（交通信息工程及控制专业论文）GSMR无线覆盖的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 g s m r 是我国为了替代现有铁路集群移动通信，参考欧洲铁路标准建设 的铁路专用移动通信系统。由于铁路链状分布及铁路沿线复杂的地形，加之 行车安全和指挥等方面对列车的运行控制信息传输和抗干扰都有很高的要 求，所以小区覆盖范围和影响覆盖的干扰就成为g s m r 网络通信无线覆盖中 的核心问题，而且在通信网络实际建设和使用中已经出现并亟待解决。 本文分析研究了无线电波传播的基础理论。针对我国铁路现行的规范要 求，分析了速度对于中值电平取值的影响情况，采用经验覆盖模型结合新确 定的中值电平对铁路沿线六种主要环境及不同速度、不同基站高度下的路径 损耗和小区覆盖范围进行了仿真和分析，并讨论了列控系统等级转换与小区 覆盖范围的关系。 在初步确定覆盖范围的基础上，为了使覆盖更贴近实际、更合理，需要 对干扰的影响进行分析，使覆盖方案得到优化调整。本文分析了铁路沿线产 生同频干扰的相关原因，结合基站单小区双向覆盖以及网络冗余覆盖方式讨 论了覆盖范围、速度与同频干扰的关系以及由此对覆盖的影响。重点研究了 三阶互调干扰对于g s m r 覆盖范围的影响，并根据仿真统计得出的数据进行 了分析。还讨论了c d m a 系统对g s m r 系统的干扰，仿真分析了c d m a 杂 散干扰对于g s m r 覆盖中基站选址的影响。 最后结合小区覆盖模型、影响覆盖的干扰和实际的相关工程经验，使用 v c + + 6 0 仿真模拟了具有一定功能的g s m r 无线覆盖计算软件。 文中的一些研究和分析工作，希望对g s m r 系统通信覆盖的设计及应用 具有一定的参考价值。 关键词：g s m r ；覆盖；干扰 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t g s m - ri sa s p e c i a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mf o rr a i l w a yi no u rc o u n t r y , w h i c hr e f e r e n c et ot h ee u r o p e a nr a i l w a ys t a n d a r d i tc a r ls o l v et h ei n a d e q u a c yo f r a i l w a yt r u n k i n gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h er a i l w a yi sc h a i nd i s t r i b u t i o n ； t h et e r r a i ni s c o m p l e xa l o n g t h er a i l w a yl i n e i na d d i t i o n ，t r a f f i cs a f e t y , a n t i - j a m m i n g ，c o m m a n da n do t h e ra s p e c t so ft r a i no p e r a t i o nc o n t r o li n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o na n dh a v el l i 曲d e m a n d s t h ec o v e r a g ea r e aa n dt h ei n t e r f e r e n c eo i l t h en e t w o r kb e c o m et h ec o r ei s s u e so fg s m rw i r e l e s s c o v e r a g e i n t h e c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r kc o n s t r u c t i o na n du s eh a v ee m e r g e da n dn e e dt or e s o l v e t h ea r t i c l ea n a l y z e dt h eb a s i ct h e o r yo fg s m rw i r e l e s st r a n s m i s s i o n i n v i e wo ft h ee x i s t i n gr a i l w a y ss