（通信与信息系统专业论文）铁路并线区域gsmr网络规划与关键问题分析.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：g s m r 作为调度通信的一种制式，2 0 0 0 年从欧洲引入中国以来，已经在中 国一万多公里的铁路和几个大型编组站上得到了应用。我国新建铁路g s m r 网络 规划最初是针对单一的线路或编组站进行，规划环境比较单一，随着高速铁路和 客运专线的快速建设以及既有线和编组站电气化改造的快速进行，无线网规划需 要处理的环境越来越复杂，尤其在铁路正线之间，铁路与编组站之间完全并行或 相互跨越时，无线网规划面临严重的无线覆盖、频率规划和业务实现难题。如何 在满足网络工程设计指标的前提下，充分利用频率资源，合理进行并线区域统筹 无线网络规划，达到容量、覆盖、质量和成本的平衡，根本解决铁路并线区域g s m r 网络的规划问题，已经成为当前亟需研究的重要课题。 基于上述原因，本文对铁路并线区域g s m r 网络规划与关键问题进行了系统 的分析和研究。结合中国铁路建设现状，阐述了g s m r 频段划分、业务模型、铁 路话务模型、无线传播模型、同邻频干扰模型、网络覆盖模型和工程设计指标， 归纳了中国铁路两大类共五种并线类型，分析了高速铁路并线区域和编组站的业 务需求。论文研究了新的g s m r 无线网规划技术，通过引入g r r u ( g s md i g i t a l r 锄o t ei 江u l l i t sg s m 数字射频拉远) 技术，提出了有针对性的铁路并线区域无线 网络规划解决方案，并从频率规划难度、干扰情况、切换和可靠性等方面对网络 规划方案进行比较，得出了既能保证铁路通信的安全、可靠又能节省投资成本的 最优方案。 为验证方案的可行性，论文以郑西高铁与新丰镇编组站并线区域无线网规划 为例，根据o l ( 1 蛐u r a h a t a 模型推导了在满足高铁工程建设指标的条件下同邻频载 波干扰比计算公式，对同邻频复用距离作了仿真分析。研究结果表明，本文提出 的铁路并线区域无线网络规划解决方案，一定程度上能够缓解铁路并线区域频率 资源紧缺问题，改善并线区域的无线覆盖质量，满足铁路特殊业务的要求。 关键词：g s m r ；并线；网络规划；编组站；g l u w 分类号：t n 9 2 9 5 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：a sas t 锄d 砌o f d i s p a t c h i n gc 0 伽n u i l i c 撕o n 内rr a i l w a y g s m - rw 嬲 i n t r o d u c e di n t 0c i l i n a 劬me l 鹏p ei i l2 0 0 0 锄dh 嬲b e 锄w i d e l y 璐e di nan u n l b 盯o f r a i l w a yl i i l e s 觚dl 弼em 躺h a l l i n gy 硼s a tt h ev 叫b e 舀叫n & g s m rn 咖o r ko f n e wr a i l w a yi s o i l l yp l 锄e df o ras i n g l el i i l e 0 rm 孤s h a l l i n gy a r d ，l ep l 锄血n g 铋v i r 0 眦础o fw l l i c hi sv e r ) rs i m p l e x w i 廿lm er a p i dc 0 嬲t m c t i o no fh i 曲一s p e e d r a i l w a ) 偈觚de l 洲f i c a t i o no fe x i s t i n gl i n e s 锄dm 龇s h a l l i r 唱y 莉s ，m ee r i r 0 珈【1 1 e n to f t l l e 、i r c l e s sn e t 、) i ，o d 【n d st 0h a n d l ei sb e c o l i l j n gm o r ea n dm o r ec o m p l 懿e s p e c i a l l y i nn l ep l a c e 嘶h e n l er a i l 、祝yl 洫ec o m p l c t e l yp 删l e l0 rc r 0 鼹觚。