（通信与信息系统专业论文）gsmr无线电波覆盖及边界场强的研究.pdf

中文摘要 摘要：在铁路轨道交通控制中，无线通信平台是指挥列车运行、组织运输生 产及进行公务联络等的重要基础。随着移动通信技术的飞速发展，g s m - r 专用移动 通信系统在铁路跨越式发展中扮演着越来越重要的角色，已成为铁路通信发展的 方向，其中无线电波覆盖和边界场强特性是决定无线通信工程设计和无线网络规 划及优化的最核心要素。 本文针对我国的铁路现状，对铁路各种速度环境下的路径损耗、小区覆盖半 径、重叠区等，以及g s m - r 与g s m 频率空间分割共用方式的边界场强进行了深入 地分析和仿真。 在h a t a 模型的基础上，引入速度和列控因子，提出了一种更为合理的小区覆 盖半径算法，并第一次研究了列车运行速度对覆盖重叠区的影响。利用最大切换 时间、切换容限、小区覆盖半径等参数计算了在大城市、中小城市、郊区、乡村 准开放地区、乡村开放地区不同列车运行速度时重叠区的长度，并进行了性能分 析，同时给出了仿真曲线。分析与计算结果表明该方法简单、高效，具有实用价 值。 结合我国特有的频率空间分割共用方案的特点，对铁路边界场强进行了建模， 提出了一种计算g s m 系统对铁路g s m 。r 通信干扰的算法。包括对g s m 基站在铁 路线上造成的干扰建模和g s m - r 基站在铁路线上产生的有用信号建模，进而在模 型基础上，推导和仿真了g s m 基站的发射功率、g s m 基站在铁路线上的干扰信 号强度、g s m r 基站在铁路线上有用信号的强度，最终分析出铁路线上的信干比 以及影响信干比的各种因素，给出了建议的边界场强值。 关键词：g s m r ；覆盖；边界场强；重叠区；车速 分类号：t n 9 2 9 5 ；u 2 8 5 j b 丞銮遵盔堂亟堂位j 金塞旦墨王丛王 a bs t r a c t a b s t r a c t ：i nt h er a i lt r a f f i c c o n t r o l ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np l a t f o r mi sa l l i m p o r t a n tb a s et oa d m i n i s t e rt h eo p e r a t i o no ft r a i na n do r g a n i z et h et r a n s p o r t w i t ht h e r a p i dp r o g r e s s o fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，d e d i c a t e dc o m m u n i c a t i o n s y s t e mf o r r a i l w a y g s m rp l a y sam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to ft h e r a i l w a y , a n di sb e c o m i n gt h ed e r e c t i o no ft h er a i l w a yc o m m u n i c a t i o n a c c o r d i n gw i t ht h ec u r r e n ts i t u a t i o no fc h i n a ，t h ep a p e rd e e p l yr e s e a r c h e sa n d s i m u l a t e st h el o s so fa i rp a t h ，c o v e r a g er a d i u sa n do v e r l a pc o v e r a g e ，a sw e l la sf i e l d s t r e n g t ho nb o u n d a r yu n d e rt h em u l t i p l ef r e q u e n c y ，w h i c hi sb e t w e e ng s m - ra n d g s mi nt e r mo fs p a c e b a s e do nh a t am o d e l ，w i t hc o n s i d e r i n gt h e s p e e da n dt r a i nc o n t r o lf a c t o r s ，a r e a s o n a b l ea r i t h m e t i co fc o v e r a g er a d i u si sp r o p o s e d ，a n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h et r a i n s p e e da n dt h eo