仿真系統(tǒng)采用EXCEL軟件標準的xlsx格式存儲GSM-R系統(tǒng)的發(fā)射站數(shù)據(jù)，包括基站、直放站和分布式基站等，數(shù)據(jù)組織形式為“9列×N行”，每個發(fā)射站占用1行，9列數(shù)據(jù)的內(nèi)容要求如下。

第1列為發(fā)射站名稱：要求采用北京鐵路通信技術(shù)中心規(guī)定的GSM-R數(shù)據(jù)編號方案標準命名方法，如QingHe、QH-SH01、BeiJingBeiA/R1。

第2列為發(fā)射站經(jīng)度：要求采用度分秒格式，即xx°xx′xx″，秒級的xx可以為小數(shù)或整數(shù)，也兼容北京鐵路通信技術(shù)中心要求的度分格式，即xx°xx′，分級的xx可以為小數(shù)或整數(shù)。

第3列為發(fā)射站緯度：要求采用度分秒格式，即xx°xx′xx″，秒級的xx可以為小數(shù)或整數(shù)，也兼容北京鐵路通信技術(shù)中心要求的度分格式，即xx°xx′，分級的xx可以為小數(shù)或整數(shù)。

第4列為發(fā)射站天線掛高：要求填寫天線安裝位置距離地面的高度。

第5列為發(fā)射站發(fā)射功率：要求填寫從發(fā)射站天線實際發(fā)射的無線信號功率，單位為dBm。

第6～9列為天線方向角：最多支持4面天線的配置，要求順序填寫天線的掛設(shè)方向角，方向角度以正北方向作為0°、以順時針為正方向，當天線數(shù)量不足4面時，可做留空處理。

5 系統(tǒng)開發(fā)與測試

將MATLAB作為GSM-R仿真系統(tǒng)的開發(fā)平臺，按照前述仿真原理編寫代碼，然后測試軟件的各項功能，并與線路實際測試結(jié)果相對照，驗證軟件輸出結(jié)果的準確性。以京張高鐵工程中無線環(huán)境較為復(fù)雜的新八達嶺隧道出口至東花園北站區(qū)段與延慶支線組成的三岔口區(qū)域作為樣例[20]，進行測試說明與結(jié)果分析。

5.1 系統(tǒng)流程

GSM-R仿真系統(tǒng)的流程為單序列形式，各項功能按順序逐個執(zhí)行，如圖1所示。

圖1 GSM-R仿真系統(tǒng)流程

5.2 無線場強覆蓋分析功能測試

測試區(qū)域的無線場強覆蓋分析計算結(jié)果如圖2所示，圖2中各基站/直放站覆蓋的目標區(qū)域內(nèi)沒有出現(xiàn)低于-95 dBm的弱場情況，滿足設(shè)計規(guī)范中對于最小可用接收電平值的要求。

圖2 無線場強覆蓋分析功能測試結(jié)果

5.3 C/I指標分析功能測試

測試區(qū)域C/I指標分析的仿真計算結(jié)果如圖3所示，圖3中鐵路沿線的無線信號C/I值均滿足規(guī)范中鄰頻不小于-6 dB的要求，并且臨站之間的切換區(qū)位置在圖中也可清晰分辨。此外，圖中所示紅色區(qū)域的C/I值小于-6 dB，雖然該區(qū)域距線路還有一段距離，但實際網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中也應(yīng)重點關(guān)注該區(qū)域，避免干擾信號范圍擴大，影響線路上的無線覆蓋質(zhì)量。

圖3 C/I指標分析功能測試結(jié)果

5.4 重疊覆蓋分析功能測試

測試區(qū)域重疊覆蓋分析的仿真計算結(jié)果如圖4所示，鐵路沿線各處的重疊覆蓋指標均不低于2，即圖中藍色和黃色所示區(qū)域，這與京張高鐵無線通信設(shè)計方案采用單網(wǎng)交織的冗余覆蓋方式相吻合。

圖4 重疊覆蓋分析功能測試結(jié)果

5.5 仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比分析

圖5為本文選取的樣例測試區(qū)域現(xiàn)場實測結(jié)果，圖表數(shù)據(jù)來自于京張高鐵工程聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段時的動檢車無線測試系統(tǒng)截圖。通過對比分析仿真結(jié)果與實測結(jié)果，可以得到如下結(jié)論。

圖5 京張高鐵樣例測試區(qū)域的現(xiàn)場實測結(jié)果

(1)該區(qū)域無線信號接收電平均在-70 dBm以上，并且在基站BDLXXLS-DHYB03附近因處于東花園隧道進口區(qū)域而出現(xiàn)一定的信號衰落，與圖2所示的無線場強覆蓋仿真分析結(jié)果一致。

(2)該區(qū)域內(nèi)臨站之間的實際切換位置與圖3通過C/I指標仿真分析得到的切換位置一致。

(3)該區(qū)域內(nèi)超過門限電平-70 dBm的GSM-R無線信號數(shù)量也與圖4通過重疊覆蓋仿真分析得到的統(tǒng)計結(jié)果一致。

綜上所述，本文提出的基于實地模型的GSM-R仿真系統(tǒng)在測試樣例上輸出結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果一致，證明了該系統(tǒng)方案的有效性。

6 結(jié)論與展望

近年來，GSM-R無線通信系統(tǒng)已經(jīng)成為新建鐵路的標準配置，而采用無線列車調(diào)度系統(tǒng)的既有鐵路也在逐步開展GSM-R升級改造，基于實地模型的無線通信(用于GSM-R)仿真設(shè)計系統(tǒng)作為一項具有鐵路行業(yè)專業(yè)性的研究課題，能夠通過分層設(shè)色的形式直觀展示出發(fā)射站無線場強、C/I指標及重疊覆蓋等信息，為管理人員審查方案提供保障，為設(shè)計人員優(yōu)化方案提供依據(jù)，為施工人員執(zhí)行方案提供便利。

在后續(xù)研究工作中，一方面應(yīng)當充分利用設(shè)計圖紙、GIS資料現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)等附加信息，進一步提高GSM-R仿真系統(tǒng)的計算精度；另一方面，也應(yīng)當積極關(guān)注鐵路行業(yè)的無線技術(shù)革新，探索未來5G-R系統(tǒng)的仿真新方法，并打造鐵路專網(wǎng)無線覆蓋貫穿規(guī)劃、設(shè)計、管理、施工、驗收、運營、維護、改造全生命周期的數(shù)字孿生體。