t a n d a r dr e q u i r e m e n t s ，a n a l y z i n gt h ei m p a c to ft h e s p e e df o r t h em e d i u ml e v e l t h e nu s e e x p e r i e n c ec e l lc o v e r a g em o d e la n d c o m b i n et h en e wm e d i u ml e v e l ，s i m u l a t i o na n da n a l y s i sp a t hl o s sa n dc o v e r a g e a r e ao ft h er a i l w a ys i xm a j o re n v i r o n m e n t a lu n d e rd i f f e r e n ts p e e d s ，d i f f e r e n tb a s e s t a t i o n sh e i g h t i nt h eb a s i so fi n i t i a lc o v e r a g e ，i no r d e rt or e a c hc l o s e rt ot h ea c t u a la n d r e a s o n a b l e ，t h ea f f e c to fi n t e r f e r e n c en e e d sf o ra n a l y z i n g ，s ot h a to p t i m a l a d j u s t m e n to ft h ec o v e r a g ep r o g r a m t h ea r t i c l ea n a l y z e st h er e a s o n so fc a u s i n g c o - c h a n n e li n t e r f e r e n c ea l o n gt h er a i l w a yl i n e ，c o m b i n i n gt h eo n ec e l lt w o - w a y c o v e r a g em o d e ；d i s c u s s i n gt h er e l a t i o n s h i p a n dt h e r e s u l t i n gi m p a c to nt h e c o v e r a g eo fc o v e r a g ea r e a ，s p e e da n dc o - c h a n n e li n t e r f e r e n c e f o c u so nt h ea f f e c t o ft h et h j r d o r d e ri n t e r m o d u l a t i o ni n t e r f e r e n c ef o rg s m - rc o v e r a g e a n di n a c c o r d a n c ew i t hs i m u l a t i o nd a t ad e r i v e df r o ms t a t i s t i c a la n a l y s i s d i s c u s s e dt h e i n t e r f e r e n c eo fc d m a s y s t e mt og s m rs y s t e m ，s i m u l a t i o na n a l y s i st h ea f f e c to f c d m as t r a yi n t e r f e r e n c ef o rt h el o c a t i o no fb a s es t a t i o ni ng s m - rc o v e r a g e c o m b i n e dc e l l c o v e r a g em o d e l ，t h e i n t e r f e r e n c ea n dt h ea c t u a lr e l e v a n t e n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e u s i n gv c + + 6 0s i m u l a t i o n sw i t hac e r t a i nf u n c t i o no ft h e g s m rc o v e r a g ec a l c u l a t i o ns o f t w a r