（通信与信息系统专业论文）京沪高速gsmr网络规划与优化设计.pdf

北京交通大学硕士学位论文 1 1 综述 第一章绪论 铁路通信是通信最早涉及的专用领域之一，从1 9 世纪末铁路第一次 引进到中国开始，铁路通信也伴随着成长起来，目前已经成为铁路运输 和组织不可缺少的手段之一。 铁路通信由于行业特色和技术发展限制，一直比较缓慢，近年来由 于工业化规模的迅速扩大，铁路在国民生产中占有的地位越来越重要， 作为铁路业务支持的通信技术也迅速发展起来，发挥着重要的作用。 铁路通信从无到有，从有线到无线，从简单的功能到综合业务网， 经历了上百年的历史。目前中国铁路形成了自己的铁路通信网，覆盖全 国3 0 多个省、市、自治区，拥有覆盖全国6 5 ，o o o 公里铁路沿线的通信 网络资源，是中国第二大公众电信网。该网络包括覆盖全国的7 0 ，0 0 0 多公里先进光纤骨干网络，1 2 ，o o o 公里数字微波，7 0 座卫星地面站， 2 3 4 个v s a t 站。以a 1 m 为骨干拥有3 万端口的数据交换网可满足各种 信息的组网要求，已经形成具有相当规模的长途通信网、本地交换网、 数据网、综合信息服务网等，具有建立全国性电信网络及发展业务的有 利条件和基础设施资源。 根据中国铁路中长期发展规划，我国将在今后一段时间重点兴建超 过2 0 0k i l 汕的高速铁路网，实行全网调度集中、列车精确定位、列车自 动控制等先进的行车管理手段，对通信技术提出了更高更严格的要求。 北京交通大学硕上学位论文 1 2铁路无线通信系统 1 2 1 无线列调系统 现有无线列调系统不能满足京沪高速铁路调度集中指挥方式的需 要，特别是区问运营速度达到3 5 0k f n m 时，由于多普勒频移和多径干扰， 模拟无线列调存在严重的失真，不能实现无线数据的可靠传输。另外， 无线列调还存在开放、通话无序、信道单一和不能适应开益增长的数据 移动通信需要等问题。各国的高速铁路己逐步将模拟无线列调方式改造 为综合数字无线通信方式，基本上停止使用模拟无线列调方式进行通信。 1 2 2t e t r a 系统 采用时分多址技术，近两年才进入市场，该系统最为引入注目之处 是标准的开放性，其标准由欧洲电信标准协会( e t s i ) 制定。 t e t r a 的主要优点在于它在同一技术平台上提供指挥调度、数据传 输及电话服务，仅通过一套系统就可以满足综合无线通讯的需求；由于 t e n m 是数字式标准，在整个覆盖区域内，话音传送清晰度与质量不会 有任何降低，为保证保密性，可以方便地采用数字加密技术。 t e t i t a 工作频段有4 0 0m h z 和8 0 0m h z ，使用t d m a 方式，在一 个载波上4 个逻辑信道。载波频率问隔2 5 k h z ，较高的频谱利用率。 t e t r a 可以共享所有的无线通道，并且这些无线通道可以按需要分配给 用户进行话音和数掘传输，可以支持点到点、点到多点的通信。 t e t r a 还具有以下特点： 2 北京交通大学硕士学位论文 同步语音与数据：有能力利用相邻的t d m a 时段( 语音数据交替) 来 实现从一台用户终端的同步语音与数据传送。 高数据速率：允许所有四个t d m a 时段都进行数据传送，净通过量 ( 无保护) 高达2 8 8 k b p s 。 t e t r a 没有针对铁路用户需求制订相应的标准，未见世界上进行过 干线铁路应用的可行性研究与分析，末针对干线铁路应用作过现场试验， 特别是没有任何国家高速铁路应用的研究与试验。 在高速铁路中采用t e t r a 存在以下不足： t e t r a 设计的中心是大基站覆盖区为基本单元的区域网结构，上层 交换系统及各交换系统之间互联能力、允许用户漫游能力薄弱，对铁路 需要频繁的用户网间漫游和全国联网的需求，功能明显不足，需要做二 次丌发。t e t r a 不能满足铁路信号需求，如列车控制系统和远程控制。 t e t r a 技术的主要应用范围是城市中的移动调度网，适应的移动速 度不超过2 0 0 k i l l t l ，计算机仿真速度实现了5 0 0 l 【i i l h ，目前尚无计划进 行现场试验，高速铁路条件下的越区切换、数据传输等指标，尚待研究 丌发与验证。 在铁路交通运输领域，目前t e t i 认适用于地铁、轻轨铁路调度使 用。对全国干线铁路全网络配置和高速铁路应用，还需要在解决高速问 题、越区切换、列车控制和网际互连等方面进行大量的丌发，若在全国 大规模应用将大大增加投资成本。t e t r a 是针对专业部门的通信需要设 计的，具有完备良好的调度功能，包括群呼、组呼、个别选呼、广播呼 叫、与有线电话互连、动态重组、区域选择、迟后进入呼叫、侦听、排 3 北京交通大学硕_ 上学位论文 队和预占优先、紧急呼叫强拆信道、状态信息和短数据功能、呼叫转移 ( 无条件呼叫转移、用户忙呼叫转移、被叫不可到达呼叫转移) 等。 1 2 3g s m r 综合数字移动通信系统 g s m r 是为欧洲铁路开发的标准，欧洲铁路用了将近1 2 年的时间 来制定和开发相应的技术规范，并进行大量的测试试验，与之配套的铁 路项目包括欧洲铁路列车控制系统( e t c s ) 、欧洲查询应答器 ( e u r o b a l i s e ) 。