（通信与信息系统专业论文）gsmr无线信道模型分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 g s m r 是e t si 欧洲电信标准协会在第二代数字移动通信g s m 标准的基 础上，经过十多年的制定、测试和认定推出的一个针对铁路的专用数字移动通 信标准，其在欧洲己投入使用。g s m r 系统是为高达5 0 0 k m h 的速度设计的， 适合于高速铁路发展的需要，满足了新一代铁路综合数字移动通信网络的需 求。 首先，电波传播预测在铁路专用通信网络中扮演着极其重要的角色，准确 的传播预测对于g s m r 的建立有着重要的意义。在铁路专用通信网络中使用 的预测统计模型最著名的是o k u m u r a ( 奥村) 模型，它是o k u m u r a 以其在日本的 大量测试数据为基础统计出的以曲线图表示的传播模型。在o k u m u r a 模型的 基础上，各国的研究人员又给出了便于计算机计算的各种解析经验公式。但研 究和实践表明这些经验公式计算繁琐并且与实际环境之问存在着或大或小的 误差。本文详细介绍了在铁路通信中得到广泛使用的几种模型。然后，结合传 播模型校正的一般理论，利用宏蜂窝模型预测软件获得实测数据，在此基础上 对模型进行修正，虽终给出适合g s m r 通信系统的传播模型参数。 其次，结合铁路无线电波的传播特性，论文对高速运动环境中的移动通信 多径信道的电波传播特性进行研究，将随机过程理论、速度参数、地形因素与 无线通信原理结合对电波的多径径数分布、多径传播路程差和时延分布、多径 传播反射散射次数分布进行了分析、仿真和讨论。 最后，通过综合分析高速铁路的客观环境和机车台高速移动的特点，结合 本文中推导得出的参数，针对原有公网中无线信道模型的不足，对既有c l a r k e 模型加以改进，建立适合于高速运动环境的移动通信多径信道模型，并利用 m a t l a b 软件进行仿真，验证改进模型的信道性能以及其实用性。 本文针对性对不同地形环境下铁路沿线9 0 0 m h z 电波传播特性的进行研 究，将为g s m r 网络规划和弱场区处理提供准确的依据，有助于提高设计质 量、缩短设计周期、积累设计经验，推动铁路通信专业设计能力的发展。 关键词：高速铁路；多径传播；信道模型；衰落信道 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s r a c t g s m - ri st h es p e c i a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mf o rr a i l w a y ，w h i c hi s b a s e do rt h ee t s ig s m ，t h es e c o n dg e n e r a t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m i th a sa l r e a d yc o m ei n t ou s ei ne u r o p e g s m rs y s t e mi sd e s i g n e df o rh i g h s p e e d r a i l w a y w i t ht h e v e l o c i t y5 0 0 k m h ，a n ds u i t a b l ef o rt h ed e v e l o p m e n ta n d r e q u i r e m e n t o f h i g h s p e e dr a i l w a y w h i c ha l s om e e t st h ed e m a n d so f n e w g e n e r a t i o nd i g i t a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k r a d i op r o p a g a t i o ni nt h e r a i l w a yt e l e c o m m u n i c a t i o wn e t w o r kp l a y s a n i m p o r t a n t r o l e i nm o d e mw i r e l e s s s y s t e m a n a c c u r a t e p r e d i c t i o n o ft h e p r o p a g a t i o ni nt h ec e l li sv e r yh e l p f u lw h e nd e s i g n i n gg s m rs y s t e m t h ef a m o u s s t a t i s t i c sm o d e li nt h em o b i l em o d e l si so k u m u r am o d e l ，w h i c hi sc r e a t e db y o k u m u r au s i n gs t a t i s t i c sm e t h o d t h em o d e li s e x p r e