（通信与信息系统专业论文）gsmr系统场强测试的研究.pdf

北京交通大学硕士论文 y 8 7 9 5 8 0 摘要 摘要 场强测试是g s m r 网络建设中的一项重要内容。本论文研究了 g s m r 场强测试中的相关问题。 第一章绪论介绍了g s m r 国内外的发展情况，并对g s m r 场强 测试进行简介，指出了场强覆盖对于规划和网络评估的重要性； 第二章介绍了场强测试方法。主要讨论了g s m r 无线电信号的传 播特性、场强测试被测对象以及场强测试中的几个关键问题； 第三章论述了针对g s m r 的场强测试系统的设计，主要讨论软件 设计，并提出了几种数据处理算法，以解决场强样本地理信息的采集问 题。 第四章介绍了青藏线和大秦线的场强测试试验情况，主要从场强测 试目标和方法两方面来介绍； 第五章研究了中值和9 5 电平之间的关系，并根据青藏线和大秦 线的实测数据对理论结果进行验证。另外，还对手机和场强仪的场强测 试结果进行了比较； 第六章对全文进行总结，对未来进行展望。 【关键词】场强测试覆盖测试g s m r 北京交通大学硕士论文 a b 5 h a c t a b s t r a c t f i e l ds t r e n g t ht e s t ( o rm o s t l yc o v e r a g et e s t ) i sak e yi s s u ei nt h e c o n s t m c t i o no fag s m rn 前w o r k t h i sp 印e rc o v e r ss o m er e l a t e da s p e c t s o f g s m rc o v e r a g et e s t i nt h ef i r s tc h 印t 鸽ab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ec u r r e ms i t u a t i o no f g s m rn e t w o r kd e v e l o p i n gs t a t u si nb o mc h i n aa i l da b r o a di sg i v e n a b m w s eo fd 诳h e n ta i m so ff i e l ds t r e n g t ht e s ti sp r e s e n t e da sw e l l ，w i t ha n e m p h a s i so nd e s c r i p t i o no f t h ei m p o n a l l c eo fc o v e r a g et e s to fg s m _ r kc h 印t e r2 ，t h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fg s m rb a n dr a d i o 行e q u e n c ys i 印a l i sp r e s e n t e dw i t hd i s c u s s i o no fw h a ts h o u l db et e s t e da 1 1 d o fs o m ek e ya s p e c t so ff i e l ds 廿e n g t ht e s t c h 印t e r3i sa b o u ct h ed e s i g no f ag s m rf i e l ds t r e n g t l lt e s ts y s t e m k t h i sc h 即t e r ，t h es o r w a r ed e s i g 】1i st h ef o c u s ，a l s os o m eg e o g r 印h i c a ld a t a a c q u i s i t i o na l g o r i t h m sa r eg i v e n t h e 丘e l ds t r e n g t ht e s t 仃i a l so nt i b e tr a i | v r a yl i n ea n dd a q i nr a 订w a y l i n ea r ei n 订o d u c e di nc h 印t e r4 t h ed i s c u s s i o nc e n t e r sa r o u n dt e s tt a r g e t a 1 1 dl e s tm e t h o d 0 1 0 9 y h o wi st 1 1 e5 0 s i g n a l i e v e la n dt h e9 5 s i g n a l l e v e lr e l a t e d ? w h a ti s t h er e i a t i o n s h i pb e r 、v e e nt h em e a s u r e m e n tr e s u l t so fam o b i l ep h o n ea n da 丘e l ds t r e n g t hm e a s u r e m e md e v i c e ? t h e s et w oq u e s t i o n sa r ea n s w e r e di n c h a p t e r5 。 