GSM-R无线通信系统在高速铁路中的应用分析毕业论文.doc

毕业论文题 目: GSM-R 无线通信系统在高速铁路中的应用 系 别: 信息科学与技术 摘 要高速铁路的蓬勃发展给GSM-R带来了新的机遇，但同时高速铁路的高可靠性要求对作为列控信息承载平台的GSM-R无线通信系统提出了严峻挑战。无线接入部分是GSM-R系统中的薄弱环节，因此无线部分的可靠性将决定整个系统的可靠性。同时，列车的高速运动会导致频繁的越区切换，严重影响列控通信业务的安全，需要对GSM-R系统进行合理的无线规划，以保证通信的持续性和可靠性。本文针对高速铁路的情况，分析对比了不同无线冗余覆盖方式的优劣。从满足列控需求的角度，对小区覆盖和基站间距进行了规划，并对列车速度与重叠区的关系进行了深入分析。针对在高速铁路中广泛应用的三种无线冗余覆盖方案进行了深入分析，就不同方式的系统可靠性、容灾性、频率利用效率、抗干扰能力和对越区切换的影响进行了对比，为工程设计中无线冗余方案的选择提供了理论依据。本次设计共分为四章，第一章是绪论，第二章介绍高速对GSM-R无线网络的要求和影响，第三章主要介绍高速环境下的无线冗余覆盖，第四章介绍高速环境下的小区规划。关键词：无线通信； 高速铁路； 冗余覆盖目 录摘 要II第1章 绪 论11.1 国外高速铁路的发展11.2 国内高速铁路的发展11.3 GSM-R在高速铁路中的应用2第2章 高速对GSM-R无线网络的要求和影响32.1 高速对GSM-R无线网络的影响32.1.1 对无线网络规划的影响32.1.2 对小区重选和越区切换的影响32.1.3 对误码率的影响42.1.4 对GSM-R网络同步性能的影响52.2 高速列控对GSM-R系统的要求5第3章 高速环境下的无线冗余覆盖73.1 无线子系统冗余覆盖方案73.2 不同冗余方案的频率分配73.2.1 规划原则73.2.2 同频复用距离83.2.3 不同方案的频率分配93.3不同冗余方案的对比103.3.1 无线子系统可靠性103.3.2 系统容灾能力123.3.3 频率复用度123.3.4 抗干扰能力133.3.5 对越区切换的影响133.3.6 工程造价13第4章 高速环境下的小区规划144.1 小区类型144.1.1 宏小区144.1.2 小区154.1.3 微小区154.2 路径损耗154.2.1 常用传播模型154.2.2 路径损耗建模164.2.3 路径损耗计算174.3 小区覆盖规划184.4 重叠区规划184.4.1 重叠区定义184.4.2 决定重叠区长度的因素194.4.3 依据载干比计算重叠区长度204.5 基站间距规划204.5.1 列控QoS指标对最小基站间距的限定204.5.2 不同环境下的基站间距21结 论22致 谢23参考文献24第1章 绪 论根据国际铁路联盟(UIC)的定义，凡是新建线路运营速度超过250km/h或者既有改造线路运营速度超过200km/h的均可称为高速铁路。1.1 国外高速铁路的发展国外高速铁路发展较早，主要以日本、法国和德国为代表，下面分别予以介绍。1964年，世界第一条高速铁路在日本东京至大贩建成通车，全长515.4公里，投入运营后，列车运行速度达210km/h。这条专门用于客运的电气化、标准轨距的双线铁路，代表了当时世界第一流的铁路高速技术水平，并标志着世界高速铁路试验阶段跨入了商业运营阶段。法国于1981年建成TGV巴黎东南线(巴黎至里昂，全长417公里)，其列车最高运行时速达270公里。法国东南线的成功运营，证明高速铁路也完全适合欧洲环境，高速列车是一种具有竞争力的现代交通工具。在2007年四月，TGV创造了当前轮轨列车所能达到的最高时速：574.8km/h。目前法国高速铁路总里程达到1700公里。德国高速铁路称为ICE(Inter City Express)，其发展晚于法国TGV，起始于80年代，但是发展很快。1991年6月汉诺威至维尔茨堡线(长327公里)正式通车，成为德国第一条正式运营的高速铁路。此后于1992年6月建成了曼海姆至斯图加特线(长105公里)。1999年，德国的第三代ICE线路的实际运营速度己经可以达到330km/h。