g s m - r 、e t c s 、e u r o b a l i s e 共同构架欧洲铁路运 输管理系统( e r t m s ) 。 g s m _ r 正在成为许多国家研究和试验的标准，印度已经确定试验基 于g s m r 的e t c s 第二级，美国也已经开始进行现场试验和大规模论 证阶段。 欧洲在高速铁路方面进行了大量的试验，并成立m o r a n e 财团和 e m e n e 标准化组织，整个工作已经圆满结束。高速铁路现场测试速度 超过3 0 01 ( 1 1 1 l l ，试验室模拟速度达到51 5h 汕。 g s m r 的标准包括以g s mp h a s e 2 + 为基础的骨干标准和针对铁路 特殊应用的欧洲铁路综合无线增强网络( e i i 也n e ) 标准。前者包括商 用g s m 标准部分( 包括电信业务和补充业务) 、通用集群功能( 包括组呼、 广播呼叫、优先级、强插强拆等) ；后者包括功能寻址( 车次、机车、客 车、调度作业、铁路维护等功能呼叫) 、与位置有关的寻址、f o l l o wm e 功能、直接模式、调车编组作业通信、列车自动控制数据传输业务等。 4 北京交通大学硕士学位论义 1 3 论文关注的研究点 高速铁路通信系统是一个全新的领域，在国外一些国家已经开始进 行商业化运营，取得了良好的效果，我国铁路部门也对高速篱i 萎雾薹番罂垂妻到；矗垄曩姒鬻事年蹙隔臻盛 鞘餐鬃掣三堕剽酗叭蝉蓄。 臣掣争古剥擎蜊攀馨丑纳理饔矮塑堪嚆嘲臻瑶哺崔gj 霎莲嚣屿 匀降 支陟阿掳坩嘲砸囊霜晒疆鳙是我国交通运输网比较发达的地区之一，又是 当前我国交通运输能力最紧张的一个地区。 京沪运输大通道连接京、沣、唐环渤海经济带和沪、宁、杭长江三 角洲经济带，是东北、华北通往华东的必经之路，长期以来，由于通道 运输能力严重不足，旅客滞留，货物堵塞，乘车难、运货难已成为严重 的社会问题，成为制约本地区经济发展的最主要“瓶颈”。 中国从2 0 世纪9 0 年代开始着手高速铁路建设的研究、试验，1 9 9 4 年1 2 月，国家科委、铁道部等联合组织的“京沪高速铁路重大技术经济 问题前期研究”课题组提交的报告称：修建京沪高速铁路迫在眉睫，自 此京沪铁路建设项目正式进入世人面前。虽然十年来国内各界围绕磁悬 浮、轮轨、摆式列车争吵不休，但一致的意见还是要尽快修建这一高速 铁路，以建设京沪铁路为契机，拉开中国高速铁路建设的序幕。 2 2 京沪高速铁路沿线地貌模拟模型 2 1 2 1线路技术参数： 北京交通大学顾十学位论文 1 4论文的主要工作 1 4 1 高速环境下移动通信的可行性分析 移动通信在公众网通信已经得到充分的验证，在步行及平均车速 1 0 0 k m 1 1 的情况下，可以很好的完成通信的需要，经过几十年的理论研 究和实际验证，移动通信已经成为成熟的技术应用到日常生活和工业生 产中。在高速移动环境( 时速在3 0 0 h 沛以上) 下的移动通信并没有大 规模的应用，特别是应用在安全系数要求很高的铁路行车和运输中，对 网络的可靠性和稳定性提出了严格的要求。本文从理论角度出发，结合 当今世界一些国家的高速通信试验和国内f 在开展的g s m r 试验网络 建设，对高速移动通信的几个关键问题进行了论证，主要是越区切换的 保证、多普勒频移的影响、双层网络以及网络建设中可靠性的保证。 1 4 2京沪铁路g s m r 网络规划和优化建议 网络规划和优化是一个通信网络服务质量好坏的关键所在，g s m 网 络的多年的建设和维护经验，给g s m r 网络提供了丰富宝贵的经验， 但是铁路通信网络又有其独特的特点和需求，也要求网络规划和优化因 地制宣，对整个网络进行整体和细致的规划才能够满足通信的容量和安 全的要求。g s m r 与中国移动共享频段，给两个网络的之问的协同工作 带来巨大的困难，京沪高速经过地方有繁华的都市也有偏僻的山村，网 络优化工作复杂多变，要求工程人员对整条线路的情况十分了解。论文 结合现有移动通信网络的规划及优化经验，针对青藏铁路试验段g s m r 北京交通大学硕上学位论文 2 3 2越区切换 越区切换是( h a n d o v e r ，简称切换) 是指移动台在呼叫过程中，从 一个服务小区切换到另一个服务小区时，维持呼叫进行的过程。 越区切换的过程可分为四个阶段：触发、扫描、选择和执行： 触发：基站检测到移动台需要进行越区切换( 同门限值比较) ； 扫描：基站决定出满足切换的几个小区进行排队，做成小区列表， 将其放在切换指示信息发送给b s c ； 选择：在b s c 中，业务管理功能( t m g ) 决定选用哪个小区作为 目标小区来进行优先选择； 执行：分配、激活一个信道，然后切换到此信道上继续通话。 对于属于专用移动通信网的g s m r 系统来说，越区切换对保障铁 路移动通信的高可靠性和有效性起着举足轻重的作用，与公网越区切换 存在一些差异： 应用于铁路的移动用户群是额定功率为8 w 的车载设备，完成机车 通信和无线机车信号的传输，在对铁路环境进行越区切换前期分析 的链路预算时，需要重点考虑8 w 移动台的情况。 