s s e db yt a b l e sa n dc u r v e s b a s e do nt h em o d e l ，v a r i o u sm o d i f i e dm o d e l sa r eg i v e nb yo t h e rr e s e a r c h e r sw h i c h a r eb a s e rt oc a l c u l a t eb yc o m p u t e r s i nf a c t ，t h e s em o d e l sa g en o to f t e ns u i t a b l ef o r ag i y e ns p e c i f i cr a d i op r o p a g a t i o ne n v i r o n m e n t t h i sa r t i c l ew i l lc o m b i n et h e g e n e r a lt h e o r yt e s tp r i n c i p l e o fp r o p a g a t i o nm o d e lt u n i n g ，a n du s c ss o f t w a r e w h i c hs u p p o r tf o rm o d e lt op r e d i c tt h ef i e l di n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no f9 0 0 m h z f r e q u e n c yr a n g e so nr a i l w a yo fn i n g q i ，a n dc o m p a r e st h ea c a d e m i cd a t aa n dt h e d r i v et e s td a t a ，a n df i n a l l yg i v e sap r o p a g a t i o nm o d e lp a r a m e t e rt h a ti sf i tf o r g s m - rs y s t e m s e c o n d l y ，b a s e do nt h er e s e a r c h o ft h ef o r m e r , t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so f r a d i ow a v ew i t ht h e m u l t i p a t hp r o p a g a t i o ne n v i r o n m e n t so fl a n dh i g h - s p e e d l o c o m o t i o na r er e s e a r c h e d t h ed i s t r i b u t i o no ft h ep a t h - n u m b e r , a n g l eo fi n c i d e n c e ， t i m e so fr e f l e c t i o n ，a t t e n u a t i o na n dd e l a ya r ea n a l y z e d ，s i m u l a t e da n dd i s c u s s e db y c o m b i n i n gs t o c h a s t i cp r o c e s st h e o r ya n ds p e e d - l a n d f o r mf a c t o rw i t hw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n sp r i n c i p l e s f i n a l l y , ai m p r o v ew i r e l e s sm u l t i p a t hc h a n n e lm o d e li nt h el a n dh i g h s p e e d l o c o m o t i v ee n v i r o n m e n tw a ss e t ，b a s e do nt h ec l a r k em o d e la n dc h a n n e l p a r a m e t e r a n dt h em o d e lw a ss i m u l a t e da n dr a t ee t ca n a l y z e db ym a t l a b t h e p e r f o r m a n c ew e r ev a l i d a t e da n da n a l y z e db yt h i sm o d e l i ns h o r t ，t h em o d e li nt h i sp a p e rw o u l dh a v ew i d ef o r e g r o u n df o ra p p l i c a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 i nr e s e a r c ho fr a d i op