v e r l a pc o v e r a g ei sr e s e a r c h e d b ym e a n so fh a n d o v e rt i m e ，h a n d o v e r m a r g i n ，c o v e r a g er a d i u sa n ds oo n ，t h el e n g t ho fo v e r l a pc o v e r a g ei nf i v et y p i c a lr a i l w a y e n v i r o n m e n t sa r ec a l c u l a t e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c ei sa n a l y z e dt o o t h es i m u l a t e dc u r v e s a n da n a l y s i si n d i c a t et h a ti ti su s e f u la n de f f e c t i v e f o l l o w i n gt h ec h a r a c t e ro ft h ef r e q u e n c yr e u s ea c c o r d i n gt os p a c es p e c i a l l yf o r c h i n e s er a i l w a y , t h em o d e lo f t h ef i e l ds t r e n g t ho nb o u n d a r yi sb u i l t ，a n dt h es c h e m eo f c a l c u l a t i n gt h eg s m - ri n t e r f e r e n c es i g n a lf r o mg s mb a s es t a t i o ni sp r o p o s e d t h e m o d e li n c l u d e st h ea f f e c to fg s m ra n dg s mb a s es t a t i o nt ot h et r a i n ，t h e nt h et r a n s m i t p o w e ro fg s m b a s es t a t i o n ，t h es t r e n g t ho fi n t e r f e r e n c es i g n a la n dt h es t r e n g t ho fu s e f u l s i g n a la r ec o m p u t e d a tl a s t ，t h ec ii sg i v e na n dt h ef a c t o r st h a ti m p a c tt h ec ia r e a n a l y z e d ，a n dt h er e a s o n a b l ef i e l ds t r e n g t ho nb o u n d a r yi ss u g g e s t e d k e y w o r d s ：g s m - r ；c o v e r a g e ；f i e l ds t r e n g t h ；o v e r l a pc o v e r a g e ；t r a i ns p e e d c l a s s n o ：t n 9 2 9 5 ：u 2 8 5 v 图表目录 表1 1g s m r 在全球的发展规划l 幽1 1 本课题在g s m r 专用通信系统中的地位2 酗2 1 平均路狰路径损耗、快衰落和慢衰落8 幽2 2 正态分布概率密度函数9 幽2 3 瑞利分布概率密度函数1 1 幽2 4 赖斯分布密度函数。1 2 袭2 1 通信概率指标和覆j f 指标。1 4 | 鳌l3 1 边缘覆盖概率与小区内覆盖概率关系曲线。1 9 表3 1 几种模型的适用范围2 1 图3 2g s m - r 铁路环境模型2 2 表3 2 移动终端分类袭l 2 4 袭3 3 路径损耗2 4 幽3 3h a t a 模型预测曲线2 5 表3 4 机车台的设计裕度2 6 表3 5 满足机车台正常通信的小区覆盖半径2 7 袭2 6 满足高架桥上机车台正常通信的小区覆蔫半径2 8 表3 7 车厢内手持台的设计裕度2 9 表3 8 区间手持台的设计裕度3 0 表3 9 满足区间手持台正常通信的小区覆盖半径3 0 圈3 4 重叠区示意图3 1 表3 1 0 行车速度3 3 表3 1 15 0 米基站高速列控环境中的小区半径3 4 幽3 5 大城市列控环境下重叠区随速度的变化关系曲线3 5 表3 1 2 大城市列控环境下重叠区随速度变化的取值3 5 图3 6中小城市高速列控环境下重叠区随速度的变化关系曲线。