高速鐵路典型地形GSM-R系統(tǒng)電波傳播特性的研究

蔣志勇 張弘毅 蔣 韻

蔣志勇:中國鐵道科學研究院通信信號研究所 副研究員 100081 北京

張弘毅:中國鐵道科學研究院通信信號研究所 助理研究員 100081 北京

蔣 韻:中國鐵道科學研究院通信信號研究所 助理研究員 100081 北京

我國高速鐵路采用GSM-R系統(tǒng)作為移動通信平臺，承載了CTCS-3級列控信息、調(diào)度通信、調(diào)度命令、列車無線車次號校核等多種鐵路應(yīng)用業(yè)務(wù)信息傳送，為運輸調(diào)度指揮、設(shè)備維護及管理提供移動語音、電路域和分組域數(shù)據(jù)傳輸通信，在鐵路運輸中發(fā)揮了重要作用。因此有必要研究高速運行條件下GSM-R系統(tǒng)電波傳播特性，建立典型地形條件下電波傳播模型，完善高速鐵路GSM-R系統(tǒng)的場強預(yù)測模型，為GSM-R系統(tǒng)的設(shè)計和運用提供參考和依據(jù)。

1 高速鐵路GSM-R系統(tǒng)電波傳播特點

當列車行駛在平原或準平原區(qū)段時，無線電波的傳播主要存在地面反射，而繞射、散射和其他反射都很弱，影響電波傳播的因素較少。與普通鐵路相比，高速鐵路線路大多取直，坡度較緩，路基占地寬，相對減少了分布于實效反射區(qū)內(nèi)的反射物和障礙物，從而減少了影響電波傳播的地理因素，有利于電波傳播。對于典型平原高架橋地形，列車運行在高架橋上，傳播環(huán)境較在地面運行時更佳。

按照影響電波傳播的地形進行分類，我國高速鐵路沿線主要有幾種典型地形:平原/準平原、平原高架橋、山區(qū)/丘陵、隧道等。在隧道區(qū)段，GSM-R系統(tǒng)一般采取光纖直放站等技術(shù)手段實現(xiàn)隧道內(nèi)的無線覆蓋。此時，一個GSM-R基站的覆蓋范圍與實際的地形以及基站允許連接的光纖直放站數(shù)量等因素有關(guān)，可以通過計算或者工程經(jīng)驗直接獲取。在準平原或平原高架橋區(qū)段，GSM-R系統(tǒng)一般采取由基站直接覆蓋的方法。由于地形相對比較平坦，無線電波的傳播環(huán)境好，無線覆蓋電平相對較高。在準平原或平原高架橋區(qū)段，如果基站覆蓋范圍設(shè)計不合理，將給頻率規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化以及業(yè)務(wù)應(yīng)用帶來很大的困難和負面影響。

根據(jù)在準平原和平原高架橋等典型地形條件下測得的試驗數(shù)據(jù)，建立典型準平原和平原高架橋區(qū)段高速鐵路GSM-R系統(tǒng)電波傳播大尺度路徑損耗模型和小尺度衰落模型。

2 測試基本情況

選擇具有典型平原高架橋地形特征的區(qū)段，按照保證移動終端能有較低接收電平，且相鄰基站無鄰頻干擾的原則，采取連續(xù)關(guān)閉4～6個基站后保留1個被測基站的方式關(guān)閉了測試區(qū)段沿線部分基站，在被測基站間距超過15 km的條件下，分別在250，300，350，380 km/h等速度等級測試GSM-R系統(tǒng)的電波傳播特性。被測GSM-R基站的基本情況如表1。

表1 被測GSM-R基站基本情況

測試過程中，測量接收機依次鎖定被測基站的BCCH頻點，直至電平低于－100 dBm以下，再將測試頻率鎖定在下一個基站的BCCH，測試接收電平與距離之間的分布規(guī)律，得到高速鐵路GSM-R系統(tǒng)電波傳播的大尺度傳播模型。測試中，通過全程記錄測量接收機的原始采集數(shù)據(jù)，測試電波的波動規(guī)律，推導(dǎo)出小尺度衰落特性。

3 典型地形GSM-R電波傳播特性

3.1 準平原區(qū)段電波傳播特性

3.1.1 準平原區(qū)段大尺度傳播模型

參考相關(guān)研究，列車速度對電波的大尺度傳播模型影響不明顯，準平原、山區(qū)/丘陵等地形高速鐵路GSM-R系統(tǒng)電波傳播大尺度路徑損耗指數(shù)統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 準平原、山區(qū)/丘陵地形電波傳播大尺度路徑損耗指數(shù)

經(jīng)過分析統(tǒng)計，GSM-R基站的實際輻射電波在距離基站約200 m處的95%時間地點概率場強統(tǒng)計值最大，約為－30 dBm。以此作為參考點，準平原、山區(qū)/丘陵二種典型地形條件下電波傳播大尺度傳播路徑損耗模型如圖1所示。