廿1 盯r a j l w a y1 i n eo r m 砌a l l i n gy a m ，w i r c l e s sc 0 v e r a g e ，舶q u 锄c yp l 舭n i n g 觚do p e 础0 n a l i m p l e m 既i t a t i o na n l es e r i o u sp b l e i i l sn e c dt 0f a c e i i lw i r d e 鹳n e t w o r kp l 赳1 l l i l l g a r 盯c 0 一l i 北p r o b i 伽啮t i l m i n gu p ，i tb e c o m 嚣锄u 唱e n tr e s e 疵ht o p i co fh o wt 0m a k e f i l l l 璐co ft l l e 丘e q u 饥c y 托u r o 咚，觚dm a l 【ear e 弱0 n a b l ep l 锄m n g 向r 谢r e l e s s n 咖o d 【i l lt l l e0 0 - l i 粥托g i o nm 训o n e da ：b 0 v e ，锄df i n a l l ym a l 【eab a l 锄c co ft l l e c a p a c i 劬c o v a a g e ，q 硼i t ) r 觚dc o s tu n d e rt l l ep r e c o r l d i t i o no fs a t i s 研n ge n g i n e 耐n g d 懿i 乒s p e c i f i c 撕。粥 f 甜m e 删a b o v e ，g s m rn e 脚o r kp l 锄1 i n ga n d 丽6 c a li s 鲫鹤i n 蟛c 0 - l i n e 嘲a d e 印l y 豫汜黜h e d b 鹤e d 衄m ec 衄- e n tc 0 地仃u 舐s i t 删o fc h i i l a r a i l w 嘞g s m rb 锄d sd i s i o l l b 哪i n 鹪sm o d c l ，r a i l w a y 仃a 伍ci n o d e l ，w i r e l 嘲 p r o p a g a 缸o nm o d e l ，c 0 一c h 锄n e l 跹da d j a c e n tc h 锄n di n t e 醯e 孙m o d e l ，n e t w o r l 【 c 0 v 盯a g em o d e la r l d 饥g i n 血gd 鹪i g ns p e c i f i c 撕。嬲黜c 1 a ：b o r a t c d t l l i sp 印惯a l d e f i n 韶6 v ct y p 鹤o fc 0 - l i n er 9 舀o na n d锄a l y z 嬲n 圮b 嘲i n 豁s嘲u 胁l e n t so f l l i 曲- s p e e dc o - l i 舱r e g i o n 狮dm 郴h a l l i n gy a r d n e wt e c i l i l o l o g yi sa l s ob r o u g h to u t g r r ut e c l m o l o g ) ri si i l 仃0 d u c e d 鹪s e v e r a ln 咖o r kp l 锄l i i l gs c h 锄鹤f o rd i 晒嗍t c 0 - l i i l et y p 懿a n d c o m p a r e dt o 抢s c h 锄e s 丘。o m 丘o q 佩l c yp l 枷n g ，i n t e r f e r e n s t a t 吣， s 、) i ，i t c l l i n g 锄dr e l i a b i l i 呗m 吼ao p t i m a lp r 0 班哪i sc o n c l u d e d ，w 1 1 i c h 饥s u s l e s a 触y 锄d 犯l i a b l i t yo fm i l w a yc 咖瞰l u l l i c a t i o n 锄ds a v 鹤i n v e s n i l e n t t 0v 丽匆t i 圮佗鹤i b i l i 坝t a k et l 圮p a r a l l c lc 0 - i i l 怆他垂o fz h 孕h o u - ) ( i 锄 h i g h - s p e c dr a j l w a ya n d ) ( i n f 饥g z l l m 趿；h a l l i n gy a m 鹤m 弧眦i p l e b 嬲e d o l ( 啪u r a h a t an i o d e lt l i ec if 0 n n u l ai sd e d u c c dw h i c hc a nm e e tm ec o n s 缸u c t i o n i 1 1 d i c a t o 娼，a n da l s oas i m u l a t i o n 吼a l y s i so f 行e q u 饥c yr e 姻ed i s t 觚i sg i v e n t h e 舱s u l t ss h o w l a t ，m es o l u t i o no fr a j l w a y1 i 鹏r e 西o nw i r e l e s sn e t 、) l ，o r kp 1 锄i n gp r o p o s e d ， 北京交通大学硕士学位论文 t 0s o m e 麟t e n tt 0e 嬲et h er e 百o n a lr a i l w a ya n dt l l el i n e 丘o