（通信与信息系统专业论文）gsmr无线覆盖盲区及其对语音组呼业务影响的研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 y 8 7 9 9 2 s 摘要 摘要 g s m r 作为铁路调度通信的主要方式，被许多国家采用，并已成为 我国铁路通信发展的方向。g s m r 网络如何为铁路通信提供安全可靠的 服务，g s m r 无线覆盖盲区对铁路通信业务有多大影响是当前铁路应用 关注的问题。本论文从通信盲区的概念入手，对这个关键技术问题进行 深入的理论研究，为今后的铁路g s m _ r 网络的规划优化提供了参考依 据。 第一章引言基于铁路运输对无线通信的要求，概述了g s m r 的业务 和最新发展。 第二章给出通信盲区的定义，并介绍几个重要的网络服务质量指标。 第三章对无线覆盖盲区的形成原因进行深入的探讨，归纳出无线覆 盖旨区的四种常见类型。 第四章分析了移动台在无线覆盖盲区的行为，得到移动台检测到脱 网和入网的最小时间，并且分析了移动台在专用模式下采取呼口q 重建机 制来恢复与网络的连接。 第五章讨论了无线覆盖盲区对g s m _ r 特定业务v g c s 的影响。 第六章对全文总结并提出本论文下一步应继续研究的重点内容。 【关键词】 g s m - rv g c s 通信盲区小区选择无线链路超时 北京交通大学硕士学位论文 a b s l r a c t a b s t r a c t g s m rh a sb e e na d o p t e db ym a n yc o u n t r i e sa st h em a j nw a yo f m i l w a vc o m m u n i c a t i o na n di th a sb e e nt h ed e v e l o p m e n td i r c c t i o o fo u r c o u n t r yt h e ya r ec o n c e n l e dp r o b l e m sf o rc u r r n tr a i l w a y 印p l i c a t i o t h a t h o wt op r o v i d eas e c l l r ea n dr e l i a b l en e t 、v o r kf o rt h em j l w a yc o m m u n i c a t i o n ， a n dh o wt h eg s m rw i r e l e s sb l i n da r e aa f 托c tt h er a j l w a vc o m m u n i c a t i o n s e n r i c e t 1 l et h e s i s 舀v e sd e e pt h e o r c t i c a l 心s e a r c ho nt h ek e yp o i n to ft h i s t o p j ct oo 恐far e f e r e l l c et ot h eg s m - r n e t w o r kp l a n n i n g 卸do p t i m i z a t i o n t 1 l ef j r s tc h 叩t e r 百v e sa no v e i e wo ft h eg s m rs e r v i c e sa n dl a t e s t d e v e l o p m e mb a s e do w i r c k s sc o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n tf o rt h er a i l w a y t m s p o r t a t i o n n es e c o n dc h a p t e rg i v e st h ec o n c e p to fc o m m u n i c a t i o nb l i n da r e a ， s e a li m p o n a n tq o ss t a n d a r d sa r ei n t f o d u c e d i nt h ei h i r d c h a p t e r ， w ed i s c u s st h er e a s o n sf o r f o 珊i i l g a c o m m u n i c a t i o nb l i n da r e a ，c o n d u d ef o u rf a m i l i a rt y p e so fc o m m u 玎i c a t i o n b i n da r e a 1 1 l ef o u r t l l c h a p t e ra n a l y z e s t h eb e h a v e ro fm o b i l es t a t i o ( m s ) ， c o n c l u d e st h em i n i m u mt i m eo fm sc o n n e c t so rd i s c o n n e c t sw i t ht h e n e t w