e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 i ti sh o p e dt h a tt h ew o r ko fr e s e a r c ha n da n a l y s i si nt h i sp a p e rc a nb eo fs o m e r e f e r e n c ev a l u ef o r t h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no fg s m rs y s t e m k e y w o r d s ：g s m r ：c o v e r a g e ；i n t e r f e r e n c e 西南交通大学囱阐父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密函使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：宕酝姥 日期：汐7 ，7 留 指导老师签名：垒最砖， 日期：工矿1 ) 9 7 3 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均己在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 针对铁路沿线不同环境特征，结合h a t a 模型重新组合得到了不同路径损 耗情况下的小区最大覆盖范围，探讨了覆盖范围与列车运行控制系统等级转 换要求的关系。对于g s m r 无线覆盖中影响程度比较严重，且目前较少有研 究的系统内同频干扰、系统外互调干扰及杂散干扰进行了仿真分析研究。结 合覆盖范围和干扰因素使用v c + + 6 0 编程，仿真了一款g s m r 无线覆盖计 算软件供工程参考。 施绨 2 绑7 谬 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1g s m r 概述 g s m r ( g s mf o rr a i l w a y ) 全称为铁路综合数字移动通信系统，是我国参考 欧洲标准建设的铁路专用移动通信系统。由于集群移动通信解决方案所存在的 问题日趋突出【l 】，而g s m 的技术成熟，使用范围宽广，欧洲各发达国家都先 后将其引用到本国的铁路新干线和高速铁路通信中；所以g s m r 是在现有 g s m 技术标准上加入了适合铁路环境使用的要素以后，形成的适合铁路通信 的数字移动通信系统，目前此技术在世界各国己得到了广泛的认同。 g s m r 作为一种专门为铁路设计的专业无线数字通信系统，是针对铁路 通信列车调度、列车控制、支持高速列车等特点，为铁路运营提供定制附加功 能的一种经济高效的综合无线通信系统，并将铁路移动通信所具有的特色( 语 音广播呼叫v b s 、语音组呼v g c s 、增强多优先级与强拆e m l p p 等) 功能加入 进去，构成了专门适用于铁路移动通信系统的解决方案。g s m r 同时也是一 种数字集群通信系统，能提供无线列调、编组调车通信、应急通信、养护维修 组通信等语音通信功能。g s m r 能满足列车运行速度为0 - 5 0 0 k m h 的无线通 信要求，安全性好，保密性强，可靠性高，是铁路信号及列控系统数据的良好 传输平刽2 训。 g s m r 系统业务模型示意图如图1 1 所示【5 】。 匦匝匿匝圃 王画口 i 远程拧制 l l 轨道维护 l 。一一 美 1 丽聚菊酥f 路 i 坠! 型窭：堂竖! 旦l 应 二二互塑耍堑互二二 用 二二亘巫耍亟匠 圈圈盈 高级语音呼叫e 回 回 固 图1 1g s m r 系统业务模型示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 g s m r 的业务模型可以概括为g s m 业务+ 语音调度业务+ 铁路应用。目前 已经在使用的g s m r 系统基本上可以满足铁路运输信息业务的以下功能：机 车同步操作控制系统的信息传输、列车控制系统的信息传输、调度通信、无 线车次号信息、c t c 调度命令的传送、列车尾部风压信息传送、机车综合监测 信息传送、客车运行安全监测系统信息传送、旅客移动信息服务系统的信息传 送、大型编组场车站综合移动信息服务系统的信息传送、区间移动通信与公务 移动通信。 我国选择g s m r 替代现有铁路的模拟通信系统，将使铁路通信制式统一 化，为进一步提高铁路通信技术含量，改进铁路运营效率，进一步向国际先进 水平靠拢，从而最终实现我国铁路业的跨越式发展。