独特的线状小区分布使得越区切换产生新的问题，在越区切换即将 发生时，只有个或两个小区在合适小区列表中，目标小区的选定 比较明确，因此执行适合于高速环境的提前切换技术会更有优势。 重叠区域的设置会对越区切换的影响很大。如果重叠区太小，可能 会出现弱场，导致切换中接收不到信息而掉话；如果重叠区太大， 北京交通人学硕士学位论文 同频干扰增大，切换时间会很长，不易控制，因此要想解决好铁路 沿线的切换问题，首先需要恰当设计重叠区域的大小。 铁路沿线小区的重叠区域非常单一，不会出现在一个地理位置上存 在众多小区的覆盖，由于其移动终端的平均运动速率较高，但切换 所需的时间是一定的，因此在重叠区上的设置会做相应的增加。 2 3 2 1 适应于铁路的新邻小区表设计方案 在铁路环境中，由于小区为沿线铺设，相邻小区只有前后两个，而 且目标小区只可能是这两个小区中的一个，如果同时知道列车的运动方 向，那么目标小区随即就可以确定，不需要通过对众多邻小区的测量结 果进行排队以获得目标小区等复杂过程。 新的邻小区表设计方法为： 在铁路的线状分布下，建议将切换邻小区列表中容纳的小区数由6 个减少为2 个，节省部分浪费掉的存储空间，可以利用邻小区少的优点， 预先将两个相邻小区用于切换的相关信息( 如b s i c 、f c c h 、s c h 编码 等) 预先存储起来，放在预存储邻小区表中，免去移动台对邻小区预同步 以便获得这些信息的过程，而这些信息都是需要在切换执行时放在切换 命令消息中发送给移动台的，预存储邻小区表存放在b s c 单元中。移动 台在切换前的预处理工作只需对本小区的上下行链路和预存储邻小区表 中的小区下行链路进行测量，并将测量结果发送给b t s ，符合切换条件 的小区才被列入切换邻小区表中。 对于运动速度低于某一速度( 例如3 0 k 州h ) 的移动台，目标小区的选 1 4 北京交通大学硕士学位论文 单元。作为铁路专用的网络，g s m r 可以有限地、有条件地与地面的公 众或专用网络进行互连。 一个g s m r 陆地移动系统由若干个功能实体组成，这些功能实体 所实现的功能的集合就是网络能够提供给用户的所有基本业务和补充业 务，以及对于用户数据和移动性的操作和管理。g s m _ r 陆地移动网络由 三个子系统组成，其基本结构如图3 1 所示： 移动台是接入g s m r 网络的用户设备，包括移动终端( m e ) 和终 端设备( t e ) ，或通过终端适配器与m e 连接的t e 。移动台除了具有通 过无线接口( u m ) 接入到g s m r 系统的一般处理功能外，还为移动用 户提供了人机接口。 图3 1g s m r 系统框图 2 i 北京交通人学硕士学位论文 基站子系统( b s s ) 由一个基站控制器( b s c ) 和若干个基站收发 信机( b t s ) 组成，b t s 主要负责与一定覆盖区域内的移动台( m s ) 进 行通信，并对空中接口进行管理。b s c 用来管理b t s 与m s c 之问的信 息流。b t s 与b s c 之间通过a b i s 接口通信。b s s 中还可能存在编码速 率适配单元( t r a u ) ，它实现了g s m r 编码速率向标准的p s t n 或i s d n 速率的转换。t r a u 与b s c 通过a t e r 接口连接。 网络子系统( n s s ) 建立在移动交换中心( m s c ) 上，负责端到端 的呼叫、用户数据管理、移动性管理和与固定网络的连接。n s s 通过a 接口连接b s s ，与固定网络的接口决定于互联网络的类型。 操作和维护子系统( o s s ) 是相对独立的子系统，为g s m r 网络提 供管理和维护功能。它的具体功能由操作维护中心( o m c ) 来完成，其 中o m c r 负责管理b s s ，o m c s 负责管理n s s 。o s s 主要提供移动用 户管理、移动设备管理、网络操作和控制三类功能。 组成g s m r 网络的各个子系统之问、b s s 与移动台之间、与固定 网络之问的互连都提供了标准的接口。g s m - r 网络的信令系统采用 n o 7 信令网传送呼叫控制信息和其他信令信息。 g s m r 可以很好的向g p r s w c d m a 平滑过渡，为网络的技术升 级预留了空问。 3 3g s m r 无线覆盖 g s m r 网络以铁路为基础，沿铁路线分布，形成了独特的网络结构， 根据覆盖的需要，g s m - r 网络采用线状覆盖的形式，沿着铁路线铺设基 北京交通人学硕上学位论文 站，形成了图3 2 所示的网络沿线覆盖形式和铁路车站网络覆盖形式( 图 3 3 ) ，这种新型的网络覆盖形式减少了邻小区的数量，对小区选择和切 换比较有利，但是由于铁路的高可靠性要求，使得对网络的覆盖提出更 高的要求。 