q u c yr e s o u r c es h o r t a g e p r o b l e m 锄di i l l p r 0 v et l l e 小i a l i t ) ，o f 、加r e l e s sc o v e r a g ei nc 0 - l i n er e 酉o n ，趾dt om e e t s p c c i f i cb u s i i l 懿sr e q u i r e m e n t so f l er a i l w a y k e y w o r d s ：g s m - r ；c o - l i l 坞；n e t 、0 r kp l 锄i l i n g ；m a r s h a l l i n gy a r d ；g r r u c l a s s n o ：t n 9 2 9 5 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。在此衷心感谢钟老师 两年多时间对我的关心和指导。 钟章队教授悉心指导我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 此向钟老师表示衷心的谢意。 无线通信实验室的朱刚、张小津、金晓军、杨焱、蒋文怡、丁建文等老师对 于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 做实验室项目及撰写论文期间，杨焱、丁建文等老师、赵曙光师兄和丁根明、 张旭师弟对我论文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 引言 1 引言 1 1g s m r 简介 g s m r ( g s mf o rr a i l w a y s ，面向铁路的g s m ) 是铁路数字移动通信系统的 简称，是基于目前世界上最通用的、最成熟的g s m 平台上专门为满足铁路应用而 开发的数字式无线通信系统，是针对铁路通信列车调度、控制、支持高速等特点， 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。自1 9 9 2 年国 际铁路联盟提出该系统以来，已经得到许多国家和工业组织的响应。经过十多年 的高速发展，g s m r 已确定成为欧洲新一代铁路综合无线通信系统标准。 g s m r 在欧洲的成功应用，为世界其他国家提供了借鉴和基础。我国铁路主 管部门很早就开始跟踪欧洲铁路g s m r 技术，2 0 0 0 年，经过全面深入的考察和广 泛的论证，认为g s m - r 技术符合中国铁路的要求，决定全面引入g s m r 技术进 行组网建设。g s m r 系统在中国铁路的实现和发展，加快了铁路信息化建设的步 伐，为促进铁路现代化的发展，提高铁路的竞争能力，更好地为社会提供运输服 务提供了可靠保证【l 】。 1 2 国内外g s m r 建设和运营情况 1 2 1 国外g s m r 建设和运营情况 截至2 0 0 9 年，欧洲已建成投入使用g s m r 网络的国家有奥地利、比利时、 立陶宛、保加利亚、捷克、芬兰、法国、德国、希腊、意大利、荷兰、挪威、斯 洛伐克、西班牙、瑞士、瑞典和英国等1 7 个国家：阿尔及利亚、印度、土耳其和 沙特阿拉伯等四国已进入g s m r 前期发展阶段。澳大利亚正在研究采用g s m r 的可行性。 根据欧盟g s m r 发展规划，在现有的2 2 4 1 3 5 公里铁路线上，g s m r 网络覆 盖里程达1 4 9 2 1 0 公里，覆盖率为6 6 5 7 。目前，g s m r 网络覆盖里程为7 3 2 9 3 公里，占计划覆盖里程的4 9 1 ；正在建设的g s m r 网络覆盖里程为5 6 9 9 1 公里， 占计划覆盖里程的3 8 5 。 目前，欧洲g s m r 网络是根据e 眦n e 的功能需求规范和系统需求规范建立 的，g s m r 网络国际间的互联互通和国际业务量的增加给g s m r 网络的规范化 提出了满足跨国运用的新需求和兼容性要求。 北京交通大学硕士学位论文 在欧洲，已安装的g s m r 网络单元设备总计有b t sb t s ( b 舔e c e i v e r s t a t i o n 基站) 9 1 8 8 台，b s cb s c ( b a s es t a t i o nc o i l 仃o l l e r 基站控制器)1 4 6 套， m s cm s c ( m o b i l e - s e r v i c es w i t c h i l 培c e l l t e r 移动业务交换中心)3 3 台，h l r2 6 套：g s m r 计划用户容量为1 9 8 2 5 万个移动终端，目前入网用户数已达6 5 3 1 8 万，占计划总量的3 2 9 ，其中有2 7 9 4 3 万台车载无线设备。计划入网的调度台 数为5 0 6 3 台，目前已有1 5 5 3 台入网使用，占入网调度容量的3 0 7 【2 川。 