3 6 表3 1 3中小城市高速列控环境下重叠区随速度变化的取值3 6 幽3 7 郊区高速列控环境下重叠区随速度的变化关系曲线3 7 表3 1 4 郊区高速列控环境下重叠区随速度的变化取值3 7 幽3 8 乡村准开放地区高速列控环境下重叠区随速度的变化关系曲线。3 8 表3 1 5乡村准开放地区高速列控环境下重叠区随速度的变化取值3 8 幽3 9 乡村准开放地区高速列控环境下重叠区随速度的变化关系曲线。3 9 袭3 1 6 乡村开放地区高速列控环境下重叠区随速度的变化取值3 9 酗3 1 0 信千比示意幽4 l 表3 1 7 五小区复用的频率规划4 1 表3 1 8 两种规划方法所得的重叠区长度。4 l 幽4 1g s m 基站对铁路线干扰的分析模型4 4 图4 2g s m r 基站在铁路线上的有用信号的分析模型4 5 幽4 3 大城市，满足边界电平时g s m 基站的发射功率4 7 幽4 4 大城市g s m 基站在距公共边界2 k m 的干扰信号4 9 幽4 5中小城市，g s m 基站在距公共边界6 k m 的干扰信号4 9 圈4 6 大城市小区边界处移动台接收g s m - r 的有用倍号5 1 i j 6 | 4 7 中小城市，小区边界处移动台接收g s m - r 的有用信号5 1 图4 8 大城市，距铁路线2 k m 的公共边界处的信干比5 3 图4 9中小城市，距铁路线6 k m 处的信干比5 3 袁1 1 数据集页。6 1 致谢 本论文的工作是在我的导师钟章队教授的悉心指导下完成的，钟章队教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 钟章队老师对我的关心和指导。 钟章队教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，并对我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见， 在此向钟章队老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，朱刚教授、李旭副教授、张小津副教授、丁 建文等老师，安志翡工程师、蒋文怡博士、霍宏伟博士、马君硕士、孙若瑜硕士 等对我论文中的相关研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，感谢我的父亲、母亲和哥哥，他们的理解和支持使我能够 在学校专心完成我的学业。 1 1课题背景及选题意义 1 引言 2 0 世纪中期以来，在世界范围内，信息技术带动了铁路行业整体技术的迅猛 发展，行车指挥自动化、客货快运网络化、市场营销信息化和安全装备系统化使 铁路行业的面貌焕然一新。实践证明，铁路信息化是铁路行业发展的战略制高点 和现代化的主要标准【1 叼。作为铁路信息化的驱动力g s m r 技术，具有功能完善、 传输可靠、交换灵活、容量大等特点1 3 ，已在许多国家取得了良好的发展，并在铁 路发展中扮演着越来越重要的角色，引导着全球铁路事业向着数字化、智能化、 网络化和综合化的方向迈进。 目前，g s m r 的发展达到了又一个新高，截至2 0 0 6 年4 月6 日，世界各国计 划建设g s m r 铁路的里程数如表1 所示【4 】。根据我国中长期铁路网规划的发 展需要，以及目前国内铁路客货运输的发展规模，预计我国o s m - r 铁路的发展规 模将会位居世界第一位 袭1 1g s m - r 在全球的发展规划 t a b l e l 1t h eg l o b a ld e v e l o p m e n to f g s m - r 国家( 欧洲1 5 个，亚洲6 个)计划里程数 注：数据来源于2 0 0 6 年u i c 年会统计结果 在我嚣铁路揍惠化体系绩魏孛，g s m - r 专建移鹫台为铁鼹调廑摇箨系 统、列车运行缱织系统、铁路安全像障系统及客货营销系统提供了蜜全、可靠、 双向、移动的大容量车地信息传输通道嗍。 图1 i 本课题在g s m - r 专用j 嘏倍系统中的地位 f i 9 1 1 t h es t a t u so f t h i ss u b j e c ti nt h eo s m - rc o m m u n i c a t i o ns y s t c m 如图1 1 所示，g s 际r 移动通信网络是整个铁路系统组织运输藏产及进行公 务联络的核心部分，其中无线电波的传播情况悬g s m r 邋信系统的熬础之一，建 决定无线通镶王程设计穰无线嬲络娥划及优化翡最核心簧素，可靠熬无线覆盖嬲 纯净通信环 竟为话音业务、数据业务提供良好的传输通遂，进而为备种铁路应用 提供安全高效的信息服务平台 无线场强覆蓑帮痿芍萄靠转援童是蜂窝移动透镶系统中豹黧患和难患| 、藏 鼹，覆盖的好坏、信千眈性能是衡薰系统服务质量的重鬻指标。在掰络规划和优 化阶段都需辫对覆盖概率、干扰指标进行预测戚直接测黛以保障列率运行的商魔 安金霉靠蛙，潴是移动螽褒浍线霾隧瓣夔她襄鼹络逶信。