到目前为止，除在作为试 点线路的青藏线、大秦线和胶济线等的使用外，已经开始并将逐步在全国各条 铁路干线和新建城际客运专线上推广使用。 1 2 国内外研究现状 g s m r 网络覆盖工程是一项复杂的系统工程，其特殊的无线传输环境决 定了其网络及电波传播的特殊性，覆盖手段的多样性。 在g s m - r 网络覆盖中，小区覆盖范围是一个值得特别关心的问题，我国 高速铁路的发展和运营对于g s m r 系统的无线传输信息有着高速、可靠、安 全、大容量的特殊要求，因此其对相应的无线网络覆盖技术方面的要求也不同 于一般通信使用的g s m ，需要综合考虑不同的影响因素，以满足其在各种特 殊环境下的正常使用。目前，国内外针对g s m 系统小区覆盖范围的研究很多， g s m r 系统虽然可以借鉴，但是有许多方面的指标却还是没有达到高速铁路 无线通信的需要，有些方面也没有达成共同一致的认识，更没有成功的经验可 供借鉴。 所以，在初步确定基本覆盖范围的基础上，如何成功解决干扰问题也就成 为决定g s m r 传输质量的关键指标，成功解决干扰问题就能够指导建设更好 的g s m r 覆盖网络。文献 6 8 对g s m r 覆盖中来自外部的同频干扰、领道 干扰进行了深入的研究，对于g s m r 覆盖研究有积极的参考意义。在综合试 点线路的青藏线、大秦线和胶济线出现不同程度的问题后，虽然现在有铁路 g s m r 数字移动通信系统工程设计暂行规定这个对于g s m r 覆盖的指导性 文件，但是仍然要求结合高速铁路的运营的现场实际环境对无线覆盖方案进行 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 修正。 1 3 论文的研究背景及意义 g s m r 与g s m 系统追求最大用户系统容量不同，g s m r 系统侧重于系 统的有效性、安全性和可靠性，这是铁路运营的特殊需求，因此g s m r 更注 重网络的覆盖，其中小区覆盖范围和影响覆盖的干扰因素是g s m r 网络覆盖 的核心问题，二者不但共同影响着网络的服务质量还影响着整体工程建设的成 本，在几个试验线的建设和使用中已经出现因此需要尽快解决。 文献 9 在过多估计链路损耗裕量的基础上给出了决定无线覆盖范围的最 小接收电平值( 中值电平) ，这样得到的g s m r 小区覆盖范围偏小，在实际中 采用会导致基础设施、设备的增加不利于节约投资；文献 1 0 给出的中值电平 又过于笼统，因此需要根据不同铁道线路的现场实际，确定适合不同铁路运营 现场实际情况的适当电平值。在取得适当中值电平的基础上，选择合理的覆盖 模型就能够得到贴近实际的覆盖范围，而选择的覆盖模型中有着各种环境类型 的情况，不一定全部都适用于不同的铁路环境，所以需要选择恰当的环境组合 来进行无线覆盖以适合铁路通信系统所处的不同环境。 我国g s m r 系统目前使用的频率，不是按照国际铁路联盟推荐的上行链 路8 7 6 8 8 0 m h z ，下行链路9 2 1 9 2 5 m h z 1 1 】，而是采用频率空间分割共用方式， 这样的频率空间分割共用方式就为g s m r 覆盖埋下了不少的干扰隐患。以前 虽然已有许多关于g s m r 覆盖以及抗干扰的研究，但是到目前为止，针对 g s m r 覆盖中网络内部同频干扰与速度以及覆盖范围的关系、g s m 与g s m r 网络互调干扰、c d m a 网络对g s m r 网络的干扰却鲜有或较少研究。而且， 在g s m 网络中这些干扰已经通过各种手段避免和减小的干扰，现在却由于 g s m r 与g s m 系统在频率空间分割共用、覆盖不当和各自的需求特点，使得 这些干扰在g s m r 网络中又再度出现或被加强，降低了g s m r 网络的服务 质量，这就需要将这些干扰与覆盖范围一起统筹考虑，以完善g s m r 覆盖， 从而达到铁路专用通信的要求。 g s m r 无线覆盖的目标是建造成符合铁路运营业务的基本需求，具有一 定服务等级的移动通信网络。这就需要考虑铁路在各种环境以及不同环境情况 下的覆盖范围和影响覆盖的干扰进行相关数据计算，确定能够满足不同需求的 具体数值，以便用最少的工程投资，建成适用于铁路运营需要的g s m r 无线 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 覆盖网络，但是目前却还没有专门针对g s m r 无线覆盖相关数据的计算软件。 1 4 论文的研究内容 本文将首先对无线电波及传输的基础理论进行分析，为后面的研究讨论奠 定基础。然后在文中将分析速度对于中值电平的影响情况，结合h a t a 预测模 型，研究不同环境、不同速度下的g s m r 小区覆盖情况，同时讨论列控系统 等级转换与覆盖范围的关系。