目前，法国已有科隆至法兰克福，汉诺威至柏林和卡尔斯鲁厄至巴塞尔等多条高速线路，总里程达1290公里。1.2 国内高速铁路的发展与国外相比，我国高速铁路起步较晚，但是近年发展迅速。我国于2004年三月在上海引进了磁悬浮列车，其最高时速达430 km/h；2007年四月开始了常规高速铁路运营，2008年正式开通的京津城际时速可达350km/h，是目前世界上运营速度最快的城际高速铁路。2005年年初国务院常务会议讨论并原则通过了中长期铁路网规划，明确了我国铁路网中长期建设目标和任务，描绘了铁路网至2020年的宏伟蓝图，这标志着我国铁路新一轮大规模建设即将展开。根据规划，我国将修建全长达到12000公里的高速铁路网络，时速超过200km/h，成为世界上最大的高速铁路网络。1.3 GSM-R在高速铁路中的应用GSM-R是铁路行业的国际无线通信标准，同时也是ERTMS(欧洲铁路运输管理系统)的一部分，主要用于列车与地面控制中心的通信。根据EIRENE- MORANE规范，GSM-R可满足列车在最高500km/h时速下的列控无线通信需求。伴随着高速铁路在世界范围内的蓬勃发展，GSM-R也必然在高速铁路环境中获得广泛应用。GSM-R基于GSM，充分利用GSM技术的规模效应和成熟性，来实现经济高效且具有高度互操作性的数字移动通信系统，从而取代现有的各种互不兼容的轨道电缆和模拟通信系统。作为一个具有高度独立性和互操作性的通信平台，GSM-R可将控制命令直接传输给列车驾驶员，从而允许列车以更高的速度行驶并具有更高的安全性。GSM-R是一个可靠的语音和数据通信平台，可以为铁路运营工作人员，司机，调度员和维护人员等提供通信服务。此外，它还可以提供像VGCS，VBS，基于位置寻址的呼叫以及增强多优先级强拆等业务，可以充分满足铁路环境复杂多样的通信需求。由于GSM-R可实现跨国界的高速和一般列车之间的通信，能将现有的铁路通信应用融合到单一网络平台中，以减少集成和运行费用，而且GSM-R是由已标准化的设备改进而成，GSM平台上已经提供了大量的业务，因而引入铁路专用的功能时，只需最低限度地改动，就能保证价格低廉、性能可靠地实现和运行。现在已经有38个国家和地区选择采用GSM-R标准，已广泛用于德国、瑞士、瑞典、意大利、西班牙、英国、比利时、荷兰和芬兰等国以及亚洲和非洲等地区。可见，GSM-R受到了世界各国高速铁路行业的青睐。我国从2005年起高速铁路客运专线GSM-R网络建设进入实施阶段。作为奥运重点建设项目的京津城际铁路已于2008年开通，采用的是GSM-R系统。正在建设的武广、郑西和京沪等长达7000km的高速线路都已决定采用GSM-R系统，GSM-R在中国高速铁路有巨大的发展空间。第2章 高速对GSM-R无线网络的要求和影响高速对无线通信系统提出了更高的要求，如何确保高速环境下无线通信的可持续性和可靠性是移动运营商和移动设备商需要共同面对的难题。在高速铁路的环境下，由于列车的高速行驶和环境变化，使得高速下的无线通信面临着更大的挑战。2.1 高速对GSM-R无线网络的影响2.1.1 对无线网络规划的影响高速铁路网络规划主要涉及到小区切换带、切换关系、重叠区规划、容量估算、冗余设计、隧道覆盖和位置区规划等。总的来说，高铁无线规划最终要达到比公用GSM更好的覆盖和信号接收概率。对于越区切换的规划要尤其注意。为了减少在小区边界的切换次数，可以使用两根180度覆盖天线对一个小区进行覆盖，相比全向天线来说，这样将使得切换次数减少一半左右，并且能够扩大覆盖范围。由于列车的高速运动，对于切换带和重叠区的设计要尤其仔细，重叠区域的设置会对越区切换的影响很大。如果重叠区太小，可能会出现弱场，导致切换中接收不到信息而通信中断；如果重叠区太大，同频干扰增大，切换时间会很长，不易控制，因此要想解决好铁路沿线的切换问题，需要合理设计重叠区域的大小。同时无线基站的选址也要与地面应答器等信号设备以及无线闭塞中心等设备协调考虑，比如不能让切换发生在RBC交接处等，这就更增加了无线网络规划的难度。对于大型车站及普通车站，其频率规划及天线架设等也与轨道环境有很大的不同，也要合理设置，避免列车在车站环境产生信道拥塞或者频繁切换。