龙其在采用g s m - r 黄输 列控信息的离速列车无线通信系统中，铁路沿线各点的电波覆盖和平扰情况将成 为狭定线路传输质量的关键指标。 垂l 予历史鹣嚣霆，我瀑g s m - r 系统镬羁麴频率( 上磐：9 8 5 8 8 9 m 琵，下舔 9 3 0 - 9 3 4 m h z ) 不是专用频率，而愚岛陆地移动公众网g s m 网络进行空间共用， 这种频率空间分割共用方式在全球范围还是第例，在o s m r 历史- 匕也是第一例。 众掰髑爨，羁缝壤孛溪令系统采建耪露戆频褰会零| 莛稳麓阉豹嚣簇子撬，最终 2 零羧嚣令系统爨无法歪露王穆。嚣慰这撵懿嗣馕，无疑怒慰我鏊季季鞣力量的一次 熏丈挑战。必于具体的燕用方案，嚣前还在激烈的讨论和协调中，没有定论。假 0 4 年时，中华人民共和豳铁道部与中国移动集团经过初步的协商，双方基本同j 敷 羧鬟錾壤遴行鬃搴共露嘲，瓣： 在直辖市、省会城市和计划单列市的城区，铁路g s m - r 覆盖范瞬应小于铁路 轨道两侧各2 k m ，其他地域覆盖范阐应小于铁路轨道两侧备6 k m 。覆盖范围内威 瀵是铁路g s m - - r 系统专蔼移动透壤进务痊热豹霉要。 但对边界场强的设鬻还没有达成共识，还脊待国内学者进行深入地探讨。猩 具有中国特色的频率空间分割共用方式下，对光线电波覆盖特性和边界场强设黛 每辑究是历曼懿嚣要，买莠重大戆意义。 现今，我豳初步建设了分别代袋高原、重载和繁忙千线的青藏线( 已于2 0 0 7 年7 月1 日藏式开通) 、大秦线、胶济线三条g s m - r 线路，客运专线的建设也已 避入实麓跨羧。在三条线薅建设过黢孛，势别滋瑗7 不霹疆痉覆盖粒手撬翊鬟， 严麓者造成了g s m - r 通信中断。赢接影响了铁路的正常逡输组织秩_ | 葶。这迫切甍 球将g s m r 的电波覆盏特性、与g s m 的边界场强协调撮上议事日程。 因魏，铁鼹环境下瓣无线场强覆蓑帮逮莽场强溺嚣豹研究，慰予捷毫铁鼹瀵 信质量和通信效率、完成更高水平的高速铁路移动无线通信都有着根本上的意义。 l 。2 国内卦研究现状 作为建立谨成熟g s m 通信系统上豹g s m - r 系统，其物理层的编码、交织、 诵鬣、瓣谲等麓g s m 惫致鹩 7 - 溺，稳应懿无线露终瓶巅技术等氇舔借鉴g s m 的成熟技术。但g s m 系统是为民用通信服务的，其规划局限在低速、非安全层面 上，丽g s m - r 系统需要为铁路通傧提供高速的、可靠的、丈容量的移动通道。随 麓g s m - r 逶信平台焉予承载歹鞋车投靠i 信患和离速铁路耱发震，怼g s m - r 系统静 离速性、安全性要求更为严格。这必然要求我们在对0 s m 墩的覆盖设计和边界塌 强设计对考虑速度和是磷承载列控傣息的影响 近些年来，雷内静酩有许多学撩致力予在移动透信的鼹径损耗、夺嚣覆盏举 径及重叠区等方面的研究。文献 1 3 卜 1 6 】对g s m 公网中的无线网络覆盖、小区半 径等进行了嫂划，毽没毒涉及铁路慰覆盖我 | 啻殊要求耧铁路特有黪损耗。文献 f 1 7 - 2 0 弥补了这一不足，精铁路环境作了详蹋的链路预算，并根据铁道部的蕊藏 进行了小区覆盖半径的设计，但没有考虑列车快速行驶对无线覆盖的影响和 g s m - r 承载猁控整惠对j i 雪萄靠性豹簧求。本文就是铮对懿述情况，褒雩| 入速度鞠 列控因子的前援下，提蹈了一种较为含理的精确的路径损耗计算方 轰和小区覆麓 拳经算法，以及在藏基懿上，善次深入疆究7 鬟叠区彝遴度熬关系，劳绘毒了荚 系公式和曲线，并进行了性能分析。 作为世界第一个g s m ，r 系统采用频率空间分割共用方式的国家，对边界场强 豹浚定，我稍没骞任傍黢熬经验可叛售鉴，爨骞魏醪究谯蹩赛上都怒耪戆尝试。 本文依据0 4 笮铁道部和中国移动集团初步协定的大城市2 k r n 边界和其他地区6 k m 边界，对铁路通信环境谶行了建模，研究了造成g s m 基站对g s m r 通信影响的 妻簧因素，分援了影确爨孽磺度，并绘窭7 吴搏熬售予毙( c i 蓬) 。貉子搴部分内 容属于开拓饿研究，相信其能为其他学者对频率空间分割共用方式的研究提供一 定的参考。 由上述霹蔑，基予g s m 戆毖缝公众移黎逶僖系统孛静薏线覆盖方案苓蛰含铁 路环境的要求，不能全盘借鉴；前入射g s m - r 无线覆盖的研究过于简单，没有考 虑铁路高速环境和承载列控信息的需求；而频率空间分割共用方案巾的边界场强 设鬻瓣臻究逐嚣手嚣肉乃至藿奏上熬第一次撵涎，没有嚣入豹磅究成梁虿数整鍪。 1 3论文主要工作鸟贡献 论文的主要工作是对g s m r 光线电波的麓础理论进彳予全面的研究分析，在此 基础上提出了种合理的精确的小隧覆盖半径算法，并剪次研究了黧叠区和速度 豹糖互关系。溺霹，黠潞m 最与g s 酝共焉频率方案迸驽了建骥，撼出了一秘诗 算g s m 基站对铁路g s m 。r 通信影响的方法，并最终定量的给出影响程度的计算 公式，分析了影响信于拢的各秭因素，从而推导出建议的边界电平傻。