其次，将针对影响g s m r 无线覆盖的同频、互 调和杂散干扰进行分析研究，讨论高速与覆盖中的同频干扰以及覆盖范围的关 系；对g s m r 与g s m 频谱的分配情况进行比较，分析互调干扰的成因，建 模仿真分析g s m 对g s m r 覆盖的影响；分析c d m a 网络对g s m 。r 网络的 影响，对杂散发射值对基站水平隔离距离的影响进行仿真分析。最后，本文将 在讨论铁路在各种环境以及不同环境情况下的覆盖、考虑影响覆盖的相关干扰 因素，以及进行相关数据计算以后，结合覆盖范围、干扰对覆盖的影响、上下 链路平衡等方面的基础上，仿真具有一定功能的g s m r 覆盖计算软件，并分 析其中的原理和功能，给出一个“g s m r 无线覆盖计算软件”供参考。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章无线电波传播理论 g s m r 是根据铁路发展和铁路通信的需要，在g s m 基础上结合铁路运营 环境等综合要素后建立起来专门用于铁路通信的移动通信系统，g s m r 系统 有其自身的特点，其承载的业务决定了g s m r 对通信的覆盖、服务质量和网 络有效性、可靠性和安全性的要求，因此对于其无线电波传播基础理论有必要 作进一步的分析研究。 2 1 电波传播理论 在无线电波传播中，大多数的讨论都以无线电波在自由空间的传播作为最 基本、最简单的参考。在研究电波传播问题时，自由空间的概念为比较各种传 播环境提供了一个参考标准，并简化了场强和传输损耗的计算。 虽然无线电波传播总是要受到实际介质或障碍物不同程度的影响，但在研 究具体的无线电波传播时，如果实际介质与障碍物对电波传播的影响可以忽 略，则在这种情况下的电波传播可以认为是自由空间传播。但在工程设计中， 更通用的方法是以自由空间的计算结果为基础，考虑实际环境各种因素的影响 对结果加以修正和调整，从而得到一个比较符合实际情况的结论。 当电波在自由空间传播时，离开发射天线的距离为d ( m ) 时，自由空间场 强可用下式表利挖j ： e 。：塑霉( 2 - 1 ) 口 式( 2 1 ) 中，厶为场强( v h ) ；只为辐射功率( w ) ；g f 为发射天线功率增益。 理想的全向天线在所有方向上均匀辐射，故g 。= 1 。 通常场强以分贝( d b ) 表示，则： e o ( d b m ) = 7 4 7 7 + 1 0 l g p ，( w ) + 1 0 1 9 g , 一2 0 1 9 d ( k m ) ( 2 2 ) 当电波在自由空间传播时，设在波束中心轴向相距为d 的地方，用增益g 的天线接收，则接收信号功率可由下式表示： e = 只g f g r ( 去) ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中，只为天线发射功率；g ，为发射天线功率增益；五为波长。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 4 酬名) 2 即为自由空间传播损耗。于是有： = ( 警) 2 ( 2 - 4 ) 通常用分贝表示为【1 2 】： - w d b = 9 2 4 4 + 2 0 l g d ( k m ) + 2 0 l g f ( g h z )( 2 5 ) 或 w d b = 3 2 4 4 + 2 0 1 9 d ( k m ) + 2 0 1 9 f ( m h z )( 2 6 ) 对于9 0 0 m h z 系统： l p 【d b 】- 9 1 5 3 + 2 0 l g d ( k m )( 2 7 ) 式( 2 4 ) 表明电磁波在自由空间以球面形式传播，电磁场能量将产生扩散， 接收机只能接收到其中一部分，其他部分则被实际地形、地物、环境等因素所 阻挡、反射、绕射和散射，或由于传输距离等因素作用产生衰减，从而形成一 种损耗。 在移动通信中，当距离很小且有直射波时，如在微小区中，或收、发在同 一室内时，其传播损耗非常接近自由空间的情况，和距离d 的平方大约成正比。 2 2 移动无线信道 移动无线传输信道的主要特征是多径，多径传播是由于无线传播受环境的 影响，在电波的传播路径上产生了反射、绕射和散射，这样当电波传输到移动 台的天线时，信号不是由单一路径传来，而是由许多路径传来的多信号的叠加。 因为电波通过各个路径的距离不同，所以到达接收机的时间、相位都不一致， 从而导致在接收机中产生信号叠加，出现信号加强和减弱的情况，使接收信号 幅度急剧变化，于是产生多径快衰落，多径快衰落将会严重影响信号的传输、 接收质量。 