截至2 0 0 9 年，已经采用和计划采用g s m r 的国家如下： 1 9 9 9 年2 个国家，瑞典和德国； 2 0 0 2 年8 个国家，新增西班牙、英国、意大利和瑞士等： 2 0 0 5 年1 5 个国家，包括德国、瑞典、英国、意大利、瑞士、荷兰、西班 牙、比利时、芬兰、法国、挪威、斯洛伐克、捷克、印度、中国； 2 0 0 9 年达到3 0 个国家。 图1 1 列出了目前g s m r 网络在世界上的建设情况，所有的统计都是截止到 2 0 0 9 年底u i c 统计。 图1 1 全球g s m r 网络建设情况 f i g i 髓l - lc 伽咖i 蒯o f g s m - rn e 咐。幢w 跚d d 丽d e 1 2 2 国内g s m r 建设和运营情况 2 引言 2 0 0 4 年1 月，国务院审议通过了我国铁路史上第一个中长期铁路网规划， 确定了到2 0 2 0 年铁路建设的宏伟蓝图。“十一五 期间( 2 0 0 6 2 0 l o ) ，我国铁路建 设新线1 7 0 0 0 公里，其中客运专线7 0 0 0 多公里，既有线增建二线8 0 0 0 公里，既 有线电气化改造1 5 0 0 0 公里。2 0 1 0 年全国铁路营业里程达到9 万公里以上，复线 和电气化比例分别达到4 5 以上【5 1 。 截至2 0 1 0 年1 1 月，中国高速铁路营业里程已经达到7 5 3 l 公里，在建l 万多 公里，我国已经成为世界上高铁系统技术最全、集成能力最强、运营速度最高、 运营里程最长、在建规模最大的国家。 表1 1 列出了目前g s m r 网络在我国的建设情况，所有的统计都是截止到2 0 l o 年1 1 月。 表1 1 中国g s m r 网络建设情况 t a b i e1 1c 彻s t r 眦t i o no f g s m rn e 附o d 【i nc l l i n a 序号 线路现状开通时间线路长度运营速度设备供应商 l 青藏线已开通 2 0 0 6 7 11 1 4 2 h n10 i ) k m h 北电 2 大秦线 已开通2 0 0 5 36 8 6 衄7 5 k m l l华为 3 胶济线 已开通2 0 0 6 1 03 9 3 k m2 0 ( 憾吡l l 诺西 4 合宁客专 已开通2 0 0 7 1 2 2 l1 5 6 l 【i i l2 5 0 l 【m h 诺西 5合武客专已开通2 0 0 9 4 13 “k m2 5 0 l c i 珈，h诺西 6 京津城际己开通 2 0 0 8 8 111 3 5 4 k m3 5 0 l c i i l h 诺西 7 石太客专 已开通2 0 0 9 4 1l8 9 9 3 k m2 5 0 i c i i l h华为 8 甬台温、温福客专 已开通 2 0 0 9 9 2 8 5 8 0 8 k m2 5 m 锄_ h 华为、 9 武广高铁已开通2 0 l o 1 2 2 6 1 0 6 9 l c r n3 5 0 l 劬 诺西 1 0郑西高铁已开通2 0 1 0 2 65 0 5 i m l3 5 m 劬北电 l l 福厦高铁已开通2 01 0 4 2 62 7 3 l 皿l2 5 0 l c i n h华为 1 2成灌高铁已开通2 0 1 0 5 1 26 5 b n2 0 c 惦【刖h华为 1 3沪宁城际已开通2 0 1 0 7 13 0 c l b3 5 0 l c i n h诺西 1 4昌九城际已开通2 0 1 0 9 2 01 3 1 2 2 0 0 h r l h诺西 1 5 沪杭城际已开通 2 0 1 0 1 0 2 61 5 8 i 血3 5 0 l c i i l l l 诺西 1 6 京沪高铁在建 2 0 1 1 1 0 1 ( 预计) 1 3 1 8 k m3 8 0 l ( i n h 诺西 1 7京石武高铁在建 2 0 1 23 5 0 k m l l 华为 其中在建的京沪高铁将与京津城际、京九线、津保客专( 在建) 、宁杭客专( 在 建) 、沪宁城际和沪汉蓉高铁( 在建) 产生大量并线区段。 由于历史原因，铁路编组站业务目前使用4 5 0 m h z 无线列调系统来实现，根 据国际电联的要求和我国无线电管理委员会的统一部署，我国将把4 5 0 m h z 分配 给t d d 制式的系统，因此编组站业务也将由g s m r 系统实现。 目前，我国开通g s m r 网络的编组站有新丰镇、成都北和武汉北编组站。 北京交通大学硕士学位论文 1 3 本课题研究的意义 随着我国高速铁路和客运专线的快速建设以及既有线和编组站的电气化改造 的快速进行，应用g s m r 网络的铁路线路和编组站越来越多。在g s m r 网络的 建设过程中，存在着不同铁路线路在地理位置上相隔很近、完全并行或相互跨越 的情况，如图1 2 所示，正在建设的京沪高速铁路与沪宁城际铁路、既有沪宁铁路 在苏州至上海区段铁路线路几乎完全相邻；昌九城际铁路与京九铁路的南昌九江 段几乎全部相邻；武广客运专线与既有京广线存在许多相邻、相近并行或相互交 越区段；合武客运专线与京九铁路麻汉联络线及规划中的石武客运专线存在较长 的相邻、相近或并行区段。 