综上可见，满足列控通信的高速线路无线网络规划与普速线路和公用网络有很大的不同，如何建设高可靠的无线网络将成为高速线路GSM-R网络建设中至关重要的一环。2.1.2 对小区重选和越区切换的影响移动通信系统需要一定的时间对无线信道资源进行测量、平均、判决、执行等，随着用户移动速度的加快，一项流程从发起到完成(如切换、呼叫等)，无线环境往往已经发生了很大的变化，这将给网络业务的正常进行带来一些新的问题。在空闲模式下，MS会连续监测BA(BCCH分配)列表中所有载频的电平情况，对电平进行平均处理的时间是：Max5，(5N+6)/7)XBS一PA一MFRMS/4。其中，N是BA表中载频的数量。按网络的通常设置，BA表中的载频就是邻区的BCCH频点，在GSM-R网络中由于邻小区较少，因此N的最大值取6。 BSPAMFRMS表示小区中的寻呼信道被分配成的寻呼子信道数，包含于信息单元“控制信道描述”中，在每个小区广播的系统消息中传送，取值范围为29，该值的大小取决于寻呼负载，本处取4(GSM-R网络中话务量较少)。可计算得出最大的平均处理时延为5s。专用模式下，MS每隔480ms向BTS上报一次6个最佳邻小区，至少每隔105解调1次小区列表中的BSIC(基站识别码)，如果是新出现在小区列表中的小区，则需在55内解调BSIC。对于无法解调BSIC的小区，其信号强度是不会上报的，这样就会出现一种情况：当服务小区信号强度快速衰落时，邻小区虽然信号强度很好，但是由于无法及时解调出BSIC，造成无法切换而导致通信中断。从切换请求发起到切换完成释放源小区资源，跨MSC切换一般需要5s，BSC内小区间切换时间为3s。因此从测量、判决到完成切换，这段时间的典型值是BSC内小区间切换为7s，对于跨MSC的切换，这个时间将达到9s。假设列车运行速度为350km/h，那么一个小区从进入邻区列表、解调BSIC、测量、触发切换，到切换完成，至少需要5+4+3=12s(对于BSC内切换)，火车对应移动的距离是1166m，在这段距离内，服务小区必须保证信号不发生快速衰落导致通信中断，则电平值需不低于-95dBm，才能保证呼叫的正常进行。2.1.3 对误码率的影响 由于高速移动所带来的多普勒频移以及信道快速变化等因素的影响，高速环境下的误码率高于普通速度下的误码率。表2-1是来自Morane项目在法国铁路线上在不同列车速度下测试得到的误码率结果。表2-1 不同速度下误码率从表2-1可见，对于表中三种传输方式，列车速度均对误码率产生了显著影响。2.1.4 对GSM-R网络同步性能的影响高速运动情况下保持基站和移动台之间的同步问题，主要体现在GSM时间提前量(TA)这个参数的解码能力上。在呼叫进行期间，移动台发送给基站的测量报告报头上携带着移动台测量的时延值，而基站必须监视呼叫到达时的时间，并在下行SACCH的系统消息上以每两秒一次的频率向移动台发出指令，随着移动台离开基站的距离的变化，逐步指示移动台应该提前的发送的时间。可见移动台测量的时延值发送的频率为每480ms一次，而基站每两秒向移动台发一次指令，也就是说GSM-R系统1人的最快的调整为每2s调整一个码元，可以推导出其可支持的最大速率为：3.7*10-6*3*108*3600/(2*2)=999km/h。故在目前TA机制完全能够支持到500km/h。2.2 高速列控对GSM-R系统的要求为了确保高速环境下的列控的需求，国内外的相关机构都制定了严格的标准，GSM-R只有达到这些标准，才能确保列控通信的可靠性。ERTMS规定了GSM-R要达到以下指标：GSM-R要能够支持列车最高时速500 km/h，平均运营速度350 km/h的下的列控通信，误码率要小于10-4，在传输列控数据时最小接收电平要高于-85dBm。为了保证高速列车安全运行，实现列车自动控制，要求列车与地面之间进行双向、大量信息传输，这些信息包括：列车状态、列车速度、列车位置、列控信息、线路数据信息、桥隧信息和环境信息等。下表就是应用于CTCS3级列控GSM- R无线子系统所需具备的无线覆盖及Qos指标。