2 2 1 多普勒频移 当移动台在运动中通信时，特别是在高速情况下，接收端所接收的信号频 率会发生变化，称为多普勒效应。多普勒效应所引起的频率的偏移称为多普勒 频移( d o p p l e rs h i f t ) 。当移动台以恒定速率v 在a 和曰点之间运动时，收到来自 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 远处基站发射的信号。基站发射的无线电波在么点与b 点分别被移动台接收， 其间的路径差为= d c o s 0 = v t c o s 0 ，d 是4 和b 之间距离，& 是移动台从彳 运动到b 经过的时间，0 是移动台与入射波的夹角。由a 和b 点之间路程差造 成的接收信号相位变化值为： 由：2 n 2 d = 2 r t v tc o s0( 2 8 ) 九九 由此可得出频率变化值，即多普勒频移厶为： 厶= 磊1 等= s 0 ( 2 - 9 ) 多普勒效应示意图，如图2 1 所示【1 3 】。 兰广b 兰葛o 墨皇_ r v 图2 - 1 多普勒效应示意图 由式( 2 9 ) 可以看出，多普勒频移与移动台速度有关，还与移动台的运动方 向和无线电波入射方向之间的夹角有关。移动台朝向入射波方向运动，则多普 勒频移值为正( 即接收频率上升) ；移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移 值为负( 即接收频率下降) ；移动台沿电波的垂直方向移动时，则没有多普勒频 移。 根据式( 2 9 ) 可以仿真出列车处于不同运行速度之下的多普勒频移变化情 况，如图2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 霄 毛 笔 专 鲁 置 旨 屯 辣 熹 孬 伽 抵 鬟d 2 不圊速度下多普勒额移交化四 - ， 、 z 2 0 k m ，h 、i 一一2 e 1 0 k m l b 一、 、 一鬟习k m ，h 。、j 。i 一、 - ，、 飞 太 j j 、 、 ，、- 、 、一 、 、 - 由图2 2 可知多普勒频移的大小在低速的情况下变化相对较小，而在高速 情况下则有较大的变化。 2 2 2 多径信道 多径信道对无线信号的影响表现为多径衰落特性。设传输信号为f 1 4 1 ： x ( t ) = r e s ( t ) e x p ( j 2 z c f 。f ) ) ( 2 - 1 0 ) 式( 2 - l o ) 中，工是载频。 当信号通过无线信道时会产生多径效应，假设第i 径路径长度为置，衰落 系数为口，则接收到的信号表示为： y ( t ) = 军口烈r 一詈) = 莩口，r e 敝，一詈) e x p j 2 矾。一詈) 】 = r e ；a i s o 一詈) e x p j 2 万( f 。t - 暑) 】 ( 2 - 1 1 ) 式( 2 1 1 ) 中，c 为光速，五= c 五为波长。 推导可以得出接收信号的包络： y ( t ) = r e 厂( f ) e x p ( 2 矾f ) ( 2 12 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 其中，( f ) 是接收信号的复数形式： 厂( f ) = 莩口，e x p ( 一2 万号m f 一詈) - ) ，1 a ie x p ( 一2 正t ) 一t ) ( 2 - 1 3 ) 式( 2 1 3 ) 中，t - i = x ，c 为时延。，( f ) 实质上是接收信号的复包络模型，是衰 落、相移和时延都不同的各个路径的总和。 考虑移动台移动时周围散射体较为杂乱，则多径的各个路径频率将发生变 化，这种变化就是多普勒效应。设路径f 的到达方向和移动台运动方向夹角谚， 路径变化量为缸，= 一v t c o s e , ，信号输出的复包络变为： ，( f ) ：a ie x p ( 一j 2 x 型等) s ( f 一型鱼) = ；口f e x p ( _ 伽e 则2 万愀一詈+ 半) ( 2 - 1 4 ) 简化上式，忽略信号的时延变化量兰盟在s o 一兰- i - v t c o s 0 ，) 中的影响， ccc 因为兰咝的数量级比兰小得多， cc 但婴! ! ! 堡在相位中不能忽略，则 c m ) = ；口，e x p j 2 刀( 云r c 。s 只一号( ，一詈)i几c = ；a , e x p j 2 t r ( f , t c o s 只一号) m 卜t ) = 口ie x p j ( 2 9 0 c m t e o s o i 一2 矾t ) m t ) = 口f s ( t t ) e x p - 圯矾乃一2 n f , t c o s o i ) ( 2 1 5 ) 式( 2 - 1 5 ) 中，厶是最大多普勒频移。 