o r kw h e nj te t e r i n go i1 e a v i l l gac o m m u n i c a t i o nb l i n da r e a i ta s l o a 1 1 a l y z e st h ep r i n c i p l ef o rc a l lr c s t a b l i s h m e n ti nd e d i c a t e dm o d e n ef ：i f t hc h a p t 既d i s c l l s s c st h ei n f l u e n c eo nv g c sb yc o m m u n i c a t 油 b l i n da i e a t h el a s tc h a p t e rd r a w sac o n c l u s i o na l l dp o i t so u tt h ef i e l d sf o rf i l n i l e r s t u d y 【k e yw b r d s 】 g s m rv g c sc o m m u n i c a t i o nb l i n da r e ac e l ls e l e c t i o n r a d i o1 i i l l 【t i m e o u t 北京交通大学硕士学位论文 1 1 综述 第一章引言 1 1 1 现代铁路运输对无线通信的要求 1 1 1 1 铁路信息化 满足以旅客为主体的移动信息服务系统的需要，包括车上订票服务、 电子移动商务、旅客移动增值服务等；满足铁路路网移动体r 机车、车辆、 集装箱等) 实时动态跟踪信息传输的需要，为开展实时网上信息查询和各 种管理信息系统提供移动传输通道。 1 1 1 2 调度指挥和安全生产 作为无线列调的更新换代产品，同时能够满足区间公务移动、紧急 救援、调车编组作业、站场无线等移动话音通信的需要；满足d m i s 无 线车次号传输、列车尾部风压、机车状态信息、车辆轴温监铡、线桥隧 道监护、铁路供电状态监视、道口防护等移动和固定无线数据传输的需 要；满足以移动列车为主体的安全信息分发与预告警系统的需要，确保 沿铁路线的旋工、轨道养护、平交道口与车辆、车站等人员和设备的安 全，减少事故。 1 1 1 3 高速、客运专线 铁路提速、高速和客运专线网络化、智能化、综合化的行车调度指 北京交通大学硕士学位论文 挥系统需要高度可靠、高度安全、快速接入的综合移动通信系统，以及 透明、双向、大容量的车地信息传输通道。 1 1 1 4 机车综合通信 机车综合通信具备综合实现如下功能的能力： 1 ) 具有网络以及功能号注册、注销功能； 2 ) 支持调度通信系统功能； 3 ) 支持通用数据传输功能； 4 1 支持不同制式下的自动或手动切换功能； 5 ) 可向用户提供机车所在的小区位置信息、g p s 信息等。 1 1 1 5 基于通信的列车控制 随着列车运行速度的不断提高，铁路智能交通系统中车地间的双向 通信显然已经无法通过这些传统手段完成。因此必须研究基于通信的列 车控制( c o m m u n i c a t i o nb a s e dt r a i nc o n t r o l ，简称c b t c ) 系统的、具 有高可靠性的高速铁路数字调度移动通信。 为了实现铁路运输高效与安全，高速铁路智能交通综合信息系统在 信息利用方面，必须采用基于通信的列车控制( c b t c ) 方式。与传统的 基于轨道电路的列车控制( 1 h c kc i r c u i tb a s e dt r a i nc o n t m ls y s t e m ，简 称1 b ，r c ) 系统相比，c b t c 有很多优越性，其中最重要的是： 1 1 列车和地面控制设备之间通过双向无线通信传递信息，构成闭 环控制系统，使列车运行的安全性大大提高： 2 ) c b l 可以实现移动闭塞方式( m o v i n g a u t o m a t i c - b l o c k s y s t e m ， 简称m a s ) ，使两列车追踪间隔大大缩短，提高列车在区间追踪 北京交通大学硕士学位论文 运行的密度，从而大大提高铁路运输效率。目前国内对移动闭 塞进行了初步研究。 1 1 2 铁路综合数字移动通信网g s l i 卜r 1 1 2 1g s m r 业务结构 g s m r 是专门为铁路通信量身打造的专用通信系统，它基于g s m 的基础结构及其提供的电信业务，提供了铁路特有的基础业务，并以此 作为一个信息化的平台，使得用户可以在这个信息平台上轻松开发各种 各样的铁路应用。下图1 1 为g s m r 系统的业务模型层次结构： 图1 1g s m r 系统层次结构示意图 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 l 协商，确定了欧洲各国铁路下一代无线通信以g s m p h a s e 2 为标准的g s m r 技术。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。