t h el a s tc h 印t e r 百v e sas u m m a r i z a t i o n ，c l o s i n gt h ew h o l ep 印e rw i t ha 北京交通大学硕士论文 a b 吐m c t b r i e fl o o ki n t ot h ef u t u r e 【k e yw o r d s 】 6 e l ds t r e n g 山t e s t ，c o v e m g et e s t ，g s m r 北京交通大学硕士论文第l 章概述 第1 章概述 1 1g s m r 发展现状 1 1 1 国外g s m - r 的发展 g s m r ( g s m r a i l w a y ) 是国际铁路联盟( u i c ) 为满足欧洲2 l 世纪 铁路一体化进程而推荐的欧洲铁路专用移动通信系统。它以g s m 系统 为基础，增加了调度通信功能和适合高速环境下使用的功能，能满足国 际铁路联盟提出的铁路专用调度通信的要求。由于公网g s m 系统本身 是十分成熟的系统，g s m r 保留了公网g s m 的主要结构，借鉴了公网 的g s m 技术，因此，g s m r 系统从产生以来就是一个可靠的系统。不 仅如此，由于二者都可以工作在9 0 0 m 频段，因此在无线网络规划方面 也是基本相同的，g s m r 系统的规划设计也可借助于己成熟的g s m 系统工具，方便快捷地为用户提供网络设计安装。 应用于公网g s m 系统的改进技术如g p r s 已经标准化并得到安装 使用，向第三代移动通信系统之一的切t s ( 通用移动通信系统) 的演进 将提供新的业务和更加强大的无线系统，g s m r 据此可更大限度地引 入新的业务，因此g s m r 是面向未来的技术，具有巨大的发展空间。 g s m r 的发展大致分为以下三个阶段： 第一阶段标准制定 1 9 9 3 年国际铁路联盟u i c 与欧洲电信标准组织e t s i 协商，提出了 欧洲各国铁路下一代无线通信以g s mp h a s e2 + 为标准的g s m r 技术， 这一提议在1 9 9 5 年经u i c 评估并最终确认。之后，u i c 开展了一系列 北京变通大学硕士论文 第1 章概述 的标准制定和测试工作。首先，u i c 建立标准化组织e 眦n e ( 欧洲集成 铁路无线增强网) ，制定一系列铁路需求规范，涉及范围包括业务功能、 调度台车载台需求、电磁环境等各项指标；其次，还密切与e t s i 合作， 最终将其所提出的系列调度业务需求纳入到了g s mp h a s e2 + 规范中。 第二阶段g s m r 系统试验 1 9 9 7 年，2 4 个国家的3 2 个铁路组织签署了g s m r 谅解备忘录， 签字的铁路组织至少要将g s m r 用于过境运输通信。同年，为了验证 g s m r 系统的可靠性、兼容性等指标，u i c 还成立了另一个专门组织 m o r a n e ( 欧洲铁路移动无线系统) ，它的主要成员包括铁路运营商、 g s m r 制造商和研究机构，m o r a n e 项目的重点放在测量高速环境的 g s m 垠特性上。从1 9 9 7 年至2 0 0 0 年间，m o r a n e 组织分别在法国、 意大利、德国开展了三个试验项目，对g s m r 系统进行了严格的测试。 同时，m o r a n e 还制定了一系列技术标准用来规范一些主要流程和设 备接口，从而保证将来g s m r 系统在各过程中不仅要设备兼容，还要 终端兼容、业务兼容。 第三阶段g s m r 工程实施 1 9 9 9 年第一个g s m r 网络在连接瑞典到丹麦的o r e s u n d 大桥建成 并投入运营。o r e s u n d 大桥铁路线属于瑞典s 瓜b a 玎v e r k e t 全国线路工程 的一部分，全国线路工程分为四期实施，覆盖线路总长7 2 0 0 k m ，第一 期工程的设备安装、调试和验收已经在2 0 0 0 年夏天完成并投入商业运 营，共采用了1 台交换机，6 台基站控制器和2 6 0 个基站，目前正在安 装调试g p r s 网络。随后，瑞士、德国、荷兰、法国、西班牙、匈牙利、 美国等相继建设了自己的g s m r 系统。另外，中国、芬兰、挪威等国 家也开始对g s m r 进行招标或商业咨询。 北京变通大学硕士论文第1 荦概述 1 1 2 国内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，当时的重点 是对g s m r 和t e m ( 陆上集群无线电通信) 系统进行比较，经过 专家们的论证认为g s m r 具有更适应铁路运输特点的功能优势，更成 熟的技术优势以及更符合通信信号一体化技术发展的需要，更重要的是 g s m r 支持铁路移动通信的可持续发展。 