r o p a g a t i o n a n dg o o dp e r f o r m a n c ei na n a l y s i sa n dp r a c t i c a l t o o l sw c r es h o w n k e yw o r d s ：h i g h r a i l w a y , m u l t i p a t hp r o p a g a t i o n ，c h a n n e lm o d e l ，f a d i n gc h a n n e l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 中国铁路无线通信正处于由传统的4 5 0 m h z 模拟调制系统向数字系统发 展阶段，在最近1 0 年中，我国铁路系统经历了重载运输、电气化改造以及有 线提速等一系列改造后，发展迅速。但同时由于目前负责铁路无线通信的手段t 大多仍然是较早前的模拟通信系统，其无论从信号质量、业务和功能上都与数 字化网络相比有明显缺陷，与现代铁路运输需要之间的差距也在不断扩大，对 铁路系统的进一步改造形成明显的制约。为了改变这种局面，顺应铁路系统发 展需求，铁道部计划用几年时间，在全国铁路系统中逐步建立起一套符合我昏 铁路发展需求的数字移动通信网络。我国铁路通信方面专家经过对世界铁路发 达国家的多方考察、论证后认为，目前世界领先的g s m r 系统是最适合我国 铁路建设的数字移动通信系统。 1 1g s m r 系统概述 g s m r ( g s mf o rr a i l w a y ) 系统是欧洲铁路综合调度移动通信系统的简 称，是在g s m 系统基础上增加了调度通信功能和适合高速环境下使用的要素 ( 速度为0 5 0 0 k m h ) ，能满足铁路系统快速移动、专用调度的通信要求。由 于g s m r 系统很多技术借鉴了公网g s m 技术，保留了g s m 的大体结构，使 得从一开始g s m r 系统就是一个成熟可靠的系统。 1 1 1 网络结构 一个g s m r 移动通信网络由若干个功能实体组成。各个功能实体所实现 的功能的集合就是g s m r 网络提供给用户的基本业务与补充业务。g s m r 移 动通信网络结构基于g s m 移动通信网络，主要由基站子系统( b s s ) 、网络子 系统( n s s ) 、操作与维护子系统( o s s ) 三部分组成，其基本结构如图1 - 1 所 一 - 刁o 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 图1 - 1 ：g s m r 系统结构示意图 b s s 主要由基站控制器( b s c ) 、基站收发信台( b t s ) 组成。通过无线 接口( u m ) 与移动台( m s ) 相连，a 接口与n s s 相连。b t s 是网络固定部 分与无线部分之间进行通信的中继，m s 通过空中接口与b t s 进行连接，是移 动通信网络的无线接入部分，是终端用户最直接感受网络质量的部分。一个或 几个b t s 连接到一个b s c 上，b s c 主要提供在其覆盖区域内的无线电资源管 理与移动性管理的功能，以及提供无线电网络的运营与维护功能。b s s 还有可 能存在编码速率适配单元( t r a u ) ，实现编码速率转换。 n s s 一般由6 个功能实体组成，分别是移动交换中心( m s c ) ，归属位置 寄存器( h l r ) ，拜访位置寄存器( v l r ) ，鉴权中心( a u c ) ，设备识别寄存 器( e i r ) ，组呼寄存器( g c r ) 。n s s 主要负责端到端的呼叫、用户数据管理、 移动性管理和固定网络的连接。其中m s c 是n s s 的核心，用于建立业务信道 和在m s c 之间或与其他网络之问交换信令消息。与m s c 相连的是v l r ，v l r 管理在一个m s c 区内漫游移动用户信息的动态数据库。h l r 存储的是在网络 中永久注册的移动用户的静态信息；如用户信息、承载和定制的用户信息等。 a u c 完成对用户的鉴权及为移动台与网络之间的无线通信进行加密。e i r 用 来存储i m e i ( 国际移动设备识别符) 。作为g s m r 网络的特有组件g c r ，用 于存储移动用户的组i d 、移动台发起语音组呼( v g c s ) 和语音广播( v b s ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 参考的小区信息及发起呼叫的m s c 是否负责处理呼叫的指示。 o s s 可分为对应b s s 的操作与维护中心o m c r 及对应n s s 的操作与维 护中心o m c - s 。o s s 是操作人员与系统设备之间的中介，它实现了系统的集 中操作与维护，完成了包括移动用户管理、移动设备管理及网络操作维护等功 能。它的一侧与设备相连，另一侧是作为人机接口的计算机工作站。这些专门 用于操作维护的设备被称为操作维护中心o m c 。系统的每个组成部分都可以 通过特有的网络连接至o m c ，从而实现集中维护。 1 1 z 频率的选择 g s m r 在欧洲使用的频率是上行8 7 6 8 8 0 m h z ，下行9 2 1 9 2 5 m h z 。