同年，e i r e n e ( 负责制定g s m - r 的体制方 北京交通大学硕士学位论文 案) 在德国、法国、意大利开展了三个测试项目( m o 黜”疆) 。1 9 9 9 年， 第一个g s m r 网络在瑞典铁路建成，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。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、 澳大利亚也开始对g s m r 进行招标或商业咨询。 1 12 2g s m _ r 在中国的最新发展 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 和勰a f 陆上集群无线电通信) 系统进行比较选择，支持两 种不同制式的研究者们在此期间发表各自的论点和论据，集思广益进行 讨论，并经过了长时间的调研和考察。由于g s m r 具有适应铁路运输特 点的功能优势，成熟的技术优势以及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，因此最终在 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，之后基于 g s m r 的各种铁路特色业务的开发，如无线列调、中国列车监控系统 c i c s 、g p r s 等在各大科研院所纷纷开展，并取得了相当大的成果。 与世界其他国家铁路相比，中国铁路运输无论在运输模式、客货运 输量、行车指挥和控制方式等方面，都存在着不同程度的差别。这就决 定了我国铁路部门在引入g s m r 系统的同时必须使其适应中国铁路应 用的需要，在借鉴和吸收欧洲各国铁路发展的成功经验的同时，形成满 足中国铁路实际需要的网络标准，使中国铁路综合数字移动通信系统蓬 勃、持续的发展下去。 2 0 0 3 年1 2 月，铁道部与华为公司签定了大秦铁路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，为全长 北京交通大学硕士学位论文 6 0 0 余公里的晋煤东运主干线提供综合通信服务保障。一时间，g s m r 这项针对铁路通信所设计和使用的技术在经历了多年的争议之后，终于 在中国落地。 2 0 0 4 年3 月，铁道部与北电网络签署了青藏铁路g s m r 网络的试 用协议。该试验网覆盖长达1 8 6 公里的铁路线，是亚洲第一条采用g s m - r 来传输用于列车控制的安全数据的试验网，并采用双网覆盖的解决方案 来增强系统的可靠性，而无需传统的模拟系统作为后备支持。北电网络 将提供先进的无线网络设备，其中包括i n 、m s c 、b s c 和b t s ，并将 g p r s 引入g s m r 的网络中。g p r s 是g s m r 的主要组成部分，可支 持数据传输应用和面向无线局域网( w u 埘) 等全新的位置特定服务和 应用。该项目已于2 0 0 4 年的1 1 月中旬完成g s m ，r 系统的建设和测试工 作，2 0 0 5 年4 月完成g p r s 系统的建设和测试。 大秦铁路和青藏铁路g s m r 工程的建设和试验的开展，无疑会加快 g s m r 系统在中国的实现和发展，加快铁路信息化建设的步伐，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。 虽然我国的g s m r 尚处于初期建设阶段，但是随着高速铁路建设的迅速 发展，对铁路信息化水平要求不断提升，大规模部署g s m r 将是迟早的 事情，同时新技术的发展和应用也将为g s m r 带来更广阔的发展空间。 1 1 2 3 铁路环境的特殊性对g s m r 的需求 g s m r 属于专用移动通信的一种，采用的协议标准为g s mp h a s e2 + ， 它专门用于铁路的日常运营管理以及处理一些紧急或突发事件，是非常 有效的调度指挥通信工具。同公众移动网完全不同，g s m r 的语音业务 以点对多点的语音组呼业务和语音广播呼叫业务为主，它的这种集群特 北京交通大学硕士学位论文 性允许大量用户共享少量通信信道。共享通信资源时以p p t 模式通话， 因此它的频率利用率相当高，另外由于铁路上的用户数是有限的，对 g s m r 网络的用户容量设计并不是关键问题，这也是g s m r 的频段并 不是很宽的缘故。除了以上特点外，由于铁路的特殊环境，需要对发起 呼叫的接续速度、话音传输的鲁棒性、越区切换的可靠性等提出非常高 的要求。因此g s m r 需要在g s m 技术的基础上做很多改动，如在核心 网中增加新的功能节点组呼寄存器g c r ( 存储组成员d 和组区域i d 的 信息) 以及确认中心a c ( 存储呼h l 优先级以及确认呼呶限) ；在空中接口 公共控制信道中增加通知信道n c h ，发送有关组呼和广播呼叫信息；推 迟鉴权过程，加快接续速度；允许设置双网覆盖，提高弱区的场强，使 移动台到达每一点都可以接收到良好的电平等。 铁路环境的特殊性使g s m r 的无线覆盖也很特别。通常适用于公众 网的面状覆盖在铁路上只适用于大型车站、编组站以及铁路线相隔较近 的地带，而在铁路线路这种呈带状的特殊环境中，往往采用线状覆盖的 方式，如图1 2 所示。