2 0 0 1 年底，中国铁道部派出高级代表团访问了国际铁路联盟和西 班牙、意大利，重点考察g s m r 技术及其发展，确立了g s m r 在中 国铁路的发展。随后铁道部科技司进行科研立项，开始对g s m r 的研 究开发。此项目最终的目标是研制具有我国独立知识产权的国产的全部 g s m r 系统设备，并通过现场实验，研究g s m r 在中国铁路上的使用 方法，为铁路系统上最终推广g s m - r 系统、完善铁路系统的通讯系统 和调度以及信息化积累经验。 2 0 0 2 年1 1 月2 6 日，铁道部在北京交通大学投资建成了第一个正 式的g s m r 科研实验室g s m r 研究与应用模拟系统实验室，实验 室由北京交通大学和西门予联合s a g e m 、k 印s c h 、天津通信广播集团、 中铁等公司共同建设和研究，并得到国家教育部的全力支持。建设该试 验室的目的是为验证g s m r 实现具有无线通信的功能；验证g s m r 技术上的可行性和经济上的有效性；验证g s m r 向第三代移动通信演 进的能力及满足我国铁路技术可持续发展的需要。该实验室主要研究内 容包括功能寻址、基于位置的寻址、无线列车调度通信、区间移动通信、 列车运行控制、尾部风压检测、车次号传递、列车位置跟踪、短消息业 务、高速传真、接近连续式的无线机车信号等铁路应用。目前正在进行 c t c s ( 中国铁路控制系统) 第三级的研究，以及通信协议软件，g s m r 北京交通大学硕士论文第l 章概述 无线网络测试系统，机车同步操控系统等的开发。 2 0 0 3 年1 2 月初，铁道部与华为公司签订了大秦铁路g s m r 工程 合作框架。华为公司将承建大同至秦皇岛铁路的g s m r 系统工程，为 晋煤东运主干线提供综合通信服务保障。大秦线全长6 6 6 公里，是晋煤 东运的主干线，也是中国铁路实现跨越式发展的标志性工程，现代化重 载煤运专线的示范性工程，改造后的大秦线将率先实现铁路机车、通信 的现代化，实现年运量达2 亿吨的近期目标 2 0 0 4 年5 月3 1 日到6 月4 日，在北京交通大学举办了e t c s 和 g s m r 国际研讨会，主办单位是北京交通大学，协办单位有：北京全 路通信信号研究设计院、铁道部科学研究院、西门子( 中国) 有限公司、 北京阿尔卡特公司和c s e et r a l l s p o n 。中外专家对e t c s 和g s m r 的 技术应用进行了讨论和交流，对我国g s m - r 的发展起到了借鉴和促进 作用。 1 2g s m r 场强测试简介 1 2 1 场强覆盖的重要性 场强覆盖是衡量蜂窝移动通信服务质量的重要指标，g s m r 系统 一般从三个方面来考查场强的覆盖情况：覆盖概率、小区覆盖半径和重 叠区。 覆盖概率是衡量蜂窝移动通信服务质量的重要指标之一。无论在网 络规划阶段还是在网络优化阶段都需要对覆盖概率进行预测或直接测 量。g s m r 系统用于实现无线列调功能，通信系统的畅通直接关系到 铁路运输的安全高效，为保障列车运行的高度安全可靠性，必须保证移 动台在沿线能随时随地和网络通信，这就要求网络场强覆盖率能达到比 4 北京交通大学硕士论文第1 章概述 较高的要求。g s m r 系统中对覆盖概率指标有严格的要求。u i c 规范 中对覆盖概率的要求如下 1 5 ： 覆盖电平定义为列车车顶天线处的场强。车顶天线通常比铁轨高出 4 m ，设天线为全向天线，增益是o d b i 。 必须满足的条件为： 对于语音和非安全数据，以3 8 5d b u v m ( 一9 8d b m ) 的覆盖电 平，达到95 的覆盖概率； 对b t c s2 3 级，行驶速度小于或等于2 2 0 k m h 的铁路线，以 4 1 5d b u v m ( 一95 d b m ) 的覆盖电平，覆盖概率达到9 5 。 建议满足的条件： 对e t c s2 3 级，行驶速度大于2 8 0 k m h 的铁路线， 以4 4 5 d b “v m ( 9 2d b m ) 的覆盖电平，覆盖概率达到9 5 ； 对e t c s2 3 级，行驶速度大于2 2 0 k m ，小于或等于2 8 0 k m h 的 铁路线，覆盖电平在4 1 5d b “v m 和4 4 5d b v m 之间( 一95d b m 和一 9 2d b m 之间) ，覆盖概率达到9 5 。 除了覆盖概率外，小区覆盖半径也是无线网络规划的主要任务。无 线网络规划的目标是指导工程以最低的成本建造成符合近期和远期话 务需求，具有一定服务等级的移动通信网络。具体地讲，就是要达到服 务区内最大程度的时间、地点的无线覆盖，满足所要求的通信覆盖概率； 达到所要求的服务质量：在满足容量要求的前提下，尽量减少系统设备 单元，降低成本等几个方面目标。针对铁路部门的特殊要求，在做 g s m r 网络预规划时需要考虑覆盖概率的影响，使规划出的g s m - r 网 络小区覆盖半径更加接近工程实际。 为了保证通信的连续性，相邻基站区之问必须存在适当大小的场强 北京交通大学硕士论文第1 章概述 覆盖的重叠区。无论是重叠区过深还是重叠区过浅，都会多无线网络的 通信造成相当程度的影响，对于g s m - r 系统中的v g c s 业务影响更大， 这与v g c s 业务自身的特性有关。