论文所涉 及瓣蠹容包辐； 论述了g s m - r 光线电波传播的基本原理，重点分析了快衰落、慢衰落特 性，包括衰落分蠢、衰落保护余量等；分绍了g s m - r 系统的乎扰源类型， 莠撩滋与其袋溺频率静g s m 阏络是圭簧的予撬因素；给毒7 各种麓范对 无线通信覆盖和平扰的指标疆求； 研究了各辨常用| i 勺传播模型，比较并说明可以利用h a t a 模型为铁路路径损 耗模黧的依据；在前入的研究基础上孳l 入速度帮戮控因子，箍遗了一耱甏 加适龠铁路环境的小区覆靛半径算法。 营次磷究了覆盖麓叠区和速度之闽豹关系，剃用最大切换对嬲、切换容限、 小区覆盖半径等探讨了在大城市、孛小城市、郊嚣、乡孝| 壤释放地区、乡 村开放地区列车送行速度对麓叠区的影响。通过将本文提出的方法与常规 静熏豢区趣划方法送 亍比较，说明了本方案的舍燃性和有效饿。 对g s m - r 系统和g s m 系统闯边界场强的研究避幸子建模，并农该模型萋确 4 土，撬出了一转诗雾g s m 笨统对铁路g s m - r 逶债手撬兹算法，劳谤算缮 出铁路线上的信平诧，给出了边界场强的建议傻； 分析了当自# 工作还不完普的地方，指出了下一步誓作的方向。 论文的结构为： 第一章引言综述选题意义、研究背景及主要工作。 第二拳g s m - r 羌线基穑理论及耱关技拳捂檬奔绥了无线毫浚传播税刽； 推导了无线电波的衰落特性，包括快、慢衰落的分布朔保护余量； 介绍了g s m r 系统的鼍：扰来源猢g s m r 无线网络的棚必技术指橼。 第三章g s m - r 秃线亳波覆藏糁缝豹磷究蓄先对髭绕电波酶夺送透缘帮夺 区内的覆藏概率进行了推导，然后介绍常用的传播模溅，并经综合 分析得出h a t a 模型悬最适合铁路环境的传攒模型。在以上分析基础 土，提出了一种更为会瑾的毒 冀小嚣覆盖拳径静算法，给毒7 锋辫 机车台、离架桥上的机车台、车厢内手持台、区间内簪持台的小区 覆盖半径。最后，蓄次利用最大切换聪间、小区覆盖彬经、切换容 限等参数辩覆盖重叠嚣进行戴矧，给出了在琴丽速度下，重叠嚣静 长度并同常规方法进行了对比 第四章g s m - r 边赛场强韵硬究念绍了g s m - r 与g s m 空阗分割频率共辔 的现状，接着对铁路g s m - r 透舞场强的研究迸行了建模，继两在该 模型的基础上，提出了一种计算了g s m 系统对铁路o s m - r 通信千 撬约算法，攉导魏携囊了g s m 纂避豹发射功率、g s m 基弦在铁路 线上盼干扰信号强度、g s m r 萋站在铁路线上有用倍学的强度，簸 终分析出铁路线上的信干比，以及影响信予比的各种阏索，给出了 建议戆边赛场强篷。 第五章憨结和展翅对所做工作进行了慈结，并钟搿论文中述宥待迸一疹 研究的地方，提出了将来的发展方向。 2g s m r 无线基础理论及相关技术指标 2 1无线电波传播机制 移动通信系统中，若电磁波在理想的、均匀的、各项同性的介质空间中传播 时，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗，即自由空间损耗。此外，影响无 线电波传播的三种最基本的机制是反射、绕射和散射。 2 1 1自由空间波 自由空间传播模型适用于预测接收机和发射机之间是完全无阻挡的视距路径 时的接收信号场强。卫星通信和微波视距链路是典型的自由空间传播。自由空间 中距发射机d 处天线的接受功率，由f r i i s 公式给出【2 l 】： 删) = 器 q j 其中，只为发射功率，l ( d ) 是接收功率，为t - r 距离的函数；q 为发射天线 增益；g ，是接收天线增益；d 是t - r 间距离，单位为米；上是与传播无关的系统 损耗因子：五为波长，单位米。天线增益与它的有效截面相关，即： g ：! 堕 ( 2 2 ) 凳 显而易见，f r i i s 公式不包括d = 0 的情况。为此，使用近地距离瓯作为接收功 率的参考点。当d 魂时，接收功率只( d ) 与魂处的只相关。0 ( ) 可由f r i i s 公式 预测或由测量的平均值得到。参考距离必须选择在远场区，即磊 d ，同时磊小 于移动通信系统中所用的实际距离这样，自由空间中接收功率为： p a d ) - - - p , ( a o ) f - ) 2d 磊办 ( 2 3 ) 2 1 2反射 电磁波遇到比波长大得多的物体( 地球表面、建筑物和墙壁表面) 时发生反 射。有效反射区的大小基本上由第一菲涅尔区或者2 3 个菲涅尔区所决定 平坦地面反射波的幅度和相位取决于反射系数( 和地面的介质常数及入射角 的大小有关) 、反射点处入射波的幅度和相位的大小以及入射波的初始极化 反射系数：( 对于第一介质为自由空间和朋= 如的情形) r ，：兰堡垒巨竺磐 6r s i n o , + 3 sr c o s le | r ：! 盟型；：三! ! 丝 。s i n e , + 一c o s 2 只 其中只为入射角，g ，为介质的介电常数。 