图3 2g s m r 网络沿线覆盖简图 图3 3g s m r 网络车站覆盖示意图 3 4 世界各国铁路g s m - r 发展概况 g s m r 最早在欧洲发展起来，1 9 9 3 年，国际铁路联盟u i c 与欧洲 电信组织e t s i 确定了欧洲各国铁路下一代无线通信以g s mp h a s e 2 为 标准的g s m r 技术。1 9 9 7 年，欧洲3 2 个铁路组织签署了g s m r 谅解 备忘录。同年，e i r e n e ( 负责制定g s m r 的体制方案) 在德国、法国、 意大利开展了三个测试项目( m 饼认n e ) 。1 9 9 9 年，第一个g s m r 网 2 3 北京交通人学硕士学位论文 络在瑞典铁路建成，随后，德国、瑞士、荷兰、英国、意大利、西班牙、 印度也相继开始建设自己的g s m r 系统，如表3 1 所示。另外，匈牙利、 芬兰、挪威、丹麦、比利时、波兰、捷克共和国、奥地利、北美、也开 始对g s m r 进行招标或商业咨询。 表3 1 ：g s m r 在世界各国铁路的应用情况 采用国家长度( k m )采用年代线路说明 瑞典 7 2 5 01 9 9 9全国铁路网 德国 2 7 0 0 01 9 9 9 全国铁路干线 瑞士 3 61 9 9 9e t c s 试验段 荷兰 1 0 02 0 0 0全国铁路干线 英国 8 0 02 0 0 0 西海岸铁路线 意大利 2 0 02 0 0 0 高速铁路线路 西班牙 5 4 12 0 0 0 高速铁路线路 印度 8 22 0 0 0铁路干线 3 5 中国g s m - r 发展现状 我国从1 9 9 4 年就开始对专用移动通信技术跟踪研究，2 0 0 0 年底确 定将g s m r 作为我国铁路未来发展的方向，在2 0 0 3 年下半年获准了频 段的使用，2 0 0 4 年青藏高原铁路1 8 6 公里的试验段建设完成标志着 g s m r 的研究应用从实验室走向铁路的转变。 2 4 北京交通大学硕士学位论文 表3 之：中国g s m - r 网络接口参数表 项目指标项目指标 下行频段8 8 5 8 8 9 m h z工作方式f d d 上行频段9 3 0 9 3 4 m h z语音编码速率 1 3 k b i t s 上下行间隔4 5 m h z每载波信道数 8 载波间隔 2 0 0 k h z 帧长4 6 1 5 m s 频点数 2 0 跳频方式无跳频 多址方式t d m a覆盖半径3 5 k m 青藏铁路g s m r 试验网络( 见图3 4 ) 白格尔木到不冻泉，m s c 、 t r a u 、b s c 和运营维护中心( o m c ) 放置在西宁，采用同站址双层网 络覆盖，全线布设6 4 个基站，每6 7 公里覆盖一个，可以完成点对点语 音通信、语音广播、组呼、紧急呼叫以及数据传输功能。目前网络初步 测试已经完成，针对铁路的各种应用也正在开展。 图3 _ 4 青藏铁路试验段网络结构图 北京交通人学硕士学位论文 中国铁路中长期规划中对加快高速铁路发展作了重要的规划部 署，而发展g s m r 网络，加强铁路信息化建设是今后一长段时间我国 铁路发展的重要方向。综上所述，中国高速铁路采用g s m r ，发展综合 数字移动通信是完全可行的。 北京交通大学硕士学位论文 第四章京沪高速网络规划及建议 4 1网络规划的总体要求 网络规划是一项系统工程，规划目标就是在一定的成本控制下，满 足网络服务质量的要求，建设一个容量尽可能大、覆盖尽可能好的的嗍 络，并且能够适应未来网络发展和扩容的需要。 网络规划要求对话务分析、地形勘测、系统构成、安装调测、维护 优化等工作综合的分析考虑，克服复杂的传播环境，排除可能的干扰， 充分利用有限频谱，尽可能大的创造容量。 网络规划分为核心网络、无线网络、移动智能网、传输网以及支撑 信令网等规划，小文侧重于无线网络规划设计。 4 2核心网络规划 核心网络规划包括移动汇接网、移动本地网、f a s 调度网络。 考虑到g s m r 全国组网的长远规划，应把上海和北京作为一级汇 接中心t m s c ，预留与其他1 7 厂= 接中心的通道，在天津、济南、徐州、南 京等地设立木地业务端局。 ，一一一一一一一一一一k ： 捌划： ：一一礞剐一一： ：一一1 2 望i 一i 一二趣峄一j ：州状喇 ： 幽4 1g s m r 核心网示意图 幽4 1o s m r 核心网示意图 北京交通大学硕士学位论文 移动本地网设置m s c 、g m s c 、h u t 等设备，其中m s c 设置6 个， g m s c 与m s c 合设，h l r 设置在北京和上海，相互备份。 在沿线铁路局、铁路分局分别设置f a s 固定用户接入交换机，在车 站等地方根据需要设计f a s 终端，通过与本局m s c 相连组成环形网络。 g s m r 需满足与以下通信系统互联互通： 1 铁通专用移动通信系统以及公众移动通信系统； 2 中国移动、中国联通、中国电信等公众移动通信系统； 3 国际g s m r 系统。 g s m r 需保证以下系统的工作： 1 综合调度台、车站台、车站手持台以及机车台等终端，为调度指 挥系统提供传输通道，完成列车调度功能； 2 r b c 与m s c 连接为列车控制系统提供数据传输通道，保证机车 电台的正常工作； 3 支撑铁路信息系统的运作平台，解决车地通信、车次号传输、调 度命令传送等问题。 