在铁路覆盖中，移动台往往处于高 速状态移动，信号的场强变化复杂，并且沿线覆盖的相邻小区比较少， 使得确定重叠区的大小变得更加复杂，如果重叠区太小，可能会出现弱 场区；重叠区太大，会引起“乒乓”切换和频繁的小区重选，因此，对 重叠区场强覆盖情况的测试也很重要。 以上三方面指标都需要通过场强测试来验证。因此，场强测试作为 检验网络覆盖状况的主要手段，是通信网建设中的一项重要内容，贯穿 于网络建设的各个阶段。 场强测试一般分为两步，第一步是利用测试仪器，在所考查的线上 进行原始数据的采集。第二步是将采集的原始数据进行处理，得到所需 信息。在场强测试过程中，面f | 缶着两方面的问题：一是原始数据采集过 程中采样间隔应该取多大的问题，即应该隔多远的距离对场强进行一次 采样；另一个是数据处理时选取何种统计方法的问题，即采用什么样的 统计处理方法，才能从数据中提取出有效、有用的信息。 在通信网建设的不同阶段，由于场强测试的目的不同，所以数据采 集和处理方法也会有所不同。 1 2 2 网络建设各阶段的场强测试 在网络规划初期，场强测试用于校正传播模型，通过准确的模型， 对建网区域进行有效的预测和规划。主要手段是在要建网的区域选取合 适的点，放置无线信号发射机，然后按照一定的地理路线测量各个接收 点处的信号强度，得到接收信号强度和离发射机距离的多组数据，然后 将实测数据带入传播模型中，以计算出合适本区域的模型校正参数。传 北京交通大学硕士论文第1 章概述 播模型的校正工作已经有大量的研究，并形成了比较成熟的数据采集和 处理方法。典型方法是按照李氏定律的要求进行。 在网络优化阶段，场强测试旨在优化小区覆盖，发现问题区域，并 对网络参数做出及时调整，以达到优化网络覆盖的目的。在这个阶段， 场强测试不仅是为了发现覆盖弱场区，而且需要看各小区场强的覆盖曲 线，合适的情况是：在小区边缘处，场强缓慢降低，而相邻小区的覆盖 范围有一定的重叠。此外，还要通过场强测试发现过区覆盖、干扰等常 见问题。主要做法是让g s m r 通信网处正常的信号发射状态，用场强 测试仪器或测试手机沿线采集场强数据。在采集到足够的数据后，采用 合适的统计处理方法，得出结果，并对有问题的区域通过调整天线参数 或发射机功率对覆盖情况进行优化，以达到满意的结果。在此过程中， 有的遵循李氏定律要求的采样和处理的方法进行测试，有的按照经验值 和经验方法进行采集和处理。 在网络验收阶段，场强测试的目的是检验信号覆盖概率是否满足相 关规范的要求。这就要求采用合适的测试方法，以达到正确评估网络覆 盖的目的。国内采尉4 c m 采样间隔，每1 0 0 米统计9 5 电平的方法进 行网络覆盖的验证。 在月常维护阶段，场强测试旨在监视网络覆盖情况，及时发现并纠 正覆盖问题。具体采集和处理方法，不在本论文范围内，故不论述。 各阶段场强测试的比较如下表所示： 北京交通大学硕士论文第1 章概述 表格1 1 场强测试在g s m r 网络建设不同阶段的比较 网络建设阶段j 场强测试目的，一典型统计方法 规划阶段调查建网区域的电波传播特李氏定律 性，校正传播模型 优化阶段对建好的网络覆盖进行优化李氏定律 验收阶段验证网络覆盖满足规范要求规范中规定的方法 l - 3 本论文主要工作 本论文主要工作有： 1 ) 设计一套g s m r 场强测试系统。场强测试在g s m _ r 通信系统 的设计、实现、及系统运行中的维护、优化阶段都是一项重要的内容。 由于g s m r 系统对无线覆盖测试有特殊要求，目前国内针剥g s m 公 网的场强测试系统无论从硬件或软件上都不十分适合g s m r 的应用； 已有的针对铁路无线列调场强测试而设计的场强测试系统，其测试功能 也不十分符合g s m 垠的要求( 例如，只支持同时对一个频点进行测试， 而g s m r 要求能同时测试多个频点，以正确反映网络覆盖情况) 。因 此，一套针对g s m r 的场强测试系统将是g s m r 在网络规划、场强 验收、维护、优化方面的一个有力工具，有很大的实用价值。 2 ) 习找中值( 5 0 电平) 和9 5 电平的关系。根据上面论述可见， 删络规划阶段和验收阶段使用不同的统计结果( 中值和9 5 电平) ，可 能导致规划阶段对验收阶段的预测准确度降低( 规划时按照中值设计， 验收时却按照9 5 电平验收，二者不一致，因此会导致设订阶段难以 对网络覆盖做出估计) 。如果能找出中值和9 5 电平之间的关系，则可 北京交通大学硕十论文第j 章概述 以更好地指导规划阶段的设计。本论文从打量实测数据中，总结出二者 的关系 3 ) 研究移动台和场强仪所测场强值之间的关系。显然，场强测试 必须反映移动台所处的电磁环境，以及移动台在沿线各处接收信号的强 度。验收阶段使用场强测试仪测量场强，实际中却是移动台进行通信。 场强仪的测试结果和移动台的测试结果是否一致? 如果二者一致，那么 可以直接用场强仪的结果进行网络评估；如果二者差别很大，则用场强 仪测试的结果不能很好反映实际通信的情况。在这种情况下，若能找 到二者的关系，那么也能通过对场强仪测试值进行修正，得到有效的结 果。 