圖1 準平原、山區(qū)/丘陵區(qū)段電波傳播大尺度路徑損耗模型

3.1.2 準平原區(qū)段小尺度衰落余量

參考相關(guān)研究，典型準平原、山區(qū)/丘陵地形條件下電波傳播小尺度衰落余量統(tǒng)計如表3所示。

表3 準平原、山區(qū)/丘陵地形小尺度衰落余量統(tǒng)計表

3.2 平原高架橋區(qū)段電波傳播特性

3.2.1 平原高架橋區(qū)段大尺度傳播模型

通過對測試數(shù)據(jù)進行分析和統(tǒng)計后，平原高架橋區(qū)段被測GSM-R基站的電波傳播大尺度損耗指數(shù)擬合結(jié)果如表4所示。

表4 平原高架橋地形電波傳播大尺度路徑損耗指數(shù)

如表4所示，典型平原高架橋區(qū)段被測GSMR基站的大尺度路徑損耗指數(shù)為2.7～3.2。由于各基站所取樣本數(shù)大致相同，且擬合的相關(guān)系數(shù)γ十分接近，因而可對路徑損耗指數(shù)和標準差進行算術(shù)平均，計算得到路徑損耗指數(shù)為2.94，標準差為3.83 dB。經(jīng)過數(shù)學擬合，典型平原高架橋區(qū)段GSM-R系統(tǒng)電波傳播大尺度路徑損耗公式如下:

若將參考點取為距離基站200 m處，該點的95%時間地點概率場強統(tǒng)計值取為－30 dBm，典型平原高架橋區(qū)段的電波傳播大尺度路徑損耗模型如圖2。

圖2 平原高架橋區(qū)段電波傳播大尺度路徑損耗模型

與準平原區(qū)段的電波傳播大尺度路徑損耗模型相比，被測典型平原高架橋區(qū)段的GSM-R系統(tǒng)大尺度路徑損耗指數(shù)要優(yōu)于準平原區(qū)段，如圖3所示。這與移動終端運行在高架橋上時接收天線較高、電波傳播條件較好有關(guān)系。

圖3 典型地形電波傳播大尺度路徑損耗模型對比圖

3.2.2 平原高架橋區(qū)段小尺度衰落模型

1．衰落頻度與速度關(guān)系。通過對不同速度條件下的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得到典型平原高架橋區(qū)段電波傳播衰落頻度與速度的關(guān)系，如圖4所示。

從圖中可以看出，衰落頻度隨著列車速度v的提高而增加。經(jīng)過數(shù)學擬合，可得衰落頻度與速度的關(guān)系為:N∧R=0.82v+272

圖4 典型平原高架橋區(qū)段衰落頻度與速度關(guān)系

相關(guān)系數(shù):γ=0.88。

2．衰落寬度與速度關(guān)系。通過對不同速度條件下的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得到典型平原高架橋區(qū)段電波傳播衰落寬度與速度的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 典型平原高架橋區(qū)段衰落寬度與速度關(guān)系

從圖中可以看出，衰落寬度隨著列車速度的提高而下降。經(jīng)過數(shù)學擬合，衰落寬度與速度v的關(guān)系為:

τ∧=274.6v+1.21

相關(guān)系數(shù):γ=0.94。

3．衰落余量與速度關(guān)系。通過對不同速度條件下的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得到典型平原高架橋區(qū)段電波傳播衰落余量與速度的關(guān)系，如圖6所示。

從曲線的整體趨勢來看，隨著速度的提高，衰落余量略有下降的趨勢，但變化趨勢不明顯。

對所有有效數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計后可得典型平原高架橋區(qū)段衰落余量的統(tǒng)計結(jié)果，如表5所示。

表5 典型平原高架橋區(qū)段衰落余量統(tǒng)計表

表5與表3對比，平原高架橋區(qū)段的衰落余量統(tǒng)計結(jié)果要略好于準平原區(qū)段。

4 結(jié)論及建議

1．準平原區(qū)段GSM-R系統(tǒng)大尺度路徑損耗指數(shù)為3.25，標準差為3.46dB，傳播路徑損耗模型為

2．典型平原高架橋區(qū)段GSM-R系統(tǒng)大尺度路徑損耗指數(shù)為2.94，標準差為3.83 dB，傳播路徑損耗模型為:

典型平原高架橋區(qū)段的電波傳播特性優(yōu)于準平原區(qū)段。

3．隨著列車速度的提高，衰落余量略有下降，但趨勢不明顯。工程設(shè)計中，平原高架橋、準平原和山區(qū)/丘陵等不同典型地形條件下，GSM-R電波傳播衰落余量取值可分別按95%統(tǒng)計值8.3 dB、9.8 dB和14.1 dB考慮。

［1］＜美＞ Henry L．Bertoni.Radio Progagation for Modern Wireless Systems［M］. 北京:電子工業(yè)出版社，2001，1.

［2］＜美＞ Theodore S．Rappaport.Wireless Communications Principles and Practice［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1999，11.

［3］田翠云，趙榮黎，蔣忠涌．移動通信系統(tǒng)［M］.北京:人民郵電出版社，1990，8.

［4］鐵道部科技司．科技運［2008］170.GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和服務(wù)質(zhì)量(QoS)測試方法(V1.0)，2008.

［5］藺偉，王學軍，沈京川等．GSM-R系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量和接收電平關(guān)系的分析與研究［J］.鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2011(2).