无线场强覆盖以最小可用接收电平表示，并应符合下表的规定：表2-2 最小可用接收电平为了保证无线场强覆盖设计不会越过相邻基站或直放站，无线覆盖还应满足以下规定：1)同频道干扰保护比：不小于12dB；2)邻频道干扰保护比：不小于-6dB。第3章 高速环境下的无线冗余覆盖3.1 无线子系统冗余覆盖方案 高速铁路的GSM-R无线系统需要为列控系统提供电路数据业务，必须高度重视系统的可靠性，而无线部分是系统可靠性的关键所在，因此，必须引入冗余以提高整个系统的可用度。对于无线网络设计，从防止设备单点故障的角度出发，需要考虑以下情况：l)对于有源通信设备，如果设备瘫痪，会使GSM-R系统部分或全部服务中断，应考虑故障后的备用手段，而且能够在极短时间内恢复业务。沿线有大量同类设备、维护不方便的设备，如基站、直放站、传输、电源设备等，应设计为自动恢复到备用工作方式；对于设备数量少、投资较大、但设置地点维护方便的设备，如BSC或者TRAU、MSC等，可采用具有较高MTBF(Mean Time Between Failures，即平均故障间隔时间)和较低MTTR(MeanTime To Repair，即平均恢复时间)的设备，有故障时可以做到自动切换到备用工作方式。2)对于无源器件，比如漏缆，架设双条投资很高，考虑到客运专线E常运营时不允许人员进入，因此只要管理维护得当，平时很少遭受人为破坏。设计中要完善对漏缆的监测，一旦性能劣化应自动告警，并及时维修。3)对于基础设施，比如机房、铁塔，一旦倒塌、或遭受人为或者自然灾害而泞致站点的不可用，将直接导致GSM-R系统的服务中断。因此，在站址选取时应避免洪涝区和容易发生山体滑坡的区域，攀础设施的设计要保留一定余量，防雷接地及EMC系统设计完善，并加强对基础设施的监测和维护。GSM-R无线子系统是整个系统中的薄弱环节，因此，针对以上情况，日前有以下三种兀余覆盖方式：单层交织冗余覆盖，双层基站共址和双层基站交织覆盖。3.2 不同冗余方案的频率分配频率规划是GSM-R网络规划的重要环节，良好的频率规划是网络质量的基础。不同冗余方式有着不同的频率规划方案，因此导致了不同的频率利用效率、抗干扰能力、系统容量和扩容能力。本节将就上述三种冗余覆盖方式的频率规划方案的相关问题进行研究。3.2.1 规划原则1. 工作频段GSM-R采用900MHz工作频段，885MHz889MHz(上行)、930MHz 934MHz(下行)，共4MHz频率带宽，双工收发频率间隔45MHz，相邻频道间隔为200kHz。按等间隔频道配置的方法，共有21个载频。频道序号从9991019，扣除底端999和高端1019做为隔离保护，实际可用频道19个，频道序号为10001018。频道序一号和频道标称中心频率的关系为：fL(n)=890.000MHz+(n-1024)*0.200MHz(上行) (3-1)fH(n)= fL(n)+45MHz(下行) (3-2)n=999 10192频率分配原则频道分配应考虑同频道干扰、邻频道干扰和互调干扰等因素，并使载干比满足以下要求：同频道载干比：控制信道及列控业务信道C/I12dB，其他业务信道所在频率的C/I9dB；邻频道载干比：C/I-6B；偏离载波400kHz时的干扰保护比：C/ I一38dB。3频率规划基本原则良好的网络结构是一个良好频率计划的基础。在进行一定区域内的频率规划时，一般采用地理分片的方式进行，但需要在分片交界处预留一定频点(频率足够使用时)或进行频点划分。交界处的选择尽量避开热点地区或组网复杂区。不管采用何种方式进行频率规划，一般需要遵循以下原则：同基站内不允许存在同频频点；同一小区内BCCH和TCH的频率间隔最好在400kHZ以上；没有采用跳频时，同一小区的TCH间的频率间隔最好在40kHz以上；非13复用方式下，直接邻近的基站避免同频(即使其天线主瓣方向不同，旁瓣及背瓣的影响也会因天线及坏境的原因而难以预测)；考虑到天线挂高和传播环境的复杂性，距离较近的基站应尽量避免同频相对。3.2.2 同频复用距离蜂窝系统容量受无线带宽的限制，频率必须进行复用刁能满足一定区域内的容量需求。在同等区域内，频率复用距离越宽松，同邻频干扰越小，但容量也小；频率复用越紧密，虽然容量得到一定的提升，但随之带来了同邻频干扰的上升。