线状覆盖使用的蜂窝基本原理与面状覆盖类似， 只是在干扰和重叠区的问题上要单独考虑。 图1 2 铁路沿线的覆盖 1 2 本课题的研究意义 铁路运输最重要的就是安全，而完善的铁路通信系统正是列车安全 行驶的重要保障。g s m - r 网络应为处于静止或速度小于5 0 0 k m h ( 高速 铁路) 移动状态下的移动终端提供可靠的通信服务，然而g s m - r 系统工 北京交通大学硕士学位论文 程应用在我国还处于试验阶段，许多问题还有待研究。g s m r 无线覆盖 盲区是一个被通信界广泛关注的话题，对铁路g s m r 无线覆盖盲区的研 究有助于更好的保证铁路通信的安全，显得十分有价值。 对g s m r 无线覆盖盲区进行初步探讨，目的旨在引起人们的重视， 起到抛砖引玉的作用。希望本文能够为以后g s m r 无线覆盖盲区的研究 工作提供一些可以借鉴的依据。 1 3 本论文的主要工作与贡献 本文主要研究了g s m - r 无线覆盖盲区的几个关键问题，包括g s m r 无线覆盖盲区的定义、形成、类型及对通信的影响，并分析了g s m r 无 线覆盖盲区对语音组呼业务的影响，具体工作包括： 研究通信盲区的概念，g s m r 无线覆盖要求及场强测试方法给 出了详细的描述； 通过对无线传播环境和传播模型的研究，分析了g s m r 无线覆 盖盲区的形成原因； 根据无线覆盖盲区的形状和大小分类无线覆盖盲区； 分析移动台在空闲模式和专用模式下进、出无线覆盖盲区的行 为，得到移动台从进入无线覆盖盲区到脱网和从无线覆盖盲区 恢复入网的时间； 为了减小无线覆盖盲区对网络性能的影响分析了一些参数和定 时器的设置； 讨论g s m - r 无线覆盖盲区对语音组呼业务的影响。 通过以上问题的讨论分析，本论文主要在以下几个方面对该课题的 发展做出了贡献： 北京交通大学硕士学位论文 对什么是通信盲区进行了几种不同的定义方式； 提出了无线覆盖盲区的四种类型，为今后无线覆盖盲区的研究提 供了模型； 得到移动台进入无线覆盖盲区检测到脱网和从无线覆盖占区恢 复的最小时间，为无线覆盖盲区对列控的影响提供了参考依据； 明确了g s m r 无线覆盖盲区对组呼的影响。 北京交通大学硕士学位论文 第二章通信盲区的定义 2 1 通信盲区的一般定义 通信盲区是相对于覆盖区而提出的一种概念。一个基站的覆盖区是 指能满足一定服务质量指标和服务等级的可通话范围。在网络规划与优 化中，我们要尽量做到网络中的每个点都在某个基站的覆盖范围之内， 即实现“无缝覆盖”。然而，这种理想的状态是不存在盼，由于无线信道 的复杂性和随机性，任何网络也不能保证在任何地点任何时间都能接入 网络并保持良好的通话质量。这些不满足网络规定的服务质量的区域我 们就称之为通信盲区。下面我们具体讨论一下通信盲区的几种定义方法。 2 1 1 用接收信号电平值定义 判定一个区域是否是通信盲区的一个重要准则是在这个区域内，无 论移动台还是基站处的接收信号电平都必须满足g s m 技术规范0 5 0 5 中 规定的门限，称为参考灵敏度。 参考g s m0 5 0 5 规范，g s m 9 0 0 手机的灵敏度为： g s m 9 0 0 小移动台 一1 0 2d b m 其他g s m 9 0 0 移动台 一1 0 4d b m 基站灵敏度为： 普通b t s 一1 0 4d b m 微蜂窝k r s 类型1 9 7d b m 微蜂窝b t s 类型2 9 2d b m 北京交通大学硕士学位论文 l微蜂窝b t s 类型3 8 7d b m 微微蜂窝b t s 类型18 8d b m 为避免移动台在接收信号电平很低的情况下接入系统( 接入后通信 的质量往往无法保证正常的通信过程) ，而无法提供用户满意的通信质量 且无谓地浪费网络的无线资源，在g s m 系统中规定，移动台接入网络时， 其接收电平必须大于一个门限电平，即移动台允许接入的最小接收电平 ( r x u ! va c c e s sm i n ) 。r x l e va c c e s sm n 通常建议的数值应 近似于移动台的接收灵敏度。 通常意义上的通信盲区是指接收信号电平小于允许接入的最小接收 电平的区域。 2 1 2 用c 1 值定义 c 1 准则是g s m 网络小区选择和重选的路径损耗准则，它考虑了信 号接收电平、最小接入电平、移动台接入网络时可以使用的最大发射功 率、移动台的最大发射功率，其公式如下： c 1 = r x l e v - r x l e v a c c e s s m 一m a x ( m s - 1 x p w r _ m a xc c h p ) ，o 】 ( 2 1 ) 其中：r x u x 是移动台接收的平均电平，单位为d b m ； r x l e va c c e s sm i n 是允许移动台接入的最小接入电平，单位为 d b m ；m s p w r _ m a xc c h 是移动台接入系统可使用的最大发射功 率电平，单位为d b m ；p 是移动台的最大输出功率，单位为d b m 。 由于移动台接入网络选择某个小区作为它的服务小区的前提条件是 该小区的c 1 0 ，所以c 1 0 的区域定义为通信盲区。 