图1 2 京沪高铁与沪宁城际并线区域 f i g 峨l 一2c o l i i l er e 舀o no f b 蜘i i l g s h 弛g l l a i 姐ds h 髓曲a i - n 删i l l gh i 曲- s p e e di 汤1 w a y 由于中国铁路g s m r 只有4 m h z 频率资源，在上述并线区段，中国铁路 g s m r 系统的建设正面临网络容量需求大，业务需求种类丰富，而频率资源有限 的问题，使得此类区域的无线小区规划、频率分配、切换设置、调度成为难题。 频率资源的制约，已经导致铁路并线区域出现了频点分配困难、干扰严重等问题。 公网g s m 系统中d t x ( 不连续发送) 、功率控制等可有效提高系统的频率利 用率，但由于d 1 会影响信号强度和信号质量，影响列控信息的可靠性，而功率 控制的使用会有3 个t d m a 帧延迟，引起信号波动，因此这些技术的使用需要更 深入的分析与考证。在g s m r 系统有限的频率带宽下如何充分利用频率资源，合 理进行并线区域无线网络规划，在满足网络服务指标的前提下，达到容量、覆盖 4 引言 与质量和成本的平衡，实现最优化设计是一个值得研究的课题【酊。 本文从理论和实践两个方面进行了研究和总结，对铁路并线区域g s m r 网络 规划和关键问题进行全面分析，希望能够解决工程中的一些实际问题，对未来 g s m r 网络规划和运营有所帮助。 1 4 本论文的主要工作与贡献 本文首先研究了g s m r 基础理论及相关指标，概括总结了g s m r 的频段划 分、业务模型、铁路话务模型、无线传播模型、同邻频干扰模型、网络覆盖模型 和工程设计指标。系统归纳了铁路并线区域的两大类五种类型，分别是铁路线路 之间的完全并线、三岔路口并线、十字路口区段和铁路与编组站之间的完全并线 和相交并线。 本文的核心工作体现在第四章和第五章。第四章分析并线区域的特点和业务 量需求，研究了新的g s m r 无线网规划技术，通过引入g l 氓u ( g s md i 西t a lr e l 】n o t e l 强u l l i t sg s m 数字射频拉远) 技术，给出合理的场强覆盖方案和频率规划方案。 对于铁路线路之间完全并线区段，根据理论推导出的距离，分线路距离远近给出 两个方案；三岔路口并线区段给出一个方案；十字路口并线区段给出三个方案； 铁路与编组站完全并线区段给出两个方案。对于有多个方案的章节均对各方案的 优缺点进行了分析和比较，给出最优方案。最后总结了铁路并线区域网络规划的 难点。 第五章对并线区域的关键问题：频率资源紧缺问题、无线覆盖问题、同邻频 干扰问题和某些业务的实现问题进行了理论分析和仿真，给出了建议和解决方案 本论文的主要贡献体现在以下六个方面： 1 完成铁路各种并线区域的系统分类； 2 在铁路话务模型分析和业务量需求分析的基础上，提出了基于g i u m 技术 的铁路并线区域网络规划方案；提出了保证并线区域语音组呼、语音广播 和基于位置寻址等业务实现的可行方案； 3 通过对工程实施难度、成本等因素的综合比较研究，提出了满足工程实施 要求的g s m r 并线区域无线网最优规划方案； 4 基于g s m r 无线传播模型，结合具体的工程设计指标，完成铁路并线区域 同邻频干扰仿真，得出编组站与高铁并线区域同频复用距离和邻频复用距离； 5 通过郑西高铁和新丰镇编组站并线区段的实例，提供了增加g s m - r 频率 资源必要性的依据； 6 分类分析并线区域无线网络覆盖问题，提出两个解决网络过覆盖问题的方案。 g s m r 网络规划基础理论及相关指标 2g s m r 基础理论及相关指标 g s m r 是常规g s m 技术应用到铁路系统的技术延伸，沿袭了g s m 基本功能。 g s m r 除可以完成g s m 的基本功能外，还增加了集群调度功能，如广播呼叫、 语音组呼等。和传统g s m 网络规划相比，由于g s m r 服务于铁路系统中，必须 考虑列车高速前进所带来的信号快衰减、频移现象，以及列车经过特殊地形条件 下如隧道、山谷等的覆盖，同时应尽可能减少切换次数以保证系统效率掣6 】。 2 1g s m r 频段划分 我国g s m r 系统采用9 0 0 m h z 工作频段，即8 8 5 m h z 8 8 9 m h z ( 移动台发， 基站收) 、9 3 0 m h z 9 3 4 m h z ( 基站发，移动台收) 。共4 m h z 频率带宽。双工收 发频率间隔4 5 m h z ，相邻频道间隔为2 0 0 k h z 。按等间隔频道配置的方法，共有 2 1 个载频。频道序号从9 9 9 1 0 1 9 ，扣除低端9 9 9 和高端1 0 1 9 做为隔离保护，实 际可用频道1 9 个，频道序号为1 0 0 0 1 0 18 。