控制复用频点的相互干扰是频率规划中的关键。频率复用距离可根据GSM-R系统的载干比要求进行分析计算。假设C是信号有用功率，I是干扰信号的功率，在一个系统中，同频干扰可能有多个，先假设共有K个干扰源，每个干扰用IK表示，K的取值从lK，那么同频信号的载干比就可以表示为： (3-3)按照无线信号传播理论，信号在空间按照接收位置到发射位置的幂指数下降，假设天线的辐射功率为PT，在距离发射天线位置d处接收到平均信号功率Pd可以由下面公式表示Pd=PTA/dn (3-4)A为一个常数；n为传播指数，取值范围在24之间，随着环境不同取值不同。服务基站的干扰l都是其余同频基站信号的总和，在PT取值都一定的情况下，式(3)中干扰信号强度Ik都可用式(5)表示： (3-5)而服务基站服务范围有用信号应该以服务小区半径边缘来表示，即C可以表示为：C= PTA/dn (3-6)根据以上分析C/工可以用距离参数进行归一化表示： (3-7)根据GSM-R小区线状覆盖的不同方案可根据式（7）导出不同的计算公式。3.2.3 不同方案的频率分配1单层交织覆盖单层交织冗余覆盖网络所需的小区数在原有的单层网络上增加了一倍，使原先使用2x2频率复用模式的变为4x2的复用模式，因此对GSM一R的19个频点可做如表1所示的分组，共分8组，由于实际应用中可能有一些特殊站型和特殊环境的应用，预留三个频点1001、1010、和1017号频点作为整个网络调整使用。表3-1 单层交织覆盖频率分组频率分配的秩序可以按1、3、5、7、2、4、6、8的秩序进行，其每小区的最大配置为2载频，可保证同一小区和邻小区的频点不相邻，如重叠覆盖小区实行负荷分担，则等效每小区的最大容量为4载频。2同站址双层网络同站址无线双层网络的频率分配可在表3频率分组的基础上，对频率分组进行重新组合，见表3-2所示.表3-2同站址双层覆盖频率分组同站址两个基站的频率配置(网络A，网络B)可按秩序(l，3)、(5，7)、(2，4)、(6，8)进行，其等效的最大小区配置仍为四载频。3交织双层覆盖交织双侧网络的频率规划既可按单网交织冗余覆盖网络方式进行，也可按同站址无线双层网络的方式进行，其等效的最大小区配置也是四载频。3.3不同冗余方案的对比上述三种无线冗余覆盖方案，都在某种程度上提高了系统的可靠性，但它们在可靠性程度、频率规划与扩容能力、抗干扰能力、小区切换和工程造价等方面还存在不同，一卜面就针对这几个方面对这三种冗余方式进行比较。3.3.1 无线子系统可靠性l系统可靠性基本准则对于串联结构，无线系统的可用度是各单元可用度的乘积：Asys=Ai (3-8)其中Asys为串联结构系统的可用度，Ai为各个单元的可用度对于并联结构，系统的可用度通过不可用度间接计算，不可用度为：Usys=Ui (3-9)则并联系统的可用度为：Asys=1-Ui (3-10)2单层交织可靠性模型单层交织可靠性模型如图3-1所示。Asys=1-(1-ABTS1*ABTS3)*( 1-ABTS2)*ABSC (3-11)假设所有BTS的可用度都是相同的，则上式可简化为：Asys=(ABTS+A2BTS- A3BTS)* ABSC (3-12)图3-1 单层交织覆盖可靠性模型3双层交织可靠性模型双层交织可靠性模型如图3-2所示。图3-2 双层交织覆盖可靠性模型上述结构的可用度为：Asys=1-(1-ABTS1*ABTS3*ABSC1)*( 1-ABTS2*ABSC2) (3-13)假设所有BTS的可用度都是相同的，所有BSC的可用度是相同的，则上式可简化为：Asys=ABSC*ABTS*(1+ABTS-A2BTS*ABSC) (3-14)4同站址双层可靠性模型双层同站址可靠性模型如图3-3所示图3-3 双层共站址覆盖可靠性模型上述结构的可用度为：Asys=1-(1-ABTS1*ABSC1)*( 1-ABTS2*ABSC2) (3-15)假设所有BTS的可用度都是相同的，所有BSC的可用度是相同的，则上式可简化为： Asys=2*ABSC* ABTS -A2BTS*A2BSC (3-16)单层交织网络的不可用度是相对较高的，其不可用度接近1小时/4年，而其它两种方式从理论上来说是几乎不会失效的，共站址双层覆盖方式的设备可靠性是最高的。