由上面两种定义方法可知，用最小接入电平来定义通信盲区，是一 北京交通大学硕士学位论文 种信号绝对电平值的定义，而用c 1 算法定义通信盲区是一种相对电平的 定义，它不仅取决于无线通信网络，而且与移动台有关。 2 1 3 用覆盖范围的载干比c l 定义 大蜂窝结构中的基站覆盖设计遵循噪声受限或传播受限原则，因此 规定了覆盖区最小接收电平。而小蜂窝系统属于干扰受限系统，除了考 虑场强覆盖范围外，还必须考虑覆盖范围内的载干比c i 。 干扰来源包括同小区中的另一个移动台、相邻小区中正在进行的通 话、使用相同频率的其它基站、或者无意中渗入蜂窝系统频带范围的任 何非蜂窝系统。话音信道上的干扰会导致串话，使用户听到了背景的干 扰；信令信道上的干扰则会导致数字信号发送的错误，而造成呼叫遗漏 或阻塞。 从传播角度考虑，小蜂窝的场强覆盖范围容易满足，而载干比可能 在某些区域达不到要求，所以小蜂窝系统还必须考虑满足c ，i 值的覆盖 情况，对于c i 值达不到指标的区域仍然要视为通信盲区。 我国移动通信网技术体制规定，移动用户与市话、长话用户通话时， 移动通信网音频带内信噪比大于或等于2 9 d b ( 标准测试音测试) ，相当 于c c i t t 的五级评分标准中的四级话音。该指标对应于静态载干比伽 = 1 2 d b ，对应动态载噪比c i = 1 8 d b 。其中，静态载干比是在只考虑多径 衰落情况下地点概率和时间概率均为5 0 的载干比，而动态载于比是在 多径衰落情况下地点概率和时间概率均为9 0 的载干比。 2 1 4 用无线信道呼损率来定义 上面三种定义方法都和基站覆盖区有关，而无线覆盖呼损率与基站 北京交通大学硕士学位论文 覆盖区没有直接的关系，它是一种服务等级指标，与信道阻塞和容量有 关。 当用户呼叫时，如果能无时延或无损失地处理呼叫，那么有多少移 动用户就需要提供多少全双工无线信道。但是由于经济原因和频谱资源 的问题，无线信道数不可能与用户数一样多。因此，为了限制无线信道 数，但又满足要求，系统引入的阻塞率。阻塞率指的是无线信道数到底 能满足多少用户数。 用户呼叫时，如果信道全部占用，后来的呼叫就不可能完成。此时 用户必须等待一段时间，然后再呼叫对方。那么服务等级( g o s ) 定义 为相对于总尝试呼口q 数中不成功的呼叫数，也就是移动用户可利用信道 数的不充分程度。在实际应用中，它被定义为在高峰忙时，由于无线信 道数有限，允许呼叫失败的百分比。 g o s 介于0 和1 之间，也即o 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 议门限电平为一9 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 l ( i 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 珂一9 2 d b m 之间， 要求场强达到9 5 的覆盖概率。 2 2 2 场强测试方法 如何对g s m r 网络进行场强覆盖测试和统计，从而得到覆盖百分 比，要考虑两个方面的问题。首先，隔多远的距离采样一次。采样过稀， 所得结果置信度不高，无法很好的反应客观情况：取样点过密，会造成 人力物力的浪费。其次，用多长距离内的数据来统计覆盖百分比，即统 计窗口取多长。 2 2 2 1 采样间隔 目前业界广泛采用的标准是李氏定律( l e e sc r i t e r i a ) ：它要求在4 0 北京交通大学硕士学位论文 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。 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： ：三：! ：! ! ! 竺竺尘：o 3 3 。 f 9 0 0 x 1 0 6 i z ( 2 2 ) 根据李氏定律，采样间隔最大为 d = 4 0 a 3 6 3 7 c m ( 2 3 ) 采样间隔最小为： d = 4 0 a 3 6 3 7 c m ( 2 4 ) 按照要求，对某频点的测试采样间隔要求在2 6 3 7 c i n 之间。但是， 这种方法的处理结果是场强的本地平均值，去掉了快衰落的信息，所以 不能直接用来与要求的门限值作比较，需要采用别的统计方法来处理所 测的数据。欧洲g s m r 场强覆盖测试的实践中，有采用6 c h l 间隔采样 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，具 有一定的借鉴意义。 2 2 2 2 统计窗口 如果统计窗口过长，则会掩盖统计窗口内较长的弱场区从而使评 价结果好于实际情况。如果统计窗口过短，对于那些包含很短距离弱场 区( 距离很短不会影响正常通信) 的统计窗口，会认为其不合格，从而 是评价结果劣于实际情况。所以选择合适长度的统计窗口在很大程度上 决定了对网络覆盖情况的评价是否客观，在e l r e n e 对g s m r 场强覆 盖的规范中，建议统计窗口为l 忉。 2 3 我国g s m r 网络技术条件 北京交通大学硕士学位论文 g s m r 数字移动通信网技术体制( 暂行) 规定了g s m r 网络服 务质量的一些指标，包括通信概率指标、同频道干扰保护比等 2 3 1 通信概率指标 无线覆盖区的无线可通率应按表2 1 取值。 