欧洲 铁路标准化组织选择这段频率主要基于如下考虑： 这段频率与g s md 9 0 0 的频率很近，硬件和软件的修改很少，成本较低： 基站的间距为。5 - 1 0 公里，这个间距能保证高速运行时的通信质量，能满足 最大速度5 0 0 公里，以及列控的需求： 在隧道内的转播性能好，特别是在新建的混凝土或钢构的隧道中，比 4 5 0 m h z 和1 8 0 0 m h z 好： 电气化干扰对9 0 0 m h z 附近的通信频段几乎没有影响。 1 1 3g s m r 的经济性 欧洲国家由于历史的原因使用了众多的模拟无线通信系统，互不兼容，运 行维护费用很高，这些设备基本上无进一步扩展的可能性。如德国铁路现有约 8 种不同制式的通信系统，这些系统互不兼容，资源利用率低，采购成本、运 行成本、维护成本加起来很高。虽然德国铁路的很多线段的时速都不超过 2 0 0 k m h ，德国铁路仍然计划全面采用g s m r 。用g s m r 一个系统取代现存 的8 种不同系统，其重要因素是考虑节约运行和维护成本 1 2 选题背景和意义 无线信道模型的建立与预测是g s m r 系统网络设计规划的重要内容，也 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 是决定整个网络性能与造价的关键因素。其作为无线通信系统设计中的难点及 推动整个移动通信发展的关键技术之一，国内外都对它做了大量的研究，许多 高效的模型被提出并得到现场的测试与验证。无线信道的建模主要考虑幅度衰 落、频谱扩展、多径时延等三方面的因素，无线信道传播模型传统上集中于给 定范围内平均场强的预测和特定位置平均场强的变化，大尺度传播模型描述的 是发射机与接收机之间长距离( 几百米或几千米) 的场强变化，研究重点在于 无线信号的路径损耗，小尺度传播模型描述的是短距离( 几个波长) 或短时间 ( 秒级) 的接收场强的快速波动，研究重点在于无线信号的小尺度衰落和多径 效应。大尺度传播模型目前得到广泛应用的主要有o k u m u r a h a t a 模型、 c o s t 2 3 1w a l f i s h i k e g a m i 模型、通用校正模型等。o k u m u r a h a t a 模型是在日 本东京所取得的大量不规则地形条件实测数据基础上所总结出来的经验公式， 其特点是以准平坦地形的大城市的中值路径衰耗为主要参考，对其他传播环境 和地形环境用校正因子进行修正，该模型的适用于1 5 0 m h z 1 0 0 0 m h z 宏小区 的预测；c o s t 2 3 tw a l f i s h i k e g a m i 模型和o k u m u r a h a t a 模型一样是由在日 本测得的平均数据构成，该模型适用于9 0 0 m h z 1 8 0 0 m h z 微小区的预测； 通用校正模型主要用于场强预测的规划软件中，考虑了现实环境中各种地形地 貌对电波传播的影响，用各种校正参数对模型进行了改进，通用校正模型的适 用范匿为5 0m h z 2 0 0 0m h z 的宏( 微) 小区的预测。小尺度传播模型主要有 瑞利衰落模型和莱斯衰落模型，二者的差别在于是否存在直射信号路径。 g s m r 系统在铁路的应用跟g s m 系统在公众蜂窝网的应用相比具有很多 不同点：首先，是其带状为主的覆盖区域要求铁路沿线路，隧道等大量特殊地 形的存在，高达3 5 0 k m h 的高速运行环境，都决定了铁路模式下的电波场强传 播的特殊性，而目前国内外在此问题上的研究均还处于摸索阶段。 g s m r 是面向未来的技术，它将从广阔的g s m 公网市场和g s m 技术的 不断演进中获益，具有巨大的发展空间。而无线信道模型的建立与预测是 g s m - r 系统设计与开发中的关键性要素，是铁路移动通信网规划设计的基本 除法点。目前，中国铁路无线通信正在由传统的4 5 0 m h z 模拟调制出发点。目 前，中国铁路无线通信正在由传统的4 5 0 m h z 模拟调制系统向以g s m r 为主 的擞字系统发展，研究适合中国铁路g s m r 的无线信道模型对于中国铁路无 线网络的建设与发展具有至关重要的意义，是一项很有实用价值且值得深入研 究的项目。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 研究现状分析 全球第一个g s m - r 网络于1 9 9 9 年在瑞典建成并投入使用，目前西方许 多发达国家如瑞士、德国、法国、英国、西班牙、美国等都采用g s m r 网络 服务于本国铁路系统，以适应铁路系统对列车不断提速，铁路通信系统安全性 不断提高、业务不断多样化的需求。 在1 9 9 7 年，3 2 个国家同意采用g s m r 作为唯一的国际铁路无线通信系 统，g s m r 成为u i ce r t m s 的标准。从此，标准化的g s m r 系统代替了其 它所有不同制式的铁路无线通信系统，节省了投资，提高了铁路通信的互通性 和安全性，同时也为铁路以更高的速度运行提供了通信方面的保障。 g s m r 在欧洲的成功应用，引起了世界其他国家的关注。