4 3 无线网络规划 无线网络规划主要是满足通信系统的无线覆盖，在g s m r 网络中 主要满足铁路沿线和车站的通信和数据传输需求。根据g s m r 网络的 特点，以及覆盖线路的具体地形特征进行网络的规划，可以减少很多弯 路，为工程完成之后的网络调试以及将来的运营和维护提供更多的依据 和便利。 北京交通大学硕士学位论文 幽4 2 网络规划上作流群 g s m r 网络使用频点资源共4 m h z 带宽，其中上行：8 8 5 8 8 9 m h z ， 下行：9 3 0 9 3 4 m k ，对应9 9 9 一l o l 9 共2 1 个信道，其中9 9 9 ，i 叭9 作为 和中国移动共同的保护信道，不可使用，实际可用信道1 9 个，根据 g s m r 网络特点，采用双邻小区的规划，可以考虑在沿线采用3 小区复 用模式。在北京、天津、济南、徐州、南京、上海等大站区，采用三扇 区覆盖，达到车站覆盖的同时，还要注意和其他网络的相互干扰问题出 2 9 北京交通大学硕士学位论文 现。基站间距采用平原7 m ，丘陵6 公里的预算，特大隧道通过光纤漏 缆加直放站的解决方案：特大桥( 南京长江大桥) 特殊覆盖及电磁干扰 屏蔽的特殊考虑。 4 3 1 链路预算 链路预算目标是找到在特定设备配置、环境、服务质量( q o s ) 下的最 大路径损失和推导小区覆盖范围并确定b t s 基站数量。 设备基本信息： b t s ：灵敏度一1 1 4 d b m ( 包括交叉极化分集接受增益) ，发射功率 4 4 8 d b m ( 3 0 w ) ，天线增益1 7 d b i ，天线高度3 5 m ，双工合路器损失1 4 d b 。 机车台：灵敏度1 0 4 d b m ，发射功率8 w ，天线增益2 d b i ，天线高 度4 m ，馈线及接头损耗2 d b 。 手持台：灵敏度一1 0 2 d b m ，发射功率2 w ，天线增益2 d b i ，天线高 度1 5 m ，馈线及接头损耗0 d b 。 室外最小信号强度： 移动台在室外，铁轨附近接受服务小区信号所允许的最低电平。本 设计取值为在9 5 覆盖情况下达到一9 2 d b m 。 人体损耗： 针对于手持台来说，靠近人体所带来的衰耗，一般取值3 d b ，对上 下行都有影响。 馈线损耗： 收发信机到天线接头之间的馈线损耗。在b t s 一侧，应包含工分器 北京交通大学硕士学位论文 ，厶路器的损耗。上下行都受影响。 交叉极化损耗： 通过交叉极化的天线发射时带来的损耗，通常取1 5 d b 。 重叠区覆盖余量： 为保证快速移动台成功进行越区切换，根据切换执行时间，小区参 数设置以及列车速度，换算出切换过程中经过的距离，推导出等效的衰 耗增加值。一般设计取4 d b 。 链路预算还需考虑的其他工程余量： 质量余量：在指定移动速度和提供的业务种类下为保证接收机端足 够的误码率而设置的余量。 设计余量：为补偿由于机车台安装引起的损耗以及其他不确定因素 带来的损耗留有的余量。 通过分别对机车台，手持台进行链路预算后得到最差路径损耗为 1 4 1 9 d b 。经过应用h a t a 传播模型并对相应因子进行修正后，得出最大 覆盖距离5 1 9 k m 。 根据链路预算算出的理论覆盖距离对于环境依赖很强，在实际应用 中应该留有一定余量。考虑到在实际应用中： 不是均一的环境分布 不平均的站址分布 真实复杂的地理信息 天馈线的具体参数差异 实施中基站具体位置的变化 北京交通大学倾十学位论文 通过分析地形图，我们注意到实验段地形较为平坦，山谷、隧道， 高山很少。在没有实际的现场查勘和根据数字地图进行具体分析之前， 我们建议的平均站距为5 至7 公里，全线基站数量约为2 0 0 个。 4 3 2小区规划 为了更好地适应铁路现行覆盖的要求，g s m r 采用特殊的站型配置。 如图4 3 所示为特殊的0 2 站型。 图4 30 2 站型星站 通过外部的功分器将信号分丌分别接到2 个定向天线，和全向天线 相比，能够获得更高的增益。两个扇区属同一个小区，没有基站内切换， 使得网络大大较少切换数量以提供更好的服务质量( q o s ) 。采用定向天 线实现线型铁道方向的椭圆形覆盖，实现在铁道方向较远的覆盖距离。 这种站型适合于京沪铁路沿线和中问小型车站的使用。 小区规划需要精确的数字地图： 精度在2 0 m 范围包括在铁路沿线左右各7 公里 应包含铁路沿线特有地形信息及矢量类别，如铁路、隧道、 桥梁、路堑、发射塔等。 北京交通人学硕士学位论文 统从网络规划到无线信号的传播都提出更高的要求。 对g s m r 的技术要求包括： 在列车最高时速为5 0 0k m h 下的无缝通信； 满足高速铁路网络平均最高时速为3 5 0k m h 的要求； 尽可能减小数据呼叫的b e r ( 小于1 0 。) ； r x l e v 指标好于9 0 d b m ( 语音) 或一8 5d b m ( 数据) 。 