表21 通信概率指标和覆盖指标 通信地点无线可通率备注 车厢内 8 5 按手持台计算 沿线、车站 9 5 2 3 2 同频道干扰保护比 控制信道及列控业务信道c i = 1 2d b ， 其他业务信道所在频率的c i = 9d b 。 2 3 3 邻频道干扰保护比 c i = 一6 d b 。 2 3 4 无线信道呼损率 无线信道呼损应不大于1 。 北京交通大学硕士学位论文 第三章无线覆盖盲区的形成机制 一个基站的覆盖区是指能满足一定服务质量指标的可通话范围，实 现这个覆盖范围可以选择不同的发射功率、天线高度、天线增益及方向 性等参数。在传播受限的大区基站，覆盖范围主要取决于地形地物及环 境噪声；在干扰受限的无线网中，覆盖范围将受到同频干扰的影响；在 话务密度很高的地区，覆盖范围则取决于可用频道数和用户密度。 3 1 无线信道的特性 移动通信的性能主要是受到移动无线信道的制约，而移动无线信道 主要是受到无线传播环境的影响。对于陆地无线通信系统，由于移动台 本身的移动性，传播环境不断变化，移动台既可以处于城市建筑物群之 中，也可以处于丘陵、山川、森林等地形复杂的区域。因此，发送机和 接收机之间的传播路径非常复杂，无线信道不像有线信道那样固定并且 可以预见，而是具有很大的随机性。 3 ，1 1 无线电波传播环境 3 1 1 1 电磁波的传播机理 无线电波频谱分布在3 也到3 0 0 0 h z 之间，在这个频谱内划分1 2 个 频带，见表3 1 。在不同频段内的频率具有不同的传播特性，对于g s m r 通信系统来讲我们只关心u h f 频段。 北京交通大学硕士学位论文 表3 1 无线电波波段的划分 波段频率范围波长范围 极长波( e f l ，极低频) 3 3 0 h z1 0 5 1 0 4 j 【i n 特长波( s l f ，特低频) 3 0 一3 0 0 王z1 0 4 1 0 3k m 超长波( u l f ，超低频)3 0 0 3 0 0 0h z1 0 3 1 0 2 k m 甚长波( v l f ，甚低频) 3 3 0 k h z1 0 1 0k m 长波( i j ，低频) 3 0 3 0 0k 弛1 0 1 k m 中波( m f ，中频)3 0 0 3 0 0 0k h z1 0 3 1 0 2 m 短波( h f ，高频)3 3 0 m h z1 0 2 1 0 m 超短波( 师，甚高频)3 0 3 0 0 m h z1 0 1 m 分米波( u h f ，超高频)3 0 0 3 0 0 0 m h z 1 0 1 0c m 微 厘米波( s h f ，特高频)3 3 0 g h z1 0 1c m 波 毫米波( e h f ，极高频)3 0 3 0 0 g h z1 0 1 m m 亚毫米波( 超极高频) 3 0 0 3 0 ( ) o g h z1 o 1 m m 电磁波在空间传播时，信号的强度会受到各种因素的影响而产生衰 减，通常用传播损耗的概念来衡量衰减的大小。传播损耗的类型根据电 磁波的传播机理不同也有很多种，如自由空问的损耗、反射损耗、绕射 损耗等。 假设无线电波是在完全无阻挡的视距内传播，没有反射、绕射和散 射，这种理想的情形叫做自由空间的传播。自由空间的传播是电波传播 最基本也是最简单的一种理想情况，电磁波在自由空间中信号的强度将 以距离平方的倒数衰减，这种损耗称为自由空问的传播损耗。假设收发 天线之间的距离为d ，发射频率为f ，自由空问的损耗可由以下公式计算： 北京交通大学硕士学位论文 兕汹) = 3 2 4 + 2 0 l o g d + 2 叭o g ， ( 3 1 ) 其中，d 的单位为k m ，f 的单位为m h z 。 电磁波有三种基本的传播机制：反射、绕射和散射。当电磁波遇到 比波长火得多的物体时发生反射，反射发生于地面、建筑物表面、水面。 当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射，由阻 挡产生的二次波散布于空问，甚至阻挡体的背面。当电磁波穿行的介质 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。散射产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体，如树叶。 3 1 1 2 衰落 电磁波在传播的过程中会经历两种类型的衰落：大尺度衰落和小尺 度衰落。大尺度衰落是由周围环境和地物的差别而导致的阴影区引起的， 表现为长时问内长距离内幅度的变化。小尺度衰落是移动台的移动距离 只有几个波长时，幅度的波动深度和速度的表征。它是由移动台附近物 体复杂的散射引起的。在计算这类损耗时，通常采用一些经典的传播模 型公式来进行近似计算，这些公式都是通过实际的场强测试的结果建立 的。对于预测平均场强并用于估计无线覆盖范围的传播模型，由于它描 述的是发射机与接收机之间长距离( 几百米或几千米) 上的场强变化， 称为大尺度传播模型。描述短距离( 几个波长) 或短时间( 秒级) 内的 接收场强的快速波动的传播模型称为小尺度衰减模型。