现在，越来越 多的国家选择g s m r 作为本国铁路无线通信系统，除了欧洲已经签署了 g s m rm o u 的3 2 个国家外，还有亚洲、南美洲、大洋洲、非洲、中东、俄 罗斯等多个地区和国家都在试用g s m r 系统。其中，中国铁道部早在2 0 0 2 年就主办了u i c 年会，2 0 0 3 年和华为公司签订大同一秦皇岛铁路g s m r 项目 合作合同，开始了中国第一个g s m r 网络的建设。 g s m - r 基于全球应用最为广泛、最成熟的g s m 系统，这也意味g s m r 具有g s m 的规模和成本优势，并将随着g s m 技术的不断发展而持续创新。 在g s m 的丰富业务基础上，g s m r 提供了高级语音呼叫功能( v g c s 、v b s 、 e m l p p ) ，并提供基于位置的寻址、功能号码、接入矩阵、高优先级呼叫确认、 调车通信、铁路紧急呼口q 等铁路专用的呼叫功能。同时，通过g s m r 系统盼 数据承载，还能提供端到端的列控信息传输，例如铁路信号信息和列车控制信 息都可以直接从控制中心传达给司机。 2 0 0 4 年3 月，中国铁道部选择北电在西藏进行无线通讯试验。同年，在 西藏以双网覆盖的配置首次部署了g s m r 网络，这也是全球最高的g s m r 网络( 5 0 7 1 米) 。 2 0 0 5 年3 月，中国铁道部选择北电设备部署青藏铁路g s m r 通信系统。 随着高速铁路网的建设和发展，高速铁路沿线地理环境以及高速行驶的特 点对行车通信将产生更加突出的影响；因此，对高速铁路环境下电波多经传播 特性进行探索和研究，以及计算机仿真工作，在理论和实践上都有着重要的意 义和作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章g s m r 无线电传播 2 1 统计传播模型简介 通常在移动通信的环境中考虑到三类环境小区( d 为小区半径) 为：( 1 ) 宏小区( 1 k m = d = 3 5 k m ) ( 2 ) 微小区( 0 0 5k m ( d = l k m ) ( 3 ) 微微小区( d = 5 0 m ) 。 经验模式适用于具有均匀特性的宏小区，半经验模式适用于均匀的宏小区和微 小区；确定性模式适应于微小区和微微小区，它不适应于宏小区的计算。根据 现有资料，主要有以下几类模式： 表2 - 1 传播模型 微小区 宏小区( 1 k m 3 5 k m ) 室内( 5 0 m ) ( o 0 5 k m l k m ) 经验模式半经验模式其他模式半经验模式、经验模式 长距离路径 o k u m u r a h a t a i k e g a m i a n d e r s e n双射线 损耗 w a l f i s c h & c o s t 2 3 1 - h a t a z h a n g 多射线衰减因子 b e r t o n i x i a多缝隙波道模k e e n a n m o t l e es a u n d e r b e r t o n i 式 l e y i b r a h i m & p a r s o n c o s t 2 3 1 w a l f i s c h - i k e b o n a r u n i - l u n d 模 多墙模式 s式 g a m i m c g e e h a n g r i f f i t h s a t e f i & p a r s o n s s a k e g a m i k u b o i 目前实际在铁路通信中得到广泛应用的有以下几种： 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 1 1o k u m u r a h a t a 模型 o k u m u r a h a t a 模型是在日本东京所取得的大量不规则地形条件实测数据 基础上所总结出来的经验公式，其特点是以准平坦地形的大城市的中值路径衰 耗为主要参考，对其他传播环境和地形环境用校正因子进行修正。该模型的适 用范围为 表2 - 2 参数范围 频率f ( m h z ) 1 5 0 1 0 0 0 基站高度h ( m ) 3 0 2 0 0 移动台高度i l 。( m ) 1 2 0 距离d ( k m ) 1 2 0 在城区h a t a 模型的传播损耗公式为： 厶- 6 9 5 5 + 2 6 1 6 l g - 1 3 8 2 i g - a ( h , , ) + ( 4 4 9 - 6 5 5 l g h o ( 1 9 ：谚尸f a 留夕 ( 2 - 1 ) 公式( 2 1 ) 中： 印 一市区准平滑地形电波传播损耗中值( d b ) ， 一载频工作频率( m h z ) h 6 一基站天线有效高度( m ) h 。 一移动台天线有效高度( m ) d 一移动台与基站间距( k m ) a 一距离衰减因子，取值为1 ( d 2 0 k m 时) a ( h 。) 一移动台天线高度因子( 当h 。= 1 5 m 时，a ( h 。) o ) 其中：对于中小城市，a 的取值为： 口仿一= ( 1 1 l l g f - o 7 ) + h m - ( 1 5 6 1 9 f - o 8 ) ( 2 - 2 ) 对于大城市，a 的取值为： 在9 0 0 m h z 频段，口伪0 = 3 2 ( ( 1 9 ( 1 1 。