3.3.2 系统容灾能力一旦某一站点发生重大灾难性事故(如塌方、泥石流、爆炸等)，采用同站址双层覆盖方式可能导致该点的两套无线设备都不能正常工作，从而使网络覆盖发生中断，业务在此区段无法实现；而如果采用交织单网和交织双网覆盖方式，单点故障不会导致无线覆盖中断，业务可以正常使用。因此，在系统容灾性方面，交织双网和交织单网均强于同站址双层网络。3.3.3 频率复用度频率利用效率可以用频率复用度来表征，它反映了频率复用的紧密程度。频率复用度：fresue=NARFCN/NIRX其中NARFCN为总的可用频点数，NIRX为小区配置的TRX。对于nm频率复用方式：n表示复用簇中有n个基站，m表示每个基站有m个小区。那么它的频率复用度为：fresue=nm显然，频率复用度越低，其频率复用越紧密，频率的利用率越高，但随着频率复用紧密程度的减小，无线网络的干扰也增大，需要DTX，功率控制等技术来支持；频率复用度越大，其频率利用率越小，但容易获得较高的网络话音质量。3.3.4 抗干扰能力对于同站址双层覆盖，通过链路计算，设计两个基站的间距为5km，则第一个基站在其中心区域的信号电平为-89dBm，在距离第一个基站2.95km(2.5+0.9/2)处信号电平为-92dBm，该点为移动台切换到第二个基站结束位置，是移动台正常工作在第一个基站的最低电平位置，列车行驶经过该位置时，信号已经切换到第二个基站，第二个基站信号在此位置强度为-86dBm。根据铁道部与中国移动的初步协商意见，中国移动基站信号在距离铁轨2km位置处信号电平应低于-95dBm，信号强度按照34倍的指数衰减，铁路2km处信号强度将衰减912dB，那么在正常工作最低电平位置GSM-R与中国移动基站的载干比C/I=-92(959)=12，满足C/I=12的系统要求，因此，信号电平在该覆盖一下可以满足系统安全运行的质量要求。3.3.5 对越区切换的影响交织冗余方案时主要以相邻基站覆盖冗余为主，需要对网络规划做较为充足的网络覆盖余量，在网络运行时需要调整避免网络出现切换频繁，重选过多等问题。按照列车时速350km/h计算，同站址方案站间距5km，则每51s会发生一次切换(不考虑切换失败的情况)，数据通道的中断时间为300ms，对通道效率的影响小于0.6%。交织方案站间距3.2km，则每33s会发生一次切换(不考虑切换失败的情况)，对通道效率的影响小于0.9%。为了确保无线信道尽可能高的可靠性，无线网络规划应尽量避免频繁切换。假设线路总长1000km，对于同站址覆盖，则越区切换大约200次，而交织覆盖则大约为312次，可见，后者比前者切换次数增加了56%。切换次数的增加增大了通信中断的概率，也就增加了通信中断的可能性。3.3.6 工程造价同站址双层覆盖比单层交织覆盖主要增加了基站设备和基站控制器，而电源、机房、铁塔等设施基本可以共用，因此在投资方面比较经济。单网交织冗余覆盖方案由于网络采用冗余覆盖，与同站址双层覆盖方案相比，基站站点数量增多约60%，而基站数量减少20%，相应地，电源、机房、铁塔建设、传输设备及通信线路建设等配套内容也一并增加27l。经测算，单网交织冗余覆盖方案比同站址双层覆盖方案投资约增加30%。交织双网较交织单网增加了基站控制器、移动交换机等控制设备，投资较单网交织更大一些。可见，在工程造价方面，交织双网最大，交织单网次之，同站址双网最小。第4章 高速环境下的小区规划高速铁路环境下的GSM-R系统需要在时速200350km/h下运行，要为列控系统提供双向信息传输通道，并提供无线列调、车次号及调度命令信息传送、区间公务移动通信等业务。参照欧洲 EIRENE SRSv.15系统需求规范，GSM-R网络的最小接收电平建议为-92dBm(95%覆盖率，机车天线顶部接收)。列控系统对GSM-R网络提出了很高的QoS需求，需满足ERTMS /ETCS Subset-093的指标。沿铁路线实现场强无缝连续覆盖并达到系统QoS要求是无线网络规划的一项重要任务。