2 3 慢衰落 在移动通信中，统计表明当信号电平发生快衰落的同时，中值电平还随地 点、时间以及移动台的移动速度做比较平缓的变化，称作慢衰落。另外由于大 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 气折射率的平缓变化，使得同一地点处所收到的信号中值电平随着时间做慢变 化也称作慢衰落。慢衰落是由接收点周围地形地物对信号反射，使得信号电平 在几十米范围内有大幅度的变化。当移动台在没有任何障碍物的环境下移动， 其所处在某处的信号电平只与该处到发射机的距离有关。慢衰落近似服从对数 正态分布，以分贝为单位表示的时候，其分布就是正态分布，其概率密度函数 如下【1 5 】： m ) = 丽1 e x p - 譬】 ( 2 - 1 6 ) 1 瓜o 0 6 0 6 瓜o m 一2 0 m 一仃mm + 仃m + 2 0x 图2 3 对数正态分布概率密度函数 式( 2 1 6 ) q b ，x 为信号中值分贝值，m 为信号中值x 的均值，仃为信号中值 x 的标准偏差。正态分布中，均值就是中值，其累计概率分布函数只由标准差 仃决定。标准差仃取决于地形、地物和工作频率等因素，郊区比市区大，工作 频率高，仃也随之增大。 为了防止因慢衰落引起的通信中断，在信道设计中必须使信号的电平留有 足够的余量，以使中断率小于规定指标，这种电平余量就称为慢衰落储备。当 信号的电平在留足适当的电平余量作为慢衰落储备以后，可以不再考虑信号慢 衰落对通信系统( 可能发生通信中断) 的影响。 2 4 覆盖概率 覆盖概率是描述无线电波覆盖情况的最重要的指标之一，由于阴影的影 响，覆盖区内一些位置的接收电平低于设定的门限，因此计算边界内覆盖区的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 概率与边界处边缘覆盖概率的关系有十分重要的意义。 无论是基于理论的传播模型还是通过测试所建立的传播模型，所得出的结 果都指出平均接收信号功率是随距离变化呈现对数衰减的。对于任意的收发距 离，平均大尺度路径损耗表示为【16 】： i 一 ， p l ( d b ) = p l ( d o ) + 1 0 n l g ( - ；- ) ( 2 1 7 ) “o 式( 2 1 7 ) q b ，刀为路径损耗指数，d 为收发距离，d 。为参考距离，对于宏 蜂窝系统通常使用l k m 作为参考。当考虑相同收发距离的环境下，对d ，特定 位置的路径损耗p l ( d ) 是随机正态对数分布的，即： i a p l ( d ) d b 】_ p l ( d ) + 以= 儿( d o ) + 1 嘶1 9 云卜l( 2 1 8 ) p r ( d ) e d b m 】= 科衄，z 卜p l ( d ) d b 】 式( 2 1 8 ) 中，x 仃为零均值的高斯分布随机变量( d b ) ，仃为标准差( d b ) ， p l ( d 。) 是基于测试或估算的。 由于p l ( d ) 为正态分布的随机变量，可写成e ( j ) ，e ( d ) 是其均值，用q 函数可以确定接收电平超出正常值的概率。则边界处边缘接收信号电平超过7 的概率为： p r e ( d ) 明：q ( z 二幽) ( 2 - 1 9 ) 仃 式( 2 1 9 ) 中，q ( z ) = 去x p ( 一手) 出= j 1 1 一e r f ( 云2 - 2 ) 。 假设接收信号门限电平是7 ，有效服务区域的概率为u ( y ) ，d = ，表示与 发射机的距离，如果p r p ，( d ) 门是在范围纵内接收到信号在d = ，处超过门 限7 的概率，则： 【，( 力2 嘉，p r 盼) 删- - , 。j - 。j - p r 撕) 明删秒 ( 2 2 。) 由式( 2 18 ) 和式( 2 19 ) 得。 p r 驰) 力= q ( 掣) = 丑形( 掣) 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 = ! 一三形( 上旺竺塑竖里坳) ( 2 - 2 1 ) 22 。