7 5h m ) ) 2 - 4 9 7 在不同的地形情况下，采用各种校正因子予以校正： l u = l p - k s - k h - k a k l s ( 2 3 ) 其中，k s 为郊区校正因子，由于郊区或开阔区传播条件明显优于市区， 故其校正因子表现为增益；拖为丘陵地形校正因子，与地形起伏量有关，其 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 校正因子表现为衰减；砀为斜坡地形校正因子，其大小取决于斜坡的平均角 度“和两天线间的距离，其中+ q 。表现为增益，q 。表现为衰减，k i , 为水陆 混合路径校正因子，其大小与水面或移动台或基站的相对位置有关，由于传播 路径遇有水面时要比全陆地时好，故k ，表现为增益。 其它校正因子：除上面介绍的四种修正因子外，o k u m u r a h a t a 模型还对 开阔地、孤立山岳、道路走向以及道路宽度的影响都做了修正，在进行具体的 路径计算时都可视具体情况进行修正。 在应用o k u m u r a h a t a 模型时，既可采用曲线法，也可使用经验公式。 2 1 2 一c o s t 2 3 1w a l f i s h - i k e g a m i 模型 c o s t 2 3 1w a l f i s h - i k e g a m i 模型和o k u m u r a - h a t a 模型一样是由在日本测 得的平均数据构成，o k u m u r a h a t a 模型适用于1 5 0 m h z 1 0 0 0 m h z 宏小区的 预测。c o s t 2 3 1w a l f i s h i k e g a m i 模型适用于9 0 0 m h z 1 8 0 0 m h z 微小区的预 测。 表2 - 3 模型参数 频率，( m h z ) 8 0 0 2 0 0 0 基站高度j 1 6 ( m ) 4 - 5 0 移动台高度h 。( m )1 - 3 m 距离d ( k m ) 0 0 2 5 ( 1 ) 移动台和基站之间不存在视距传播时的传播损耗 l b = l o + l r 据+ l m s d ( 2 4 ) 当工m + l m 。d = 0 时，l 6 = l o 。式中，工d 是自由空间的损耗， 工d - 3 2 4 + 2 0 1 9 d + 2 0 1 矿 工。是从屋顶到街道的绕射和散射损耗： l m = 1 6 9 一l o l g w + l o l g ，+ 2 0 1 9 ( h b h 。) + 工。一 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 其中厶打= 1 0 + 0 3 5 4 p h i当0 0 = p h i 3 5 。 工咖= 2 5 + 0 0 7 5 ( p h i - 3 5 )当3 5 。= p h i h , o o f 虬= 5 4 0 8 ( h b h 。o f ) ，当d = 0 5 ，且如嘲。， j l = 5 4 一o 8 ( h b - h 。f ) ( d o 5 ) ，当d h r o o f j 幻= 1 8 1 5 6 一h ，o 谚h r o o y ，当钆；i i 耐 对于中等规模城市和植被覆盖密度适中的郊区中心， k f = 4 + 0 7 ( 9 2 5 1 1 对于大城市的中心， k = - 4 + 1 5 何9 2 5 1 1 ( 2 ) 当移动台和基站之间存在视距传播路径时( 街道狭长区) 对于天线高度低于建筑物屋顶的微小区； l b = 4 2 6 + 2 6 1 9 d + 2 0 l g f d = 0 0 2 k i n 2 1 3 通用校正模型 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 目前在用于场强预测的规划软件中，考虑了现实环境中各种地形地貌对电 波传播的影响，用各种校正参数对上述模型进行了改进。通用校正模型的适用 范围为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 表2 4 参数范匿 频率f ( m h z ) 5 0 2 0 0 0 基站高度h 6 ( m ) 1 0 0 移动台高度h 。( m ) 1 3 距离d ( k m l o 1 1 0 0 l m = g l - g z l o g d - k s l g h b - l g - k s l g d l g 如- k 6 h k 7 c m m ， ( 2 - 1 1 ) k 1 ：1 英里截距 g z ：路径损耗斜率 局，k s ：基站天线高度修正系数 乜：绕射损耗调整系数 9 6 ：移动台天线高度修正系数 髟。缸。引地面用途系数 9 0 0 m h z 频段通用校正模型参考值如下( 适用于移动台天线高度为1 5 m ， 绕射边缘距离为1 0 0 m ，地球曲率半径为8 4 9 1 k m 的条件) ： 表2 5 模型参数值 参数市区郊区开阔地区 9 1 1 2 1 2 2 1 6 4 k 2 4 4 94 4 94 4 9 硒 5 8 35 8 35 8 3 k 4 0 40 40 4 k s 6 5 56 5 5丘5 5 k 6 o 0 0 9 0 0 m h z 频段k 7 。