下面，针对高速铁路具有的特殊环境，由于高速铁路的安全性要求 极高，因此对网络的覆盖要求更是严格，如何保证网络的完全覆盖，保 证列车通信和控制信息的安全可靠传输，是网络设计的第一要素，针对 京沪高速的具体情况，g s m r 网络可以采用以下三种解决方案结合的方 式，既保证网络的安全可靠，同时节省开支，降低建设费用。 蠢案。f日终；勾艘 f 崩甄蘸蠢 类擞 巨 ： i 一三 z丢a出且1 盘：*j 0 卜甘 仕牛舶及共同围尢佶1 蚁王l芏线 一 w 断 的s s s ，2 套独3 5 公里范围内可以做耿嗍馒盂，仕傲跆 霉叠 襄叠一：立的b s s ，只在到高可靠性，在其他沿 沿线地区的无线覆 蓦i 一 车站地区双网线地区适当减小了投盖情况与车站相比 覆盖。资与维护工作量。都有所下降。 l 套s s s ，网络的无线覆盖严格地说为一 2 套独立的与传输部分的性能与个单网系统，因此 幻b s s ，全线双网可靠性方面与方案一如果交换子系统失 羹运行，双套b s s相当，由于减少了一套 效，导致全网失效， 薹 冗余备份。s s s ，投资比方案一矍米取特殊手段来 小。实现列控无线传输 系统的双套热各。 3 4 北京交通大学硕十学位论文 4 4i n 、传输网、支撑信令网网络规划 由于时间和项目的限制，本论文没有对移动智能网( ) 、传输网、 支撑信令网及g p r s 网络进行详细的研究和规划，只是给出一些理论依 据供参考。 移动智能网( ) 提供功能寻址、基于位置寻址、基于功能号的组 呼、呼叫限制等铁路特色功能，为铁路的行车管理和调度提供了极大的 便利。移动智能网系统由业务生成环境( s c e ) 、业务管理系统( s m s ) 、 业务控制点( s c p ) 、智能外设( i p ) 以及业务交换点( s s p ) 构成，系 统网络如图所示： 图4 4移动智能网系统框图 建议在北京和上海设立s c p 节点，互为冗余备份，保证全网车次号、 功能号等信息的安全使用。 传输网采用四层系统来实现系统问的传输连接： 第一层：北京、上海t m s c 之间，目前采用热备份连接，将来在全国组 网后与其他t m s c 实现网状网连接。 第二层：t m s c 与m s c 之间采用星形连接。 r 北索奄浦王举桶士学位论褒 l 掰蓑萎量；量璁醺羽e鍪主羹，善屠萧薄面磋i 瓤霸钎鹂 前霸酗鞋钙妻戛囊型襄雕警。翟箍挫握裂羚鞋耋。耋酎揶雕刍薹型出拦 蒌蕊甬确唰：匿薹蚕霪薹雾蓁熏蓁萋霪薹j 耋蠢蓁蓁翼蕈| i 羹霉型曩漱两。 雒囊税舞i甫 环墒游俩季蘸数姑 睑采；碧彰斤耄彻霎尉承。结积蟊j 自 瑚同冀霎囊蚕囊霎窭 雾弱斟斟翻孽塞霾淅卅槲；萋纰i 墓 薹羹薹鬟羹羹薹羹霎篷鬣鍪蓁囊冀 嘉；篓二囊；耋羹羹 北京交通大学硕士学位论文 5 1 2 - b ) 或者山体的阻挡，会对无线覆盖造成很大的影响，因此合理的布 置天馈线的方向角以及下倾角对于网络的覆盖有重要意义。 图5 2 - a 大弯道处天线角度示意 图5 2 - b 路堑处天线角度示意 北京交通人学硕士学位论文 相隔又不是足够的远，这种情况下，ms 就不能正确地区分它们，可能 ms 会去测量并报告其中的某个小区，但这个小区也许根本就不是当前 小区的邻区，这样就会导致切换失败。 5 3 _ 2 _ 4 参数调整 对参数进行合理的调整常能取得很大的效果。g s m r 网络的优化在 某种意义上说就是网络中各种参数的优化设置和调整的过程。无论哪家 厂商的设备，都有大量的参数来控制小区的信道配置、手机的寻呼、接 入、位置更新等行为。这些参数对小区的覆盖范围、小区问切换、话务 负荷的分布等网络的各项性能具有重要的影响。由于蜂窝网络是一个整 体的系统，因此在作参数调整时必须考虑到局部的参数调整对其它地区 尤其是相邻区域的影响，否则参数的调整会带来负面影响，反而降低了 网络的整体服务质量。 5 3 2 5 话务均衡 在网络运行中，总会有一些小区因为高话务量而拥塞，而另一些小 区却比较空闲。这在铁路通信网中会尤其明显，铁路经过大城市和乡村 空旷地带，在大城市编组站话务量比其它空旷地区高的多，这需要我们 在对现有网络影响最小的前提下去均衡相关小区间的话务分布，达到降 低拥塞提高有效话务的目的。均衡话务一般有以下几种方法：扩容，即 通过增加高话务小区的信道来解决拥塞；建设微蜂窝，在实践中，我们 认为这是一种最好、最有效的办法，及在大城市或者大编组站话务量繁 4 6 北京交通大学硕士学位论文 忙的地区增加微蜂窝或者增加基站来满足需求，而在空旷地区，则可以 适当得调整参数，使得容纳更多的话务量；调整天线方向：使两个或多 个小区的边界穿过高话务地区，达到分担话务量的目的，但是会带来大 量的切换，增加系统负荷，这对铁路通信的安全造成极大的隐患，特别 是在站场区，列车的调度频繁，如果出现频繁掉话，对列车控制与调度 是巨大的威胁；参数调整：可以通过o f f s e t 、c r o 等相关参数来人为 干预或鼓励移动台进入某些小区。在实践中，应根据具体情况来选择最 好的方法。 5 4网络优化的测试方案 g s m r 网络应用最大的难题是在高速移动的环境下实现高可靠安 全的通信，因此高速环境下的网络优化方案显得尤为重要。