频道序号和频道标称中心频率的关系 为： 无( 刀) = 8 9 0 0 0 0 m h z + 加- 1 0 2 4 ) 0 2 0 0 m h z ( 移动台发，基站收) ( 2 1 ) 厶( 以) = 五( 万) + 4 5 m h z ( 基站发，移动台收) ( 2 2 ) 其中力= 9 9 9 1 0 1 9 表2 1g s m r 网络频道号与频点对照【7 】 t a b l e2 - lc 锄p 啪n o f f r e q u c yc l m m e l 删m b 盯锄dh e q u 锄c yp o i n t0 f g s m - r 基站接收基站发射基站接收基站发射 频道号频道号 频率( m h z ) 频率( m h z )频率( m h z ) 频率( m 呦 9 9 9 ( 毛) 8 8 5 0 0 09 3 0 0 0 0 l o l 0 ( f i i ) 8 8 7 2 0 09 3 2 2 0 0 l 0 0 0 ( f i ) 8 8 5 2 0 09 3 0 2 0 0 1 0 l l ( f 1 2 ) 8 8 7 4 0 09 3 2 4 l o o l ( 6 ) 8 8 5 4 0 09 3 0 4 0 0 l o l 2 ( f 1 3 ) 8 8 7 6 0 09 3 2 6 1 0 0 2 ( 6 ) 8 8 5 6 0 09 3 0 6 0 0l0 1 3 ( f i )8 8 7 8 0 09 3 2 8 l 0 0 3 ( i ) 8 8 5 8 0 0 9 3 0 8 0 0 l o l 4 ( f i s ) 8 8 8 0 0 0 9 3 3 0 0 0 l 0 0 4 ( 6 ) 8 8 6 0 0 09 3 1 0 0 0 1 0 1 5 ( f 1 6 ) 8 8 8 2 0 09 3 3 2 0 0 1 0 0 5 ( 毛) 8 8 6 2 0 09 3 1 2 0 0 l o l 6 ( f i ，) 8 8 8 4 0 09 3 3 4 i 0 0 6 ( ) 8 8 6 4 0 09 3 1 4 0 0 1 0 1 7 ( f 1 8 ) 8 8 8 6 0 09 3 3 6 l 0 0 7 ( 毛) 8 8 6 6 0 09 3 1 6 0 0 1 0 1 8 ( f 1 9 ) 8 8 8 8 0 0 9 3 3 8 0 0 1 0 0 8 ( 6 ) 8 8 6 8 0 09 3 1 8 0 0 l o l 9 ( 铀 8 8 9 0 0 09 3 4 o o o 1 0 0 9 ( f i o ) 8 8 7 0 0 09 3 2 0 0 0 7 北京交通大学硕士学位论文 2 2g s m r 业务模型 在深入理论研究的基础上，根据开发引进网络设备和终端设备的情况，遵循 铁道部发布的应用技术条件，形成了我国基于g s m r 的完整铁路应用体系，如图 2 1 所示。g s m r 是专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统，它基于 g s m 的基础设施及其提供的高级语音呼叫业务，其中包含增强多优先级与强拆、 语音组呼和语音广播，并提供铁路特有的调度业务，包括：功能寻址、功能号表 示、接入矩阵和基于位置的寻址，并以此作为信息化平台，使铁路部门用户可以 在此信息平台上开发各种铁路应用。图2 1 中，第一层业务模型是g s m 的基本功 能和业务；第二层是g s m r 系统特有的集群调度业务和附加功能；第三层是基于 g s m r 系统的铁路特殊业务，包括功能寻址、功能号表示、接入矩阵、基于位置 的寻址；第四层是基于g s m r 系统的具有中国特色的铁路十大应用【引。 广1 广1 i 区间移动通信信息接入及公务移动通信ii 编组站移动信息综合接入系统 l l c r c s 3 ，c t c s _ 4 li 机车同步操控 ll 调度通信i i列尾风压信息传送 i i动车段库站移动信息综合接入系统il 集装箱结点站移动信息综合接入系统 i l 机车移动信息综合接入系统 ll 旅客列车移动信息综合接入系统 i 劳刀吻秒”嘲矽”匍防”嘲”呵习 色。；翌堡量兰。；。l 已。翌堡兰查至。ll 。望仝塑堡。ji 苎三竺兰箜三苎。l 2 2 1g s m 业务 图2 1g s m - r 系统业务模型 f i g u 2 - lg s m - rs y s t i 黜s e i m o d e i g s m 业务包括电信终端业务、电信承载业务和补充业务，与现有的公众移动 通信g s m 网络所能提供的业务相同。 8 g s m r 网络规划基础理论及相关指标 2 2 2 高级语音呼叫业务 增强多优先级与强拆：对各种铁路业务预先定义成7 个业务等级a 、b 、o 、l 、 2 、3 和4 级，并将设置存放在h l r ( 归属位置寄存器) 中。当网络出现无空闲业 务信道状态时，高优先级呼叫可立即打断低优先级呼叫。 语音组呼：指主叫用户呼叫属于预定义组呼区和组i d 的被叫用户。在v g c s 中需要预先设置调度员和业务用户。所有业务用户在组呼进行当中只占用一个业 务信道，且在同一时间只能由一个业务用户讲话。 语音广播：与v g c s 具有相似的业务功能，只是业务用户没有讲话的权利。 2 2 3 铁路基本业务 功能寻址：功能寻址允许通过功能号来呼叫用户，而不是通常情况下的按照 用户使用的终端设备来进行寻址。功能寻址通过编制功能号实现的，保证了用户 功能号码与其用来应答的物理终端之间的独立性。 