北京交通大学硕士论文 第2 章场强测试方法 第2 章场强测试方法 2 1 g s m _ r 无线信号传播特性 我国g s m r 占用的频段为9 3 0 m h z 9 3 4 m h z ( 下行) 和8 8 5 m h z 8 8 9 m h z ( 上行) 。该频段无线电波主要是以空间波的形式传播。电波在 传播过程中，除了从发射机通过直线传播到接收机的直射波和经地面反 射的反射波之外，还有传播路径中各种物体所引起的散射波。 信号在传播过程中会产生衰减，或称为信号衰落。g s m r 通信系 统中无线信号包络由两部分组成：快衰落信号和慢衰落信号，二者叠加 构成了最终的接收信号。 2 1 1 快衰落 g s m r 频段的无线电波从发射天线到接收天线这之间经历了多条 传播路径，称为多径传播。移动台或基站接收机接收到的信号是多条路 径信号的矢量叠加。由于到达接收端的各路径相位可能不同，相位相同 的信号相加，最终信号得到加强；相位相反的信号叠加，信号互相减弱， 引起接收信号强度的大幅度下降。而且，由于在传播路径中，反射体往 往是运动的，这就使得接收信号在短时间、短距离内会产生衰落，即快 衰落。快衰落是由多径传播和移动台移动引起的，故又称多径衰落。快 衰落严重时深度达到2 叫o d b ，这种现象有时会造成接收信号的恶化。 有这方面的研究指出，在多径传播过程中，假设存在n 条多径信道， 它们彼此相互独立且没有一个信道的信号占主导地位，即没有直射波信 号，只有许多反射波信号，此时接收到的信号包络衰落变化服从瑞利分 o 北京交通大学硕士论文第2 章场强测试方法 布。如果存在一个起支配作用的直射波，此时接收端接收信号的包络为 莱斯分布。当起支配作用的信号强度逐渐减弱时，莱斯分布转变为瑞利 分布。 2 1 2 慢衰落 接收信号除瞬时值出现快衰落之外，场强中值( 平均值) 也会出现 缓慢变化。变化的原因主要有两方面：一是地区位置的改变产生阴影效 应：二是由于大气的条件发生缓变，以致电波的折射传播随时问变化而 变化，多径传播到达固定接收点的信号的时延随之变化。后一原因引起 的变化较小，通常忽略。这种由阴影效应和气象原因引起的信号变化， 称为慢衰落。慢衰落接收信号近似服从对数正态分布，变化幅度取决于 障碍物状况、工作频率、障碍物和移动台移动速度等。 受到两种衰落的影响，g s m - r 频段信号在空间传播的典型包络如 图2 1 所示。其中的快衰落相邻谷点之间的距离可以近似认为是半个波 长，对于9 0 0 m h z 频带，它约为1 7 c m 1 。 图2 1g s m - r 频段信号的典型包络 距离 信口可强度 北京交通大学硕士论文 第2 章场强测试方法 2 2 场强测试的被测对象 2 2 1 场强和功率 场强是电场强度的简称，它是描述电场最基本的物理量。一个电场 的电场强度定义为单位电量的点电荷所受到的该电场的作用力( 即不包 括受力电荷本身产生的电场) ： e ：曼 g ( 2 1 ) 其中f 的单位为n ( 牛) ，q 的单位为c ( 库) ，e 的单位为v m ( 伏 米) 。实际应用中也用k v c m ( 千伏厘米) 2 。在测试中，也用伏米 ( v 1 ) ，或d b 小，m 等单位表示。场强的测量原理如图2 所示。当接收 天线在空中与被测信号极化方向相同时取得最大感应信号，一般可用射 频0 陋) 的有效值型电平表( 电压表) 来测量( 如图2 1 2 ) 。 电场强度e 图2 2 场强测试原理图 当线路匹配良好时，仪表读取的电平值是仪表输入端口( 一般5 0 q 或7 5 q ) 所取得的射频电压。 e r ( d b u v ) 。e r 可用下式表示 2 圈 臣 ： 北京交通大学硕士论文 第2 章场强测试方法 e f e + g a + 2 0 1 9 l e l f - 6 ( 2 2 ) e r ：为仪表输入口的读取电平( d b p v ) ： e ：为电场强度( d b 肛v m ) ； g a ：为接收天线增益( d b ) 。如果采用半波长侧极天线时g a - o d b ： l e ：为接收天线有效长度( 丌) ； l f 为接收馈线损耗( d b ) ； 6 ：为从终接值换算开放口的校正值( d b ) 。 而电场强度e ( d b 肛v m ) 则可从( 2 2 ) 式求出，即： e = = e r _ g a - 2 0 lg l e + l f + 6 ( 2 3 ) 场强仪是用来测量场强的仪器。场强仪的量值是肛v 恤作单位，它 里面有一个长度单位m 。从原理上来说，电平表( 或电压表) 量度的电压 值是在仪表的输入端口，而场强仪所量度的电压是天线在空中某一点感 应的电压。所以可以说，场强仪是由电平表和接收天线组成 3 。 在g s m r 中，往往用功率来表示信号的强度，功率的单位有瓦( w ) 、 毫瓦( m w ) 、d b m 等，在g s m r 中一般使用d b m 这个单位。对于同 一个功率值，用d b m 表示和用m w 表示的转换关系如下： p ( d b 。) = 1 0 l 扩( 。w ) ( 2 4 ) 我们可以看到，在g s m r 系统中，无论是手机的测量报告，还是 丌机时对各载波的测量，所有对信号强度的度量都是用信号功率值进行 的。