、 q 2 t y 7 为确定小区边界r = r 的路径损耗，有： 瓦( ，) = 1 0 刀l g ( r ) + 1 0 n l g ( 云) d + 瓦( 民) (222)o r 则式( 2 2 1 ) 变为： p r 【e ( ，) 门 了1 尹1 ( 业挫煦与笋型掣坳) ( 2 仍) 设口= ( y 一只+ p z ( d o ) + 1 0 n l g ( r d o ) ) 2 仃，b = ( 1 0 n l g e ) 压r r ，则： = 三一古护( a + b l n r ) r d r ( 2 _ 2 4 ) 令t = a + b l g ( r r ) ，则式( 2 2 4 ) 变为： u ( = j 1 1 - 形( 口) + e x p ( 半) 1 一形丁1 - a b ) 】( 2 - 2 5 ) 选择信号电平，即万( 贝) = 厂( 口= o ) ，u ( 7 ) 可表示为： 【，( = j 1 1 + e x p ( b l - - t ) ( 1 一形( 扣( 2 - 2 6 ) 从而通过式( 2 2 6 ) 建立起了边缘覆盖概率和区域覆盖概率之间的关系。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第3 章g s m r 无线覆盖范围 g s m r 无线系统设计的主要工作是小区覆盖设计，衡量设计的效果主要 考虑四个方面的指标：容量、覆盖范围、质量、费用。通常要求系统设计最好 能够同时达到这几个方面的要求，也就是希望设计出的g s m r 系统的用户量 大、覆盖区域大、服务质量高以及网络单元数量最少。由于g s m r 小区覆盖 范围会直接影响到通信质量等各个方面，而铁路通信对系统的有效性、可靠性 和安全性要求高，因此在进行无线覆盖时必须首先考虑小区覆盖范围。 3 1g s m r 覆盖模型 通常无线电波传播模型被分为经验模型、半经验或半确定性模型、确定性 模型【17 1 。经验模型是根据大量的测量结果统计分析之后导出的公式，虽然经验 模型可以容易和快速地计算路径损耗进行g s m r 系统设计，但是它们并不能 提供非常精准的路径损耗值。尽管有这些缺点，但是经验模型在实际使用中对 于数据收集要求相对较少，并可以通过对需要预测的各种环境的模块化组合来 得到贴近实际的完整设计，再借助现有高性能计算机便可以进一步实现快速详 细的设计，所以被广泛的使用。 由于g s m r 网络是以g s m 网络为基础的，因此需要考虑宏小区、微小 区和微微小区这三类覆盖环境。针对这三类覆盖环境尽管有很多经验传播模型 可以使用，但是移动通信环境的多样性却决定了每个经验传播模型都是对某特 定类型环境设计的，不能脱离特定环境随便使用。铁路自身是带状结构，车站 地区采用面状覆盖，在区间沿线则采用链状网络覆盖；所以，本章将针g s m r 系统对铁路沿线覆盖的广大范围进行研究，而铁路沿线覆盖范围可以归为宏小 区类型，故需要选择合适的宏小区传播预测模型进行研究。 目前针对宏小区的无线电波传播的预测模型主要有：o k u m u r a ( 奥村) 模型、 o k u m u r a h a t a 模型、c o s t 2 3 1 - h a t a 模型、c o s t 2 3 1 - w a l f i s c h i k e g a m i 模型等。 3 1 1o k u m u r a h a t a 模型 o k u m u r a 模型是奥村根据日本大量测试数据统计出的以曲线图表示的传 播模型，该模型是预测使用最广泛的模型，以准平坦地形大城市的中值场强或 路径损耗为参考，对其他传播环境和地形条件等因素分别以校正因子的形式进 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 行修正。o k u m u m ( 奥村) 模型属于经验模型，其数据只能以曲线形式被使用， 使用起来很不方便。而h a t a t 体】将曲线解析化为公式，给出了l o s s ( 损 耗) - - a + b l o g d 的简单公式表示，式中a 和b 是频率、天线高度和地形类型的 函数，d 是收发之间的距离。中值路径损耗的基本公式被国际无线电咨询委员 会( c c i r ) t 1 9 】采纳，其基本表达式为： 上打= 6 9 5 5 + 2 6 1 6 1 9 f 一1 3 8 2 1 9 h b + ( 4 4 9 6 5 5 1 9 h b ) l g d a ( h 。) ( 3 1 ) 式( 3 1 ) 中，厂是频率( m r - i z ) ，d 是t - r ( 发射机与接收机之间) 距离( k i n ) ，氏 是基站天线的有效高度( m ) 。h a t a 公式被限制使用在1 0 0 - - + 1 5 0 0 m h z 频率范围， 距离在1 一- 2 0 k m 之间，基站天线有效高度在3 0 , - + 2 0 0 m 之间，移动台天线高度 从1 1 0 m 。对于移动台天线高度h 。，使用有效移动台天线高度修正因子a ( h 。) ， 是覆盖区大小的函数，它在各种环境中的