g s m r 交换 部分与g s m 系统没有大的差别，因此网络优化可以按照常规的方案( 图 5 3 ) 来进行，但是在高速环境下无线传播特性的改变及无线参数的数据 采集成为网络优化的关键问题，传统的路测方式不能反映移动台的实际 通信环境，也就保证不了在高速移动情况下各种通信设备的正常运行， 这对正在高速行驶的列车是致命的危险。本章作者提出三种解决方案， 第一种是静态网络综合监控，对整个网络进行实时监测，及时反应网络 整体状况；第二种是利用高速的场强采集仪表，可以动态得到高速运行 下网络得无线参数；第三种采用无线网络综合测试系统r n t 进行动态测 试，获得网络的性能参数。这些可行性建议对即将进行的网络建设和运 营维护有参考价值。 4 7 北京交通人学硕上学位论义 工程施工有重要意义。在维护机房，除了对硬件设备的监控外，使用这 一系统，将每个观察点的网络参数及时反馈到检测中心。 图5 4 综合网络监测系统 5 4 2高速移动环境监测 5 4 2 1 李氏定律 移动通信环境中，无线载波波长要远小于周围建筑物的尺寸，所以 电波主要是以直射、反射、散射的方式传播，呈现多径传播现象。 移动接收天线接收到的合成多径波将出现信号衰落现象，包括慢衰 落和快衰落两部分，慢衰落的的主要原因是移动通信环境地域的不均匀 造成的，而快衰落则是由于建筑物的反射、散射等多径效应引起的，我 们采集的数据要求能反映出地形地物对信号的影响，因此采集的数据应 4 9 北京交通大学硕士学位论文 浚包含全部慢衰落的信息，尽量滤除快衰落的影响。 为了得到有效的数据，要求对采样长度和在该长度上的采样点数合 理取值。世界上大多数运营商对场强的测量依据李氏定律( l e ec r i t e r i a ) 。 对采样长度上的原始数据求均值可以得到局部平均值。当采样个数 一定时，若采样长度太短，得到的局部平均值则不能完全消除快衰落的 变化。若采样长度太长，则所得到局部平均值中将会失去部分表征地形、 地物特征的信息。w i l l i 锄c y l e e ( 李建业) 根据衰落波中快衰落和慢 衰落的特征，确定采样长度应为4 0 个波长。 在一个采样长度上对信号强度进行采样，随着采样点数的增加， 采样信号的平均值越来越接近实际的局部平均值。但是信号采样速率是 受限的，而且如果采样点数过多会增加数据处理的负担。因此我们需要 确定4 0 个波长上采样点数的最小值，根据、v i l l i a mc y l e e 的推导可以 得出采用采用3 6 5 0 个采样点是比较合适的。 综上，根据李氏定律得出要求在4 0 个波长的间隔内，采用3 6 5 0 个采样点，求得其平均值作为局部平均值。在青藏线试验段的场强测试 中采用的即是这样的数据采集和及处理标准。 对于采样方式一般采用时间采样、距离采样及脉冲采样三种。 通常测试设备一般只能采用用时间采样，适合做静止测试；距离采 样必须满足l e e 氏定律，测量准确度高，可以实际反映信号；脉冲采样 一般用于室内测试，在此不作讨论。 北京交通大学硕士学位论文 5 4 2 2 移动速度的影响 在保证4 0 个波长的间隔内，取3 6 5 0 之间的样值，必须考虑移动 台运动速度( 车速) 、仪器的采样速率及同时测试的信道数。 在青藏线格尔木至不冻泉试验段的测试中，测试车速度一般在8 0 1 0 0 k n l l l ，并且需要同时对5 个频点( 由于试验段采用双网冗余覆盖，a 层、b 层各有5 个b c c h 信道) 进行数据采集。由于车速高、采样频点 多，必须考虑采样数据的有效性。 在本次场强测试中，采样速率t 可根据设置采样间隔t 来改变，采 样速率与采样间隔之间的关系为r 。：三。若采样问隔设置为l m s ，则采 样速率为1 0 0 0 s 锄p l e s s ：若采样问隔设为2 m s ，则采样速率为 5 0 0 s a i i l p l e “s 。 假设车速为吒为将采样长度l 定为4 眦，频率为9 0 0 m h z 的载频， 采样问隔设为1 2 m s ，则可求出4 叽采样长度中采样个数为： 青藏线( 运营速度l o o l 锄m ) ： 采样个数= l 芒一器罴一。 ， 高速线( 运营速度2 0 0 k 州h ) ： 采样个数= l 薏锨器罴= 2 0 0 ( 5 2 ) v m 9 0 0 1 0 62 0 0 l o 3 6 0 0 京沪线( 运营速度3 0 0 k m 1 1 ) ： 北京交通大学硕士学位论文 采样个数= l 芒一器罴 京沪线( 极限速度5 0 0 h 曲) ： 采样个数“薏撕器罴_ 8 。( 5 4 ) y m 9 0 0 l o 。5 0 0 x 1 0 。3 6 0 0 若采样信道数为5 ，则每个信道的采样点数为8 0 ，满足要求。若采 样信道数为l o ，则每个信道的采样点数为4 0 ，仍满足要求。 在青藏线试验段和普通高速铁路的o o s 测试中，一般是对5 个信道 进行测试，车速不超过2 0 0k m m ，采样问隔一般设为1 2 m s ，因此采集 到的数据是有效的。 而在即将建成的京沪高速铁路网络环境中，运行速度在3 0 0 k r n h 左 右，极限速度可以达到5 0 0 h h ，因此对测试工具提出更高的要求。 