l u t 。地面用途系数参考值如表2 - 6 所示( 适用于移动台 天线高度为1 5 m ，绕射边缘距离为1 0 0 m ，地球曲率半径为8 4 9 1 k m 的条件) 。 在实际的预测规划过程中，将在根据上表设定初值的基础上，对测试值和 预测值进行分析，确定各数据文件的均方值和误差，并对k 值进行调整，使 均方值为最小。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 表2 - 6 系数参数值 地形地物类型k 7 。m t e r 地面用途系数 商业、工业区 0 居民小区 8 森林区 9 农村 1 9 道路 2 1 山区2 1 开阔地 2 4 湖泊2 9 2 1 4 模型比较 以上三种模型中，o k u m u r a h a t a 模型考虑了城区的中值损耗模型，并在 此基础上对其他传播环境及地形条件进行修正，该模型在世界范围内得到了较 为广泛的采用，而c o s t 2 3 1w a l f i s h - i k e g a m i 模型的特点是在市区环境测试结 果的基础上，结合了处理街道走向的修正函数，并考虑了屋顶和建筑物高度的 影响，是经验模式和确定性模式的结合，目前在城市的微蜂窝预测中应用效果 较好：通用校正模型主要应用在使用规划软件时，利用测试值对预测值的修正 来获得各个校正因子的参数并通过软件来完成场强预测工作。 g s m r 系统目前在铁路沿线应用时基本上按照5 k m 6 k i n 的间距来设置基 站，即每个小区的覆盖范围按照2 k i n - 4 k m 来设计，属于宏小区；在个别的枢 纽地区和站厅为提高话务量和解决弱场的覆盖会用到微小区的建设方式，针对 铁路g s m r 系统应用中的主要小区模式，在实际的场强预测中主要采用 o k u m u r a h a t a 模型来进行场强预测，本研究课题将重点研究o k u m u r a h a t a 模 型在铁路g s m r 系统场强预测中的应用并对其进行改进。 2 1 5o k u m u r a h a t a 模型铁路应用实例 根据g s m r 系统的工作频段为9 0 0 m h z ( 上行8 8 5 8 8 9 m h z ，下行9 3 0 9 3 4 m h z ) 、普通基站的覆盖范围属于宏小区( 一般覆盖半径大于2 k m ) 等特点， 西南交通大学硕士研究生学位论文1 第1 2 页 选用o k u m u r a - h a t a 模型对铁路沿线某个基站进行电波传播预测。 表2 7 市区准平滑地形电波传播损耗中值表 损耗中值 d b 基站天线高度( 米) 传播距离 1 02 03 03 54 0 5 06 07 0 ( k m ) 11 3 3 5 51 2 9 3 81 2 6 9 41 2 6 0 21 2 5 2 11 2 3 8 71 2 2 7 8 1 2 1 8 5 1 51 4 0 1 41 3 5 6 31 3 3 o o1 3 1 9 91 3 1 1 21 2 9 6 7 1 2 8 4 9 1 2 7 4 9 2 1 4 4 9 31 4 0 1 81 3 7 4 01 3 6 3 41 3 5 4 21 3 3 8 91 3 2 6 41 3 1 5 9 2 51 4 8 6 51 4 3 7 01 4 0 8 11 3 9 7 11 3 8 7 61 3 7 1 7 1 3 5 8 71 3 4 7 7 31 5 1 6 81 4 6 5 81 4 3 6 01 4 2 4 61 4 1 4 81 3 9 8 41 3 8 5 0 1 3 7 3 6 3 51 5 4 2 51 4 9 0 21 4 5 9 61 4 4 7 91 4 3 7 91 4 2 1 01 4 0 7 2 1 3 9 5 6 41 5 6 4 81 5 1 1 31 4 8 o o1 4 6 8 11 4 5 7 81 4 4 0 61 4 2 6 5 1 4 1 4 6 4 51 5 8 4 41 5 2 9 91 4 9 8 01 4 8 5 91 4 7 5 41 4 5 7 91 4 4 3 5 1 4 3 1 4 51 6 0 1 91 5 4 6 51 5 1 4 1 1 5 0 1 81 4 9 1 21 4 7 3 31 4 5 8 8 1 4 4 6 4 5 51 6 1 7 81 5 6 1 61 5 2 8 71 5 1 6 21 5 0 5 41 4 8 7 3 1 4 7 2 5 1 4 6 0 0 61 6 3 2 31 5 7 5 31 5 4 2 01 5 2 9 41 5 1 8 41 5 0 0 1 1 4 8 5 11 4 7 2 4 6 51 6 4 5 61 5 8 8 01 5 5 4 31 5 4 1 51 5 3 0 41 5 1 1 8 1 4 9 6 61 4 8 3 8 71 6 5 8 01 5 9 9 71 5 6 5 61 5 5 2 71 5 4 1 41 5 2 2 71 5 0 7 31 4 9 4 4 7 51 6 6 9 51 6 1 0 61 5 