铁路沿线的场强覆盖规划，一般可根据场强覆盖预测模型进行电波的传播预测。在实现无线信号无缝覆盖的基础上，还应该根据线路最高设计时速对切换重叠区进行很好地规划，保证足够的重叠区长度，以满足快速越区切换的需要(信号-92dBm)。重叠区域的设置对越区切换的影响很大。若重叠区太小，可能会出现弱场，导致切换中接收不到信令而通信中断；若重叠区太大，会导致严重的同频干扰，对列控通信质量造成不利影响。因此要想解决好铁路沿线的切换问题，需要合理设计重叠区域的大小。关于重叠区的规划将在本章进行重点研究。此外，由于GSM-R系统的越区切换为硬切换，每次切换将导致EVC-RBC(车载安全计算机-无线闭塞中心)间的列控CSD(电路域数据)业务中断300500ms，为了更好地满足列控对GSM-R系统无错误传输周期的要求，2次连续越区切换间隔大于205，因此可以根据该指标计算出基站间最小站距，作为高速环境下基站间距设计的理论下限，并据此推断出何种环境下不宜开行高速列车。4.1 小区类型在GSM-R网络中，根据小区的覆盖半径可以将小区分为三类：宏小区、小区和微小区。4.1.1 宏小区在宏小区中，基站的天线安装位置一般要超过周围房顶的最高高度。路径损耗主要取决于移动台周围房顶的衍射和散射，主要射线是在房顶上传播的。宏小区的半径最小1km，一般均超过3km。对于宏小区可以采用Hata宏蜂窝传播模型(150-l000MHz)来计算路径损耗。宏小区覆盖适用于城市、郊区和乡村地区的铁路环境。4.1.2 小区对于小区覆盖，天线安装位置高于周围建筑的平均高度，但低于周围房顶的最高高度，其传播机理与宏小区相同。小区和宏小区的主要差别是传播范围，典型小区的最大半径小于3km，通常收发天线之间分为两种情况：视距情况和非视距情况。在小区半径小于1km的场合，不能使用Hata模型。小区的覆盖适用于铁路线路铺设在城市地区和郊区的环境。4.1.3 微小区微小区的基站天线高度通常低于周围建筑的平均高度，波的传播决定于建筑物周围的衍射和散射。微小区可以采用 COST231传播模型来计算路径损耗，半径在100300m范围内，基站与移动台间的距离d0.02km。微小区的覆盖适用于人口密度高话务量较大的城市地区。根据上面的三种分类的特性，再结合高速铁路的实际环境，可以认为高速环境下的小区覆盖类型主要为宏小区，而其它两种覆盖主要适用于在车站或者编组站等环境。所以本文后面都默认采用宏小区覆盖。4.2 路径损耗4.2.1 常用传播模型传播模型是非常重要的，它是移动通信网中小区规划的基础。一个优秀的移动无线传播环境模型要能够根据不同的地形、地貌或者是不同的环境做出适当的调整。这些环境因素涉及了传播模型中的很多变量，它们都起着重要的作用。多数模型是预测无线电波传播路径上的损耗的。所以传播环境对无线传播模型的建立起关键作用，确定某一特定地区的传播环境的主要因素有：自然地形(高山、丘陵、平原、水域等)；人工建筑的数量、高度、分布和材料特性；该地区的植被特征；天气状况；自然和人为的电磁噪声干扰；此外，无线传播模型还受系统工作频率和移动台运动状况的影响。在相同地区，工作频率不同，接收信号衰落状况各异。静止的移动台与高速运动的移动台的传播环境也大不相同。目前，针对宏小区环境移动无线电波的传播特性有多种传播预测模型，在900MHz时常用的有：Okumura模型、Hata模型、 Cost231-Walfisch-Ikegami模型等。1Hata模型Hata模型是广泛使用的一种中值路径损耗预测的传播模型，适用于宏蜂窝(小区半径大于Ikm)的路径损耗预测。该模型是根据测试数据统计分析得出的经验公式，是一个公式化的模型，其路径损耗计算公式中的参数容易获得，模型应用简单，Hata模型针对大城市、中小城市、郊区、乡村准开放、乡村开放等环境制定了相应的修正因子，扩大了其使用范围，预测结果较为精确，便于计算机处理，因此Hata模型非常具有实用价值。2Okumura模型该模型是预测城区信号时使用最广泛的模型，最初是基于东京环境得出的，对具有高密度楼房的大城市环境预测比较精确，但是对城区和郊区快速变化反应较慢，预测和测试的路径损耗偏差为10dB-4OdB。