图3 1 描述了大 尺度衰落和小尺度衰落的变化曲线。 北京交通大学硕士学位论文 。1 0 2 0 。3 0 场 强4 0 ( d 8 5 0 m ) 6 0 7 0 。8 0 短期毫落 、 |，。繇，“ j删、 1 k 一一， 0 0 2 k m 。微微小区的覆盖适用于人口密度高话务量较大的城市地区。 就我国铁路而言，微微小区覆盖只在编组站、大型车站等业务量较大但 对列车速度要求不高的地区才有可能使用，而本文讨论的重点是列车运 行速率较高的铁路线上，因此以后不再讨论微微小区的环境。 3 1 2 2 路径损耗建模 在蜂窝系统中，传播损耗与小区的覆盖范围是密切相关的。根据以 上分析，可以采用h a t a 模型为我国采用g s m r 系统的铁路建模，h a t a 模型做如下修改： 频率：9 0 0 m h z 基站高度h b ：1 0 0 | i i l ( 乡村) 、6 0 m ( 郊区) 、5 0 m ( 城区) 基站与移动台的距离：d 适用范围：宏小区以及半径在1 k m 以上的小区 北京交通大学硕士学位论文 假定移动台天线高度为1 5 m 时，路径损耗公式为 三“( d b ) = 1 4 6 8 3 3 1 3 8 2 4l o g ( h 6 ) 一口( 日优) + 【4 4 9 6 5 5 + 1 0 9 ( h b ) 】8 l o g ( 矗) ( 3 2 ) a ( h m ) 指车载台天线高度的校正因子。 对于中小城市地区：a ( h m ) = o 0 1 5 若h m 不等于1 5 m 时，校正公式为：+ 3 8 2 5 2 5 5 h m ( 3 3 ) 对于大城市地区：a ( h m ) = 0 o 0 0 9 2 若h m 不等于1 5 m 时，校正公式为：+ 4 9 7 3 2 【l 0 9 1 1 7 5 h m r ( 3 4 ) 郊区的路径损耗需要在式( 3 2 ) 上增加校正因子项：一9 9 4 3 乡村准开放地区的校正因子项：一1 3 5 0 6 乡村开放地区的校正因子项：一1 8 5 0 6 根据以上公式可以得出宏小区和微小区在不同地理环境下路径损耗 和距离的关系，见表3 2 。 表3 2 路径损耗表 北京交通大学硕士学位论文 乡村乡村中小城市地大城市 开放地区准开放地区 郊区 区地区“ 基站高度( m ) 1 0 0l o o6 05 0 移动台高度 ( m ) 1 5l51 51 51 5 h a t a 损耗公9 0 6 7 + 9 5 6 7 + 1 1 2 ，3 + 1 2 3 3 +1 2 3 4 + 式( d 单位l ( 1 1 1 )3 1 8 1 0 9 ( 砷3 1 8 l o g ( 曲3 3 2 5 1 0 9 ( 曲 3 3 7 7 l o g ( 功3 3 7 7 l o g ( 0 移动台高度 22222 ( m ) h a t a 损耗公8 9 4 0 + 9 4 4 0 + 1 1 1 0 3 +1 2 2 1 +1 2 2 3 + 式( d 单位k m )3 1 8 1 0 9 ( 03 1 8 1 0 9 ( 曲3 3 2 5 l o g ( 功 3 3 7 7 l o g ( 回 3 3 7 7 l o g ( 功 移动台高度 ( m ) 4 54 54 54 54 5 h a t a 损耗公8 3 0 2 + 8 8 0 2 +1 0 4 6 5 +1 1 5 7 +1 1 8 8 + 式( d 单位l 【1 )3 1 8 l o g ( 西3 1 8 l o g ( 西3 3 2 5 l o g ( 曲3 3 7 7 1 0 9 ( 功 3 3 7 7 1 0 9 ( 动 室内损耗 ( d b ) 1 0l o1 01 51 5 ( ) 对于大城市的中心需要加3 d b 的修正值。 3 1 2 3g s m r 无线链路预算 由于在铁路环境中移动台的额定功率有2 w 和8 w 两种类型，因此 本节中给出了这两种移动台的相应链路预算，见表3 3 和表3 4 ，这两个 表中引入的参数均为常用参数和建议取值。且做如下假设：基站馈线损 耗为2 d b 1 0 0 m ，长度为1 2 0 m ；移动台馈线损耗5 0d b 1 0 0 m ，馈线长 度4 m 。 表3 3 移动台额定功率为2 w 的链路预算表 链路参数上行下行计算公式 接收部分 b t sm s l 接收灵敏度 一1 0 4 d b m “1 0 2 d b mf 保护储备 3 d b3 d b口 耦合和电缆损耗 4 d b 0 d be 天线增益 1 2 d b io d b i f 屏蔽储备( 9 0 ) 5 d b5 d b 占 北京交通大学硕士学位论文 所需中值功率 1 0 4 d b m 一9 4 d b m h = c + d + e f 十g 链路参数上行下行 发送部分 m sb t s 发射功率 3 3 d b m 3 8 d b i 耦合+ 绝缘子损耗 o d b 3 d bk 馈线的接头损耗 o d b m 4 d b 上 天线增益 o d b i1 2 d b i 歪向等效辐射功率p i r e 3 3 d b m4 3 d b on = i x l 十精 链路表 最大损耗 1 3 7 d b1 3 