2 1 3绕射 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 当入射射线遇到散射体边界面的边缘、拐角、尖顶和凸曲面时，会产生一新 的绕射射线( 在高频段，绕射依赖于物体的形状，以及绕射点入射波的振幅、相 位和极化情况) 。 绕射现象可由h u y g e n s 原理解释，说明波前上的所有点可作为产生次级波的 波源。这些次级波组合起来形成传播方向上的新的波前。绕射由次级波的传播进 入阴影区而形成的。阴影区绕射波场强为围绕阻挡物所有次级波的矢量和。接收 能量为非阻挡菲涅尔区( 在发射机和接收机之间的附加路径延迟为半个波长整数 倍的一簇球) 所贡献能量的矢量和。 如果阻挡物不阻挡第一菲涅尔区，则绕射损失最小，绕射影响可忽略不计。 一般经验，视距链路设计只要保证5 s 的第一菲涅尔区保持无阻挡，其他菲涅尔 区的情况基本不影响绕射损耗。 2 1 4散射 当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨 大时发生散射( 粗糙表面、小物体或其他不规则物体，如树叶、街道标志和灯柱 等) 由于反射能量散射而分布于所有方向，导致接收到的信号要比单独绕射和反 射模型预测的要强。散射通常会造成多径效应。 当给定入射角p ，表面平整度的参考高度红为： 九= 8 s l i n 8 j ( 2 6 ) 如果表面上最大突起高度h 小于玩，则认为表面是光滑的，否则认为是粗糙 的，反射系数需要乘以一个散射损耗系数。以代表减弱的反射场。 2 2 无线电波衰落特性 衰0 黪蒜篙警憾承慢 场强 ( d b m l * 啦貉戳摔损耗、快褒落和慢衰落i n g g9 1 v - l o s so f p a t h , f a s tf a d i n g a n ds l o wf adfi 2a v e r a g el o s so f p a t h 9 2 2 1 平均路径损耗 锄稚赫黼篇1 0 髫2 泣7 ， p 厕：瓦两+ 舶g 印 u 。7 其中：磊为近地参考距离，由测试决定； d 望，芝要塞数。袭明路径损耗随距离增长的速率。它的取值依赖于 刀为路径损耗指数，表明路径损耗睫距闻塌医则8 特定的传播环境，自由空间取之为2 ； 2 2 2慢衰落 1 ) 馒衰落产生的原因 电波在传播的路径上遇到起伏的地形、建筑物、树林等障碍物的阻挡，在障 碍物的后面，会形成电波的阴影区。阴影区的信号场强较弱，当移动台在运动中 穿过阴影区时，就会造成接收信号场强中值的缓慢衰落。通常把这种现象叫做阴 影效应另外，由于气象条件的改变，电波折射系数随时间平缓变化，使得同一 地点接收到的信号的场强中值也随时间缓慢的变化。有阴影效应和气象条件变化 造成的接收信号的缓慢变化称为慢衰落。气象条件引起的信号场强变化一般小于 阴影效应造成的信号场强变化，通常可以忽略刚。 慢衰落的衰落速率与频率无关，其衰落速率主要决定于传播环境，即移动台 周围的地形，包括起伏的山丘，建筑物的分布与高度及结构、街道的走向、基站 天线的位箕与高度以及移动台的速度。 慢衰落的深度，即接收信号场强中值电平的变化幅度取决于信号频率与障碍 物的状况频率较高的信号比频率较低的信号容易穿透建筑物，而频率较低的信 号比频率较高的信号具有较强的绕射能力。同时，各种建筑物对电波的吸收能力 也是不同的，例如，砖石材料的吸收能力较小，钢筋混凝土的较大，钢架结构的 最大。 2 ) 慢衰落的分布 慢衰落服从对数正态分布。当信号用分贝数表示时，它的分布就是正态分布， 其概率密度函数可用下式表示： 式中：x 为信号中值的分贝值； m 为信号中值x 的均值( 分贝) ；仃为信号中值x 的标准偏差。 概率密度如下： 图2 2 正态分布概率密度函数 f i g 2 2t h ep d f o f n o r m a ld i s t r i b u t i o n 9 ( 2 8 ) 在趸悫势穆孛，均馕朝是孛毽，嚣薅其豢积壤率分穆邈数只与撂准壤差玎鸯 荚。 3 ) 慢衰落保护余量 透鬻定义中僮电平奄蓑低必须场强之闰懿差值菇衰落余量或衰落傈护度。掰 以根据对数弼态分布函数的积累值计算，当要求在9 0 的地点满足场强要求，即p ( x x ) = 9 0 时，转挽成标准正态的丞数查袭可知对应的x 值为m 一1 2 8 c r ，根攒 意义，m 一( m 1 2 8 玎) = 1 2 8 莎，应该墩1 2 8 莎作为偌号超适中毽躬余量。阉 样的道理，如果要求9 5 的概率，则应取1 6 4c r 作为余纛。 慢衰落鲍特性是与环境特征密切楣关的，遽常用电场实测的方法找出其统计 瓣律。现场实测时将同一类嚣壤律为一个测试嚣，然看髯将整个溅试区分成诲多 小的样本区，在每一个小的样本区，测试接收信号电平，并求出小暇内的均值， 遴褥求出其变化懿统计规德以及德，这样仃德就可以应用于保护余量躲计算上， 2 2 3快衰落 1 ) 茯衰落产生酶嚣透 由于电波传播过程中会有各种备样的反射、散射、绕射等等，还有移动台遴 动造成豹多磐勒频移，会导致到达穆动台戆信号不是由攀一路径，聪是 夸多路径 的众多电渡禽成的。