在规范中对信号强度的规定也有对应的功率值。所以，在g s m r 场强测试中，实际上测试的是在接收机端接收信号的功率，而不是真正 意义上的场强。 接收功率和场强的关系如下： 北京交通大学硕士论文 第2 章场强测试方法 e = u + 1 0 7 + c 十a ( 2 5 ) 式中：e 信号场强d b n v m u 信号功率d b m c 一天线校准因子d b ( 1 m ) a 馈线衰减d b 多数情况下，天线校准因子c 与频率的关系是条非线性曲线，欲 求得信号场强，必须将此曲线线性化处理变成一系列频率离散的点 4 。 2 2 2 包络和相位 接收信号一般表达式为： 占( f ) = r ( f ) e 1 ( 2 6 ) 其中5 ( f ) 是接收信号时域表达，( ，) 是接收信号的包络，p ) 是接收 信号的相位。在场强测试中，被测对象是接收信号的包络，( ，而不考 虑相位( 。 r ( t ) 可以表示为 5 ： ，( f ) = m ( f ) ，0 ( f )( 2 7 ) 其中，m ( f ) 是慢衰落信号的本地平均值，r o ( t ) 是快衰落信号。 在路测速度已知的情况下，可以转化为距离表示的情况 r ) = 0 ) ) 一 ( 2 8 ) 北京交通大学硕士论文第2 章场强测试方法 2 2 3 被测频道( b c c h ) 为了对小区覆盖进行测量，需要选取合适的被测频点。一个小区通 常会配置有多个频点，在其中的一个频点上配置b c c h 信道，配有 b c c h 信道的频点称为b c c h 载波，在场强覆盖测试过程中，必须选 择b c c h 载波为被测频点。原因如下： 众所周知，一个g s m r 频道被划分为8 个时隙，b c c h 载波也不 例外。b c c h 载波的0 时隙配置为广播信道f b c c h ) ，其他时隙配置上 另外的逻辑信道( 如频率校正信道f c c h 、同步信道s c h 等) 。其中， b c c h 不断向外广播信息，因此，b c c h 载波的0 时隙始终有信号功率 发送。对于其他时隙，在有信息需要发送时，该时隙上发送相应的突发 信号。在没有信息需要发送时，也会在空闲时隙上发送虚拟突发【6 3 0 】， 换句话说，b c c h 载波的空闲时隙并不“空闲”，它上面也会发送不携 带任何信息的信号。因此，b c c h 载波的所有8 个时隙在任何时候都有 功率向外发送，表现为信号始终存在。对于同一小区内其他不是b c c h 载波的频道，仅仅在有信息需要发送时，才会在相应的时隙上发送信号， 因此，对非b c c h 信道的测量结果，表现为信号呈“脉冲”的形式。 b c c h 载波和其他频道的区别如下图2 _ 3 所示： 北京交通大学硕士论文 第2 章场强测试方法 图2 3b c c h 载波接收信号和其他载波的对比 因此，为了反应小区的覆盖情况，需要选取b c c h 载波为被测频点。 2 3 场强测试中的关键问题 2 3 1 采样间隔 在各种场强测试方案中，最根本的问题是确定采样距离间隔，即每 隔多长的距离对场强采样一次。比如在c w 测试( 连续波测试) 中，就 按照李氏定律的要求进行测试。在欧洲的某些g s m r 网络场强覆盖测 试中，采用了6 c m 的采样间隔。在我国4 5 0 m h z 无线列调系统中，使 用4 c m 的采样间隔标准。 、v i l l i a mi 七e 博士1 9 8 5 年发表了关于场强采样的著名论文，通过严 格的数学推导给出场强采样的方案：在4 0 个波长内采样3 6 5 0 个点 1 6 。处理时在4 0 个波长的距离内将这些样本点做算术平均，得到的 值作为局部平均值。这一标准在业界得到广泛应用，业界称为l e e s c r i t e r i a ( 李氏定律) 。经过与u i c ( 国际铁路联盟) g s m - r 项目组的沟 通，我们得知在欧洲g s m r 网络的建设和维护中，场强测试的采样速 北京交通大学硕士论文 第2 章场强测试方法 率的最小值依据李氏定律制定，即要求在4 0 个波长内，至少采样3 6 5 0 个点。 对于g s m r 信号，取有代表性的频率9 0 0 m h z 为参考，其波长为： a ：三：! ：塑竺竺尘：o 3 3 聊 ，9 0 0 1 0 0 骨： 根据李氏定律，采样间隔最大为： d = 4 0 ，3 6 3 7 ( c m ) 采样间隔最小为： d = 4 0 九5 0 2 6 ( c m ) 所以，按照李氏定律的要求，对某频点的测试采样间隔要求在 2 6 c m 3 7 c m 之间。 一般认为，采样越密集越能反应真实情况，但是根据李氏定律，采 样间隔不能低于2 6 厘米，二者似乎有些矛盾。笔者认为，李氏定律之 所以对采样点数做出如此严格的规定，是为了使4 0 个波长内的样本值 做算术平均以后的结果能准确地代表场强的本地均值。例如，在传播模 型校正中，关心的是本地均值m ( x ) ，所以需要严格满足其要求，不能 多也不能少。但是在场强覆盖测试中，我们并不一定非要知道场强的本 地均值不可，而且我们还关心场强的快衰落影响，因此采样间隔完全可 以比李氏定律规定的小。