7 6 21 5 6 3 11 5 5 1 71 5 3 2 81 5 1 7 3 1 5 0 4 2 81 6 8 0 21 6 2 0 81 5 茁6 01 5 7 2 81 5 6 1 41 5 4 2 31 5 2 6 6 1 5 1 3 4 8 51 6 9 0 31 6 3 0 41 5 9 5 31 5 8 2 01 5 7 0 41 5 5 1 1 1 5 3 5 4 1 5 2 2 1 9 1 6 9 9 81 6 3 9 41 6 0 4 1 1 5 9 0 61 5 7 9 01 5 5 9 51 5 4 3 61 5 3 0 2 9 51 7 0 8 81 6 4 7 91 6 1 2 31 5 9 8 81 5 8 7 11 5 6 7 51 5 5 1 41 5 3 7 9 1 01 7 1 7 41 6 5 6 01 6 2 0 21 6 0 6 51 5 9 4 71 5 7 5 0 1 5 5 8 91 5 4 5 2 取基站的发射频率为9 3 0 m h z 、h m = 1 5 m ，可得出市区准平滑地形电波传 播损耗中值如上表。 2 1 6 针对o k u m u r a h a t a 模型在不同传播环境的校正 上述的传播损耗中值的传播环境是在起伏高度2 0 米以下的城市环境。对 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 于铁路沿线的传播环境一般可分为农村开阔区、郊区、城区、丘陵、山区等不 同的地形。在采用市区准平滑地形传播损耗值进行预测时应采用不同的校正因 子。其中： 郊区校正因子曲当d 1 0 k m ，f = 9 3 0 m h z 时约为3 d b ： 农村开阔区校正因子q o = 4 7 8 0 9 ，) 2 - 1 8 3 3 1 9 f + 4 0 9 4 ，f - - 9 3 0 m h z 时( 2 0 为 2 8 6 d b 、农村准开阔区的( 2 0 一般要小5 d b 。 丘陵地形下的校正因子肋= 5 7 0 0 2 4 a h 6 9 6 1 9 a h ，地形起伏量彳 为 3 0 一5 0 米时k h 为5 3 7 3d b ，如在地形波动的底部时，k h 还将恶化7 9d b 。 假定本文的传播环境主要是农村准开阔区，其校正因子取值为2 3 d b 。 各点传播场强预测值：p r - p l - l p + g b + g - l b - l 。k 其中，a 为基站发信机输出功率、l p 为中值路径损耗，g b 为发射天线 增益、g m 为接收天线增益、l b 为基站馈线损耗、l m 为接收天线损耗，l d 为 发射共用器等损耗。根据h a t a 经验公式可绘制出以下场强预测曲线 p r - - 6 3 2 7 3 3 7 7 1 9 d ：各点场强预测的曲线见下图： 图1h a t a 经验攻势场强预测值 根据以上传播预测，电波场强在铁路沿线传播逐渐衰减，至1 0 k m 处约衰 减至3 0 d b 左右。但在实际的应用中，由于各地的传播环境和条件不可能完全 相同，很难找到一个适合铁路沿线各种地形的通用传播模型来进行预测，运用 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 不同的校正因子，得到的结果也不同。所以需要在铁路沿线进行大量的测试， 利用统计的方法，用实测数据对模型进行校正，才能作好场强覆盖预测工作。 2 2 小尺度衰落和多径效应 2 2 1 时延扩展 由于信号沿几条路径传播，多个信号到达时由于不同的路径导致到达时间 上的差别，结果是使信号轮廓模糊或被扩展，此即为延迟扩展。在数字系统中， 特别是高比特率运行的系统中，传播延迟将使前后传输码重叠，产生码间干扰， 从而限制了多径信道的最大码速。 移动通信在室外使用时，直接路径和反射路径都可能很长，传输延迟可能 达到数微秒或更多。在市区、反、散射体越多，典型的传播延迟越长。长传播 延迟意味着必须降低码速或是采用适配均衡。并且传播延迟的具体量值及分布 将直接决定系统可使用的码率和适配的难度。 传统经验指出典型的延迟概率分布是指数分布和均匀分布 1 一 指数分布：d o ) - 二e x p ( 二) ( 2 1 2 ) 吃 均匀分布： d ( o - 忙意一 d o ) 是时延概率密度函数，并且限定f d 扣渺1 平均数眼扩展的定义为： ( 2 1 3 ) 乃一舞 协 多径时延扩展还是造成频率选择衰落的根本原因。假定有两个幅度相同的 多径分量，其中一路比另一路延迟了时间f ，则接收信号为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 ，o ) - 一s ( f ) + 加o f ) 进行傅立叶和变换，得到r ( t ) 的频谱： r ( f ) - 加( ，) + 加( ，弘一。- a s ( f ) l l + e 。7 “l 一加( ，净( ，) 信道传输函数日( ，) 可写成下列形式： ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) h ( f ) - l + e 。1 2 4m e i h f b | 萄妊| 山f o | 笱+ f3 _ f 臼| 萄