多径传播使接收信号的福度、相位和捌达时阕发生变化，并 且到达移动静的接收信鼍来自许多不同路径，这些具有不同到达时嫩的接收信号 在接牧端耀惹叠期，有辩叠热造成偿号增强，肖要重候造成减弱，这梯，接收信学 的幅度将急麟变化，产驻了衰落现淼。这种衰落由多径佟播雩 起的，称为多经衰 落，也称快袭落。快衰落的幅度可能非常大，肖的能达到1 0 d b 以上，严重时还可 能粼2 0 , - 4 0 d b 。 2 ) 快衰落的模型 如有n 个路径的屯波，其备自的振幅为照机分布，各棚位也是在0 - - 2 万内随机 均匀分布的，盥没有起童学律用静豢射波，这辩它们懿憨释静包络( 静振幅) 瞧 悬一个随机羹，其包络s ( 即快衰落) 的概率密度分布服从瑞利分布； #一 p ( 砖。旁唧卜寺) ( 2 9 ) 概率分布密度如下所示： 幽2 3 瑞利分币概翠蛩魇豳敢 f i g2 3 t h ep d f o f r a y l e i g hd i s t r i b u t i o n 平均值为e ( 沪j 印( 5 ) t 2 j 三6 * 1 2 3 5 6 ( 2 1 0 ) 平均功率为e ( j 2 ) 2 i - s 2 p o ) d s ：2 b 2 ( 2 1 1 ) 信号包络值大于某值的概率为 p ( s z ) - 1 一紊e x p ( 一砉) 出= e x p ( 一斋) ( 2 1 2 ) 我们把累计概率为5 0 的值称为中值，即e x p ( 一嘉) = o 5 瓯；1 1 7 7 b = 0 8 3 2 4 2 b 2 1 3r( 2 ) 注意瑞利分布中均值不等于中值，相差o 5 4 d b ，工程上有时可以互相代用，然 而在概念1 - 是不相同的。 当有一条直接的视距射线或有特别强烈的反射波起主导作用的时候，它将改 变振幅的概率分布，这时有一个较稳定的成分和大量的多径信号，这种情况属于 赖斯分布。概率密度函数为 p = - o x p - 与笋移 ( 2 式中，卢为稳定信号的振幅y = 睾其中s 为的r m s 值； 厶为零阶贝塞尔函数。 届一嘴划分布 厂、 篡新分布 |殳 岛- 3冉巧 人j | 7 、 via 。 ? i、 - 纱。 、 j、 ， 图2 4 赖斯分布密度函数 f i g2 4 t h ep d f o f r i c e a nd i s t r i b u t i o n 赖斯的概率分稀密度函数和稳定值的相对大小有很大关系，当屁= o 的时候， 即没有直射波的情况下，赖斯分布即为瑞利分布。在小区半径缩小到1 公里以内 或者无线电波在室内传播的情况下，其场强经常是属于赖斯分布的。 3 ) 快衰落保护余量 接收信号的随机变化，使得不能在任何时刻都得到能维持正常通信所必需的 信号强度，严重时甚至使通信中断，这就使得我们在表征地点的场强时，必须使 用统计概念，即中值( 或平均值) 和方差以及衰落余量等。衰落余量的大小决定 着通信的可靠程度，反之，对可通率的要求决定所需的衰落余量。 根据p ( s 2 x ) = e x p ( 一z 2 2 b 2 ) ，当p ( s x ) = 9 0 时， 解得， x = o 4 5 9 0 b ， 又因为瑞利分布的中值- - 1 1 7 7 b ， 所以， 快衰落保护余量为= ( 1 1 7 7 0 4 5 9 0 ) b = o 6 1 8 b 同样，当概率为9 5 ， x = o 3 2 0 3 b ，中肾1 1 7 7 b ， 快衰落保护余量= ( 1 1 7 7 0 3 2 0 3 ) b = o 8 5 6 7 0 快衰落中，由于瑞利分布的衰落比莱斯分布快，所以在计算快衰落余量时， 采用瑞利分布即可。 2 3g s m r 无线系统干扰类型 ” 让 叭 鼍端懈鼍鼍 g s m r 的干扰源分为系统内部干扰和系统外部干扰，其中系统内部干扰主要 是频率规划和小区规划不当，造成的同频、邻频干扰，或者是直放站对g s m - r 系 统的干扰。而g s m r 系统外部干扰源分为g s m 网络的干扰，c d m a 基站下行链 路对g s m 壤上行链路的干扰，全频段或部分频段人为故意大信号堵塞干扰，人为 故意瞄准式或扫描跟踪窄带干扰，工业噪声、天电噪声等【硐。 如1 2 所述，由于陆地移动公众网g s m 和g s m - r 网络采用相同频率( 下行： 9 3 0 , 9 3 4 m h z ，上行8 8 5 - 8 8 9 m h z ) ，g s m 是民用的公众网，0 s m r 是半军事化的 专用网，两个网络采用相同的频率，必然会导致二者的相互干扰。同时，经过g s m - r 铁路建设的实践，我们发现影响g s m - r 通信的最主要干扰来自于和g s m r 采用 相f 司频率的g s m 网络，由它产生的同频干扰和邻频干扰至今还阻挡着g s m - r 的 发展。 2 3 1同频干扰 同频干扰是指所有落到接收机通带内的与有用信号频率相同的无用信号的干 扰。