功能号表示：功能号是将铁路用户根据其当前行使的职能进行编号，这个号 有可能是非永久的，需要注册和注销。 接入矩阵：接入矩阵定义哪些签约用户在网络中与其他签约用户联系。 基于位置的寻址：指将移动用户发起的用于预定功能的呼叫路由到一个与该 用户当前所处位置相关的目的地址，例如；司机呼叫调度员，网络需要根据司机 当前所处的位置来确定是哪一个调度员i l j 。 2 2 4 铁路编组站业务 编组站业务主要有调车、调车监控、货检车号、列检、商检等站场内业务， 同时编组站作为正常车站需要为接发车提供行车调度业务，在可能的情况下，还 应考虑为编组站内的管理、公安、工务、电务等人员提供普通无线语音通信服务。 其中调车业务有语音通信、安全数据通信( 电路域数据通信) 以及非安全数据通 信( 分组域数据通信) ；调车监控业务传输调车进路开放、调车限制条件等指令信 息( 电路域数据通信) ；货检车号业务有语音通信及非安全数据通信( 分组域数据 通信) ；列检业务仅有语音通信；行车调度业务有语音通信及车次号、调度命令等 数据通信( 分组域数据通信) 唧。需要g s m r 承载的编组站业务如表2 2 所示。 9 北京交通大学硕士学位论文 表2 2g s m r 系统未来需要承载的编组站业务 1 a b i e2 - 2m a r s h a l l i n gy a r ds e r v i o ng s m - ri n 血t i 鹏 语音通信 调车业务安全数据通信( 电路域数据通信) 非安全数据通信( 分组域数据通信) 调车进路开放、调车限制条件等站调指令( 电路 编组站主要业务调车监控业务 域数据通信) 语音通信 货检车号业务 非安全数据通信( 分组域数据通信) 列检业务语音通信 语音通信 一般车站业务行车调度业务 车次号、调度命令( 分组域数据通信) 站内的管理、公安、工务、电务等人员间的日常 其他站场通信业务 无线通信服务 2 3 铁路话务模型 2 3 1 话音业务模型 话务模型是在系统运营过程中，经过大量数据统计分析得到的，不同的铁路 线路，因运输性质、业务种类的不同，其话务模型也存在差异。根据要求，在实 际工程设计过程中，当无可用话务量参数时，移动用户的忙时话务量可参照 铁 路g s m r 数字移动通信系统工程设计暂行规定中给出的数值，如表2 3 所示。 表2 - 3 铁路用户的忙时话务量【1 伽 t a b l e2 3b u s yt m 妇阢o fr 矗i lu s e 墙s 1 l b 硎b 盯 呼叫类型站型用户类型话务量 个别呼叫车站车站通过列车 o 5 e 州列车 车站停靠列车 0 1 6 7 e 列车 车站地面用户o 0 1 5 e 用户 编组站编组站列车 0 2 e 彬列车 编组站地面用户o 0 1 5 e 用户 区间区间通过列车 o 0 1 5 e 列车 区间地面用户o 0 2 e 彤用户 组呼叫车站车站通过列车o 5 酬列车 车站停靠列车 o 1 6 7e d 列车 车站地面用户o 0 8 4e r l 用户 编组站编组站列车 o 1 6 7e d 列车 编组站地面用户 o o l le 州用户 i o g s m - r 网络规划基础理论及相关指标 呼叫类型 站型 用户类型。，话务量 区间区间用户 o 0 5e 州用户 广播呼叫车站车站通过列车 0 0 3 3e 州列车 车站停靠列车 0 0 1 le 彬列车 车站地面用户 0 0 0 6e 州用户 编组站编组站列车 o 0 6 5e 州列车 编组站地面用户 0 0 1 le 用户 区间 区间用户 0 0 1 7e r l 用户 2 3 2 数据业务模型 1 列控数据业务：数据流量4 8 k b p s 列车，基于电路交换数据信道，要求永 远在线，占用1 信道列车。在两个r b c ( r a d i ob l o c kc 饥t 盯，无线闭塞 中心) 交界处，占用2 信j 苣列车，考虑到同一小区可能有两个往返的列车， 即在铁路沿线每个小区至少需要2 个信道才能满足列控业务的需求。 2 调车机车信号和监控业务；数据流量2 4 k b p s 调机，基于电路交换数据信 道，占用l 信j 苣调机。 3 调度数据业务：包括调度命令传送、尾部风压信息传送、无线车次号传送 等业务，数据流量为1 0 4 9 6 k b 小时列车。 4 普通数据业务：包括动车组、机车、车辆工况和旅客服务信息，按占用2 4 个信道考虑。 2 4 无线传播模型 在实际计算传播损耗时往往是根据场强变化的测量结果来建立数学模型，再通 过数学模型估算传播损耗的范围，从而确定网络的覆盖。常用的传播模型有对数 阴影模型、o l 【l 肋u r a h a t a 模型和c o s t 2 3 1 w 矾f i s h 【e g a i i l i 模型。其中 0 岫珊u r a _ h a t a 模型从频率、适用距离、天线高度等方面都符合g s m r 铁路环境的 需求，计算参数容易获取，对不同地形地物描述较为详尽，并广泛成熟的应用于 g s m 网络规划中，较为适合我国铁路环境的路径损耗模型，故在此选用h a t a 模型 对g s m r 铁路环境进行规划和计算。 