另外，如前所述，快衰落的周期一般在半个波 长左右变化，对于g s m r 的场强情况，该周期典型值为1 7 c m ，2 6 3 7 c m 的采样间隔采集到的数据可能存在对快衰落反映不充分的缺点。 在欧洲g s m r 场强覆盖测试的实践中，有采用6 c m 问隔采样的方 案。该值是在大量实测的基础上经过统计分析确定的经验结果，该结果 是和当地的铁路环境密切相关的，是否能应用到青藏铁路场强测试上 北京交通大学硕士论文 第2 章场强测试方法 来，需要进一步研究。另外，我国在4 5 0 m h z 无线列调系统场强检测中， 曾规定过采用4 c m 的采样间隔。该采样间隔对青藏铁路g s m r 场强覆 盖测试也有很好的借鉴作用，但是4 c m 的采样问隔是否合适g s m r 系统，也有待深入的探讨。 2 3 2 触发方式 无论哪种测试方案，都存在选择时间触发方式或距离触发方式 的问题。时间触发是指每隔一定时间( 如几毫秒) 让测试仪器对场强采 样一次，这种方法得到的场强样本在时间间隔上是均匀的，但是样本本 身不包含距离信息，因此适合对某一固定地点场强的长时间观测；距离 触发的方式是让仪器每隔一定距离( 例如，几十厘米) 对场强采样次， 这种方法得到的场强样本在距离间隔上是均匀的，每个样本本身就代表 了一段固定距离，能准确地反应场强随距离的变化情况。 对于g s m r 场强覆盖测试，需要考察的是场强随铁路沿线的分布 情况，因此适宜选择距离触发的方式。但是，由于距离触发方式需要外 接距离传感器，在某些测试车上又不具备此条件，从而只能采用时间触 发的方式。在这种情况下，为了得到距离信息，可以有两种方法。一种 方法是让测试车尽量匀速行驶，从而使时间间隔均匀的数据在距离上也 接近均匀。然而，测试车在行驶过程中很难做到大致匀速，这也导致最 后结果的误差过大；另外一种更好的方法是，在测试过程中同时采集 g p s 信息，通过g p s 信息定位场强数据的地理位置，从而较好地反映 网络的场强覆盖情况。因此，在采集场强的同时采集g p s 信息是比较 好的种解决方法。 2 3 3 测试设备 在场强测试中，最核心的设备是场强测试设备，7 另外还有起辅助功 北京交通大学硕士论文 第2 章场强测试方法 能的距离传感器、g p s 接收机等。 1 ) 测试手机和场强测试仪。对g s m r 网络进行场强测试有两种测 试设备可供选择：测试手机和场强测试仪。在g s m 公网中通常用测试 手机进行场强测试，但是，在g s m - r 中是否也能利用测试手机进行场 强测试，我们需要从测试手机的采样速度上来考虑。 手机对无线信号的测量是在1 个s a c c h 复帧内完成的，1 个 s a c c h 复帧由1 0 4 个t d m a 业务帧( 4 8 0 m s ) 或1 0 2 个t d m a 随路 控制帧( 4 7 0 8 m s ) 构成 7 】。由于测试手机必须符合g s m r 的接口规 范，所以其对信号场强的测试时间间隔为4 8 0 i n s ( 专用模式) 或4 7 0 8 m s ( 空闲模式) ，我们将以空闲模式为例来考察测试手机。另一方面，通 过前面对距离采样间隔的讨论可知，距离间隔最大要求为3 7 c m 。为保 证3 7 c m 的采样间隔，必须要求测试车在4 7 0 8 m s 的时间内行驶距离不 大于3 7 c m ，因此允许测试车行驶的最大速度为： v = d t = o 3 7 1 1 i o 4 7 0 8 s 硼7 8 6 州s ( 2 8 3 k h l 1 1 ) 以如此低的行驶速度对铁路全线进行场强测试显然效率极低，实际 中是不可能这么做的。因此需要采用专用的场强测试仪，以达到快速采 集场强的目的。例如有些高速场强测试仪可以达到每1 毫秒输出一个样 本，这样，对单频点测试时，允许测试车的最大行驶速度为： v = d t = 0 3 7 m 0 0 0 1s = 3 7 0 m s ( 1 3 3 2 k i | l i ) 若对一组频点进行测试，例如5 个频点，则允许的速度为1 3 3 2 5 = 2 6 6 4 h n 1 1 。 这显然能满足快速采集场强样本的要求。 2 ) 距离传感器。如果采用距离触发方式，则必须使用距离传感器。 距离触发测试需要用距离传感器每隔一定距离产生一个触发脉冲，该脉 北京交通大学硕士论文 第2 章场强测试方法 冲触发场强仪对场强采一条样，每条样本本身就代表一定距离。场强仪 可以是每受1 次触发就采一个样，也可以是受到多次触发后才采一个 样。因此，样本代表的距离是距离触发脉冲间距的整数倍。所以距离传 感器的精度直接决定了测试数据中距离信息的精度。例如，假设需要每 5 c m 采一个样，如果距离传感器的精度是3 c m ，那么每两条样本之间的 距离就只可能是3 c m 、6 c m 、9 c m 等等，就无法达到每5 c m 采一个样的 要求。 2 3 4 统计处理方法 采集到数据后，需要用合适的统计处理方案提取所需信息，从而达 到对网络覆盖的正确评估。不同的数据处理方案得到的结果会不一样， 甚至产生很大的差别。