这些无用信号和有用信号一样，在超外差接收机中经过放大、变频而落到中 频通带内，因此只要在接收机输入端存在同频干扰，接收系统就无法滤除和抑制 它。存在同频干扰的频率范围是矗耳2 ，f o 为有用信号载波频率，耳为接收机 中频带宽。 2 3 2邻频干扰 与所使用频率相邻的频率信号产生的干扰称为邻道干扰。邻道干扰的产生主 要是因为接收滤波器的阻带衰减不够陡峭引起了相邻频带信号的泄漏。只有当两 个相邻频率的接收机距离很近，干扰信号的强度超过了接收机灵敏度时，邻道干 扰会对接收机的正常工作造成影响。 2 4g s m r 网络技术指标 2 4 1g s m - r 场强覆盖指标 根据铁路对列车安全和通信服务质量的特殊要求，g s m - r 无线覆盖区和公共 移动通信网的覆盖区的规定是不同的。在铁路或公路的覆盖中，移动台往往处于 高速移动状态，信号的场强变化复杂，很难确定某一点的具体场强值。场强的时 间地点覆盖率就是从场强的平均变化这一意义上来理解覆盖区域e i r e n e ( 欧洲 统一无线增强网络标准) 针对不同的业务对g s m r 场强覆盖提出了不同的要求 【2 4 】： 对于语音和非安全数据，规定门限电平为一9 8 d b m ，要求场强达到9 5 的覆盖 概率； 在e t c s 2 3 级的铁路线上行驶速率小于或等于2 2 0 k m h 的情况下，规定门 限电平为- 9 5 d b m ，要求场强达到9 5 的覆盖概率； 在e t c s 2 3 级的铁路线上，行驶速率大于2 8 0 k m h 的情况下。建议门限电 平为- 9 2 d b m , 建议覆盖电平达到9 5 的覆盖概率： 在e t c s 2 3 级的铁路线上，行驶速率大于2 2 0 k m h 且小于或等于2 8 0 k m h 的情况下，建议门限电平为在一9 5 d b m - 9 2 d b m 之间，要求场强达到9 5 的 覆盖概率。 2 4 2通信概率指标 g s m r 数字移动通信网技术体制( 暂行规定) 中规定了无线覆盖区的无线 可通斛2 5 1 ，如表2 1 所示， 袭2 1 通信概率指标和覆盖指标 c h a r t2 1t h er e q u i r e m e n t so f c o m m u n i c a t i o np r o b a b i l i t ya n dr a d i oc o v e r a g e 2 4 3同频干扰保护比 g s m r 数字移动通信网技术体制( 暂行规定) 中规定了无线网络的同频干 扰保护比： 控制信道及列控业务信道：c i 芝1 2d b ， 其他业务信道所在频率的：c i 芝9d b 。 2 4 4邻频干扰保护比 g s m r 数字移动通信网技术体制( 暂行规定) 中规定了无线网络的邻频于 1 4 扰保护比： 偏离载波2 0 0 k h z 时的干扰保护比：c ，坠一6 d b 。 偏离载波4 0 0k h z 时的干扰保护比：c 砭一3 8 d b 。 3g s m r 无线电波覆盖特性的研究 夔着铁黪运耱淘毫遮纯、穰恚纯方彝发震，铁路逶镶技零瞧亵恣毒霉纛缓豹 无线移动化方向发展，而无线电波覆盖特性罴决定无线网络质量的最核心要素。 冤线网络历来是移动通信系统中最薄弱的环节，覆盖的好坏是衡量系统服务质量 懿重要撵繇，霾耍乏莛繇窝移动逶傣系统孛熬鬟患和难熹滴趱。在铁鼹嚣凌孛，笼 线电波覆盏的优劣童接影响铁路通信的质量和效率，甚黧决定列车运行的安全饿 鄹可靠性。 铁路移攘发震“手一五”援鬟攀拜2 0 2 0 年妖麓麓翻缨簧孛褥褰逮舞车、毒遮纷 率控制技术、高速铁路擞全监控系统列为熏点研发内容，这对无线嘏波覆盖提出 丁更为严格的要求。因此，深入研究铁路各茅巾速度环境下无线电波的覆盖问题， 瓣撬秀铁鼹鼹务震耋，毙或更毒拳警豹毒速绞鼯移臻无线邂信都弯警麓要魏意义。 本章将谯介绍覆盖概率和传播模型的基础上，给出路径损耗的计算公式，甜 飘张地理环境、嚣类铁路线路( 高速、非高速) 、理种移动终端进行分别组合，计 葵蒺一穗定邵境下懿小鏊覆盖半经；继瑟铡鬟轰大切换辩瀚、访换攀疆、夺嚣覆 盏半径等参数，第一次讨论了重叠区和速度的关系，给出了一种新的重叠区规划 方法，劳比较分析了该方法的性能。 3 1 覆盖概率 覆盏穰鬻楚描述无线奄渡覆蘸情况的最羹蒙的指标，它逶常是攒统诗意义土 的覆盖，与时间概率和地点概率有关，但由予场强时间分稍的标准偏差很小，敞 我 | 】常忽路英对闻依赖憔，只考虑它约地点分布概率。光线网络常审用覆盖概率 泉衡量网络的质量。 3 。1 1 鬟, - j - 数王态阴影 在无线网络中，蒸予理论和测试的传播模型指出，无论室内或擞外信道，平 均接牧信号功率是随鼹燕靛j c 圣数衰减。这秘模整已经被广泛熬使鼹。慰予经意鼯 离，平均大尺度路径损耗表示为 t z ( d ) d b 】= p z ( a o ) 十1 0 n l o g ( d a o ) ( 3 1 ) 藤塞墟厶警磁土堂燕逾鸾