5 4 2 3g r j 们n 场强接收仪 g r i 币n 场强接收仪是w i l l t e k 公司的生产的快速场强扫描仪表，可 以对8 0 0 1 0 0 0 m h z 进行全频段扫描，增加扩展模块后可以对 1 7 0 0 2 0 0 0 m h z 模块进行扫描。g f t i n 扫描仪与采集平台通过串口或者 网口连接，将采集的数据传送到采集平台进行后台处理，分析当前无线 环境的质量。g r i f m l 取样率可以达到1 0 0 u s 的频率，每秒钟勘测高达l ， 0 0 0 频道及每秒钟读出1 0 0 ，0 0 0 个数据可以充分的反映无线电波的特性。 g r i 币n 可以对全频段制定频率间隔( 比如g s m 2 0 0 k h z ) 进行扫描， 可以指定频点进行单独扫描，还可以设定频率组，对某几个关注频点进 5 2 北京交通大学硕士学位论文 行扫描，满足各种测试的需求。 g d 筒n 轻便易于携带，对于移动测试方便实用，采集平台可以利用 便携电脑。 g d 瓶n 和采集平台之间通信以a s c n 码的形式发送， ) 0 ( x = p l ，p 2 p 3 p n x x x 是命令，p 1 ，p 2 ，p 3 p n 是参数。命令和响应的格 式是a s c i i 码，返回数据是a s c i i 或二进制格式。不能使用太长的参数， 否则将使g r i f f i n 停止工作。命令响应是a c k 和n a k ，a 代表a c k ， n 代表n a k 。a c k 格式：k a a a a a a a 代表所响应的 命令。 n a k 格式：k n ，那么 响应就是k n f r e d 0 4 。 例如：d f s 一一d of r e q u e n c ys c a n n 访g d f s = p l ，p 2 ，p 3 ，p 4 ，p 5 ，p 6 可以最多设置1 2 0 0 0 个信道进行测试，弗且被自动编号，在s s s 之 后开始测试。 p l 起始频率，m h z 为单位，十进制表示，必须是( x x x x x x x x ) 1 6 8 3 1 2 3 5 的形式。 5 3 北京交通大学顾士学位论文 p 2 截止频率，m h z 为单位，十进制表示，必须是( x x x x x x x x ) 1 6 8 3 1 2 3 5 的形式。 p 3 频率步长，m h z 为单位，十进制表示，必须是( x x x x x x x ) 6 8 3 1 2 3 5 的形式，必须是非零数据，最大l0 0 m h z 。 p 4 天线增益：可以选择ol o 2 03 0 sa 。 p 5 带宽2 0 0 或者1 5 。 p 6 测试模式。 m i i 蝴a ) 【或者m e a n m a x 最大最小或者均方值的任意组合。 l x x x x ：0 7 。 h i s t o 返回a c k 或者任何一个参数无效返回n a k 不管天线增益如何设置，1 3 d b 衰减器自动打开或者关闭，可以自动 选择天线增益或者外来增益，s 选择最灵敏的o d b 外来增益 每次测试的采样点数和在每个频率上进行测试的数日有计数器设定 选择l c r 方式时，x x ) 【) 【代表上限频率，y y y y 下限频率，他们以c b o 编 码。电平被认为失真，当比下限还低或者直到比上限还高d 返回 注：建议采用固定的天线增益以保证电平都在设定的测试范围内追 踪的时候有一种特殊的测试p 6 = “t e s t ”，他返回a d c 的数目，没有校 正起始截止频率一样时导致接收机保持第一个频率，在这种情况下接收 机每一个测试后都暂停进行改变频率，自动调节将被启动，但是连续的 测试不能进行因为要进行频率跳转。 北京交通大学硕_ 上学位论文 5 4 2 4 测试方案及软件 目前几个测试工具中w i l t e k 公司的g r i 衔n 场强接收仪表可以达到高 速环境测试的要求，目前我们针对这一仪器的开发进行的软件已经在实 践中应用，但是由于没有测试环境的限制，只是进行了青藏铁路的测试， 效果良好。测试系统结构图如下： 幽5 5g r i m n 数据采集平台系统结构 该测试系统特点： 内置地理信息系统( g i s ) 。 对室内和隧道等测试有路线跟踪功能。 可从g p s 获得样机的测量间距。 勘测数据的图形，曲线和表格显示。 预先设定配置降低对路测的技术要求。 灵活报告和输出功能。 s s 北京交通人学硕士学位论文 图5 8 采集平台时域图界面 图5 9采集平台电子地图界面 5 8 北京交通大学硕上学位论文 数据采集平台由电源，一个h u b ，三个嵌入式控制单元，两个k 叩s h 模块，两个w a v e c o m 模块，一台g r i 饿n 场强测试仪，一部s a g 锄测试 手机构成，控制单元与数据采集终端通过r s 2 3 2 串口连接，控制单元 通过网口与数据显示分析平台相连：数据显示与分析平台安装在台式机 或便携式电脑，要求基本配置配置为内存6 4 m b 以上，c p u 主频 p i i l 6 0 0 m h z