例如，按照常用的李氏定律的方法，把原始数据 做平均，得到的结果就比按照9 5 电平统计的结果要好几十几个d b 。 实际中有许多种统计方法。无论哪种方法，其最重要的问题在于 两方面，一是统计窗口的确定，二是如何适当地考虑快衰落影响。后面 将讲到，遵循李氏定律的统计方法由于把快衰落的信息去除得很彻底， 所以不适用于对场强覆盖进行评估。下一节就介绍几种常用的场强处理 方法。 2 4 场强采集和统计处理方法介绍 如1 - 2 节所述，场强测试的焦点问题是如何确定采样间隔以及采用 什么样的方法来进行统计处理。本节就出现过的几种方法及其应用场合 进行介绍。 2 4 1l e e 氏定律，以及其他类似方法 利用随机过程的理论分析，移动通信信号可以表示为式( 2 8 ) 的形 2 n 北京交通大学硕士论文第2 章场强测试方法 式，我们重写如下： r ( z ) = m ( j ) 乇( 工) ( 2 8 ) 其中，x 为距离，r ( x ) 为接收信号，r o ( x ) 为快衰落信号，m ( x ) 为信号 的慢衰落部分，称为本地均值。根据慢衰落变化规律，信号在几十个波 长的距离上经历缓慢的随机变化，其统计规律服从对数正态分布。李氏 定律指出，当我们在4 0 个波长空间距离上对样本取平均时，就可以得 到本地均值。具体做法是：在o 8 入1 1 1 入( 入为被测信号的波长) 之间选 取样本间隔采集样本，数据处理时按照每4 0 入的距离把原始数据等分成 若干段，将每段距离中的所有样本进行算术平均或求中值。这样得到的 值就能准确地代表m ( x ) 1 6 。 李氏定律自从提出以后，其思想得到了广泛的认同。但是其结果只 能作为场强测试的指导方法，而不一定是很严格的标准。曾经有其他论 文根据同样的思路，结合具体情况得出了其他结论。如，论文 1 7 】根据 所研究区域的快衰落概率分布不再是李氏定律中假定的瑞利分布这一 情况，提出在4 5 个波长为长度的测试区间内，以一个波长的间隔均匀 抽取样本，并重复测量4 次的测试方法。同样，在论文 1 0 中考虑了 接收机的线性特性，得到的结果为：对于使用线性接收机的情况，需要 在3 3 个波长的长度内，取样8 5 个样本，才能得到9 0 置信度，误差 1 d b 的结果；对于对数接收机，需要的样本数更多。 虽然有多种结论，但是无论取多大的本征长度和采样间隔，这一类 测试方法的目的都是为了得到本地均值m f x ) ，反应的是信号传播过程 中慢衰落的影响。而传播模型校正的原理和方法正是通过c w ( 连续波) 测试来获取特定位置上的本地均值m ( x ) ，从而利用这些本地均值来对 该区域的传播模型进行校正，得到本地区信号传播的慢衰落特性。因此， 北京交通大学硕士论文第2 章场强测试方法 这类采样和统计处理方法应用场合多是用于传播模型的校正。 对于场强验收来说，由于李氏定律其处理结果是场强的本地均值， 去掉了快衰落的信息，所以不能直接用来与要求的门限值做比较，统计 合格率。需要采用别的统计方法来处理所采数据。 2 4 2 合格率法 这种方法是用原始数据直接与门限值做比较。具体做法是： 从测试起点开始，将全线按1 0 0 米( 可设置) 等分为l 个区间。设 被测频点数为n ，第i 个区间内电平样本数为p i 。 设第n 个频点在第i 个区间内的电平值大于或等于一9 2 d b m ( 可设置) 的样本数为l i ，计算比值： m i = l i 伊i 计算各区间的n l i ，n = 1 ，2 ，n ；i = 1 ，2 ，l 。对每一个被测频点， 画出一条m i 的沿线分布曲线。 2 4 3 合格率法的改进方法 另外一种改进的方法是将1 0 0 米的间隔作为一个统计区间，将测试 得到的原始数据与规范中的门限电平做比较，并统计大于等于门限的百 分比。若百分比达到要求值以上，则认为该区间合格：若百分比小于要 求值，则需要再次处理，此时按照l o 米间隔将本统计区间划分为1 0 个 更小的区间，逐一统计1 0 米区间内合格电平的百分比，若只有1 个1 0 米区问不合格，则说明在】o o 米内只有1 0 米的弱覆盖区，于是可以认 为这1 0 0 米的是合格的。否则认为这个1 0 0 米区间不合格，需要对网络 进行优化。 北京交通大学硕士论文第2 苹场强测试方珐 2 4 49 5 电平统计法 这种测试方法是以9 5 电平为结果值，进行合格与否的判断。基本 做法是： 从测试起点开始，将全线按1 0 0 米等分为l 个区间。设被测频点数 为n ，第i 个区间内电平样本数为p i 。那么，第n 个频点在第i 个区间 内的第k 个样本记为： r x l e v n i k ，n = 1 ，2 ，n ；i = l ，2 ，l ；k = 1 ，2 ，p i 第n 个频点在第i 个区间内累积概率9 5 处的电平值记为r x l e v n i ， o 9 5 ，定义如下： 风l e v n i ，o 9 5 ： p 凡1 e 州k r x l e v n i ，o 9 5 ) = 9 5 k = 1 ，2 ，p i 统计各个区间的r 盖l c v 血，o 9 5 ，n = 1 ，2 ，n ；i = l ，2 ，l 。对每一 个被测频点，画出一条r x