7 d bo = h h 人体损耗j 3 d b 3 d b 尸 路径损耗 1 3 4 d b 1 3 4 d b俨尸 表3 4移动台额定功率为8 w 的链路预算表 链路参数上行 下行计算公式 接收部分 b t s m s 2 接收灵敏度 一1 0 4 d b m1 0 4 d b 保护储备 3 d b3 d b口 耦合和电缆损耗 4 d b2 d b 天线增益 1 2 d b i2 d b i 屏蔽储备( 9 0 ) 5 d b5 d b 所需中值功率 1 0 4 d b m一9 6 d b mh = c + d 咂一f + g 链路参数上行 下行 发送部分 m sb t s 发射功率 3 9 d b m 4 2 d bi 耦合+ 绝缘子损耗 0 d b3 d b 馈线的接头损耗 2 d b m4 d b m上 天线增益 2 d b i1 2 d b i聃 全向等效辐射功率p i r e 3 9 d b m 4 7 d b m = i k _ l 触 链路表 最大损耗 1 4 3 d b1 4 3 d bo = n h 人体损耗 3 d b3 d b尸 路径损耗 1 4 0 d b1 4 0 d b口_ 尸 注：基站规定的灵敏度是一1 0 4 d b m ，但网管中心基站的保护灵敏度因基站的型 号而不同，一般均会高于规定的灵敏度。 2 3 北京交通大学硕士学位论文 在表3 3 和3 4 中，上行链路预算和下行链路预算已经达到了平衡， 这是因为在预算中，以上行链路的预算为基准，即移动台以最大功率发 射的情况下得出最大路径损耗，接下来以上行链路的预算为平衡参考对 下行链路进行调整。 3 2 无线覆盖盲区形成的原因 造成g s m r 通信系统无线覆盖盲区因素很多，如天线高度、地形地 貌、环境噪声、系统设备的有关参数等。根据产生的原因不同，大致可 将无线覆盖盲区归纳为下面四类：移动台处于障碍物后面阴影区域、相 邻两基站的覆盖区不交叠区域、覆盖区内不能满足同频干扰指标的区域、 和g s m 公网之间的互调干扰引起的无线覆盖盲区。 3 2 1 障碍物后面阴影区域 铁路复杂的地形地貌是造成g s m r 移动通信系统无线覆盖盲区的 一个重要原因，因为该系统属于微波通信，是一种视距通信，信号的绕 射和折射能力较差，各种建筑物地形及隧道对信号的阻挡严重。 铁路隧道是g s m r 移动通信系统特有的环境，隧道对信号有很强的 屏蔽作用，另外，铁路隧道一般比较狭窄，特别是当火车经过时，被火 车填充后所剩余的空间很小，火车对隧道的填充对信号传播会有较大的 影响。并且天线系统的安装空间有限，这样天线的尺寸和增益也必然会 受到很大的限制。 目前大多数没有加设直放站的隧道都是覆盖盲区，按宽度铁路隧道 可以分为单线铁路隧道和复线铁路隧道，按长度铁路隧道可分为短隧道、 中等长度隧道和长隧道，短的隧道只有几百米，而长的隧道有十几公里。 北京交通大学硕士学位论文 在解决隧道的覆盖盲区问题时，宜根据不同长度不同特性隧道的具体覆 盖来提出实际的解决方案。 3 2 2 相邻两基站的覆盖区不交叠区域 当基站工作一段时间之后( 如半年以上) ，可能会由于种种原因使基 站的覆盖范围有一定的收缩，严重的收缩幅度在5 0 以上，它的直接后 果会造成较大范围的覆盖盲区，影响系统的性能。基站覆盖范围减小不 仅与系统技术指标( 如基站灵敏度、功率等) 有较大的关系，而且工程 质量、地理因素、电磁环境等也直接影响基站的覆盖范围。 由于基站故障影响覆盖的因素主要有：发射机输出功率减小，接收 机灵敏度降低，天线的方位角发生变化，天线的俯仰角发生变化，天线 增益的变化，天线挂高的变化，馈线损耗、耦合器损耗、工作频率的改 变，传播环境( 地形以及人为环境) 的变化，分集接收的影响等。总结 如下： 1 ) 天线安装后的参数变化。天馈线本身机械参数不易改变，但天线 安装后的垂直度因使用一段时间后会有所改变，如原来安装时是垂直的 但经风吹后变为倾斜了。则天线的波瓣一面下倾一面上倾，使通信距离 下降，造成覆盖盲区。 2 ) 定向天线的反向泄漏变大，导致正向信号的发射功率变低，最终 致使小区的覆盖范围收缩。 3 ) 基站发信机和耦合器的输出功率下降，由于硬件单元连接不牢等 种种原因造成射频信号的泄漏而引起损耗。 4 ) 天馈线的损耗增大。如果用仪表测量驻波比异常，可能是由于天 馈线的接头或者馈线漏水问题，导致发射功率下降而减小了基站的覆盖 北京交通大学硕士学位论文 范围。 5 ) 频率失谐。收发信机使用几年后频率稳定度、精确度都会发生一 些变化，造成频率失谐，使系统通信距离下降，噪声加大，从而造成覆 盖盲区。 6 ) 频偏变化。频偏下降造成语音调制深度下降，使通信距离下降， 造成覆盖盲区。 7 ) 基站接收灵敏度的降低，从而导致基站覆盖范围变小。 以上是影响系统覆盖范围减小的几个方面，可以看出，随着基站使 用时问的延长，覆盖范围可能会慢慢缩小，因此，相邻小区的覆盖必须 要有一定的覆盖重叠区。 3 2 3 覆盖区内不能满足同频干扰指标的区域 在蜂窝系统中，系统会给每一个小区的基站分配一组信道，只要相 隔距离足够远，相同的信道可以在另一个小区重复使用，这就是频率复 用的思想。同频干扰是由于采用了频率复用，在同频小区之间产生的干 扰。同频干扰不能简单的