o k l l m w a h a c a 模型是一个公式化的模型，其路径损耗计算公式中的参数，如 工作频率、基站天线有效高度、移动台天线有效高度、距离等容易获得，模型应 用简单，这也是该模型被广泛使用的主要原因。舟h a t a 模型对不同类型的 环境( 大城市、中小城市、郊区、乡村) 进行了修正，延伸了其使用范围，尤其 北京交通火学硕士学位论文 对中小城市、郊区、乡村环境的预测较为精确，但对大城市环境没有考虑建筑物 的高度和密度、街道的分布和走向等影响无线电波传播的因素，计算出的路径损 耗和实际有一定误差。 o l ( 1 蚰u r a h a t a 模型预测出三种环境( 城市、郊区、开放环境) 下的中值路径 损耗，可表示为 = 彳+ 曰l g d城市 ( 2 3 ) 三。= 4 + 曰l g d c 郊区( 2 4 ) 三= 彳+ 刀l g d d开放环境 ( 2 5 ) 这里，l 是以d b 为单位的中值路径损耗，d 是以千米为单位的覆盖范围。这 些式子的参数取决于工作频率五、发射台高度玩和接收机高度k ，可以用经验公 式表示为： 彳= 6 9 5 5 + 2 6 1 6 l g 正一1 3 8 2 l g 吃一4 黼枷棚 ( 2 - 6 ) 口= 4 4 9 6 5 5 l g ( 2 7 ) c = 5 4 + 2 【l g 2 8 ) 】2 ( 2 - 8 ) d = 4 0 9 4 + 4 7 8 ( 1 9 厂c ) 2 一1 8 3 3 l g 正 ( 2 - 9 ) 其中正用m h z 表示，吃和吒用米表示，如椭衲是一个下面定义的相关因子。 该模型适用于如下范围的参数值： 1 5 姚 z 1 0 0 胞 ( 2 一l o ) 3 0 朋 鬼 2 0 0 脚 ( 2 1 1 ) l 朋 k 1 咖 ( 2 - 1 2 ) l 砌 d 3 0 0 胞 ( 2 1 5 ) 对于中小城市，在所有频率范围内，如一为 4 珊鼬= ( 1 1 1 9 厂一0 7 ) k 一( 1 5 6 l g 厂一o 8 ) ( 2 一1 6 ) 由此可知，参数b 表示路径损耗指数。参数c 和d 表示较小需求的郊区和开 放传播环境下的固定损耗的减少量。这些参数都与频率有关l l l 】。 2 5 同邻频干扰模型 根据上节分析，o l ( i 删l 蚰h a t a 模型在郊区中值路径损耗表示为： 1 2 g s m r 网络规划基础理论及相关指标 二口= 6 9 5 5 + 2 6 1 6 l g 厂一1 3 8 2 l g 玩+ ( 4 4 9 6 5 5 l g 6 ) l g d 一彳d h 册肌 朋( 2 - 1 7 ) 彳伪。姗谯翩= ( 1 1 l g 厂一0 7 ) l l 脚一( 1 5 6 l g 厂一0 8 ) ( 2 - 1 8 ) l 糟= l p - 2 ( 1 颤化8 ) ) 2 5 4 ( 2 1 9 ) 其中仁9 0 0 m h z ，以为基站( b s ) 天线高度，设置为3 0 m ，d 为b s 到移动台之 间的距离，| i i 。为机车车顶天线高度，设置为4 5 m ，如蚰舢枷适用于中小城市，0 为郊区路径损耗，l 璐为对郊区的模型修正。则小区内用户接收功率值为： p 登= 吒籼+ g 叫一堞 ( 2 - 2 0 ) 嚼= 肆灿+ g 眦一尉 ( 2 - 2 1 ) 同邻频干扰模型如图2 2 及图2 3 所示。 图2 - 2 同频干扰模型 f i g l 鹏2 2c 乎d l 锄e ll l l t e r f 廿e em 0 d e l 图2 3 邻频干扰模型 f i g u 他2 3a 面e n tc h 蛆n e lh t 盯f c 他札m o d e l 在f 、k 、g 删相同的情况下，移动台处同频干扰值c i 为： 北京交通大学硕士学位论文 崦鑫一- o 崦 = l o l o g ：一 1 1 ( 半- ) 4 ( 半+ - 丁 【z 。z 矽 ，邻频干扰值c a 为： c 僻l o l o g 广广鼍一t _ 1 0 1 0 9 广1 r t + + + 一+ + + 一 上r ”2 ) _ p r ”j 。4上_ 2 r 4 ( 昙一) 。( 罢+ 4 ( 等) ”( 宝+ 2 ) ” ( 2 2 3 ) 其中n = ( 4 4 9 6 5 5 1 9 ) 1 0 。 p 盛为车内用户接收功率，p 盛为用户从干扰基站接收到的信号功率；g 锄为 基站天线增益约1 7 d b i ； 吒标骼为目标基站的发射功率，p 干扰粥为干扰基站的发射 功率，且吒标懿= p 干扰璐，设为3 0 w ，约4 5 d b m ；啦为目标基站到m s 之间的中 值损耗功率，l 干扰为干扰基站到m s 之间的中值损耗功率；d 为目标基站到干扰基 站之间的距离( 单位：蛔) ，r 为小区边缘移动用户到基站的距离，即为小区半径 ( 单位：l ) 。 2 6 网络覆盖模型 铁路环境的特殊性使得通常适用于公众网的面状覆盖模型在铁路上只适用于 大型枢纽地区，而在铁路沿线这种呈带状的特殊环境中，须采用带状覆盖的方式。 因为涉及到铁路