模型完全基于测试数据，不提供任何分析解释，需要查询曲线图，不便于计算机处理。3Cost231-Walfisch-Ikegami模型该模型是适用于密集城区组网的微蜂窝模型，广泛应用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境。模型考虑了较多的影响因素，如建筑物高度、道路宽度、建筑物的间隔、道路方位等，对大城市环境预测相对精确。但选值较为复杂，不易确定。该模型的适用距离限于5km以内，对大于5km的环境不适用。Hata模型从频段、适用距离、天线高度和应用环境四个方面都符合高速铁路环境下GSM-R无线规划的需求，而且在GSM和GSM-R网络中都有成熟广泛的应用，故本文将选用Hata模型对GSM-R铁路环境进行建模和计算路径损耗。4.2.2 路径损耗建模根据以上分析，可以采用Hata模型为我国采用GSM-R系统的铁路建模，该模型以市区传播损耗为标准，其他地区在此基础上进行修正，该模型的具体适用条件如下：适用小区类型：宏小区；工作频率：1501500MHz；适用距离：1km20km；基站天线高度Hb：30m200m；移动台天线高度Hm：1m10m；Hata模型以市区路径传播损耗为基准，在此基础上对其他地区进行修正，市区传播路径损耗基准公式为：L(dB)=69.55+26.16lg(f)-13.82lg(Hb)+44.9-6.55log(Hb)lg(d)-a(Hm) (4-1)对于大城市，移动天线修正因子为：a(Hm)=3.2*(lg(11.75*Hm)2-4.97 (4-2)对于中小城市，移动天线修正因子为：a(Hm)=(1.1*lg(f)-0.7)*Hm-(1.56*lg(f)-0.8) (4-3)对于其他几种环境，其路径损耗修正模型入表4-1所示：表4-1 路径损耗修正模型4.2.3 路径损耗计算当前在铁路线上众多的专用GSM-R移动终端可以分为以下四种基本类型，具体见表4-2。表4-2 移动终端分类从满足高速环境下列控和列调应用角度出发，本文根据如下条件进行路径损耗的计算：工作频率f：932MHz，(GSM-R下行链路工作频段930-934MHZ)；基站高度Hb： 35米、45米、50米；移动台高度Hm：4.5m(机车台)。根据上述条件和路径损耗模型可得到各种环境下的路径损耗公式，见表4-3。表4-3 不同环境下的路径损耗4.3 小区覆盖规划小区覆盖半径的规划应以移动台的最小接入电平为边界，各种环境下纂站的最大覆盖半径可以根据表4.4中的路径损耗模型计算出来。高速线路下的典型环境主要有大城市、中小城市、郊区、乡村准开放、乡村开放地区五种，按照移动终端的应用类型有列控和非列控之分，此外，还要考虑不同类型移动终端的发射功率以及基站天线高度。可见，不同条件下得出的小区覆盖半径也是不同的。下面将从满足需求最严格的高速列控通信覆盖指标出发，对于满足机车台正常通信的小区覆盖范围进行研究。机车台的接收电平(中值)计算公式为：Pr(dBm)=Pt+Gb+Gm-L (4-4)其中：基站发射天线增益Gb：10dB(含馈线、接头损耗)；移动台的接收天线增益Gm：0dB(含馈线、接头损耗)；基站的发射功率Pt：43dBm(20w)；机车台的高度：4.5m；机车台灵敏度：-104dBm；那么，机车台接收电平(中值)为：Pr(dBm)=Pt+Gb+Gm-L=43+10-0-L=53-L(dBm) (4-5)4.4 重叠区规划4.4.1 重叠区定义在进行无线网络规划时，需要调整两相邻小区的覆盖范围，至少要保证邻小区间没有未覆盖区域，在此基础上还应考虑两相邻小区间存在一定重叠区，以确保越区切换成功执行，保证通信连接的持续性和可靠性。因此，一般在设计时应考虑两个相邻区域的连接处要有一定纵深的重叠区来减少可能出现的弱场区及不可通概率。但是覆盖区过深又会招致越区干扰，所以必须合理设计。在小区内，距基站较近的区域，覆盖场强值较高，随着离基站距离的增加，路径损耗增加，覆盖场强值下降，当基站的覆盖场强下降到移动终端的最小接收电平时，该处即为小区边界，如图4.2所示，当前小区的边界即为D点，邻小区的边界即为A点。此时，移动终端距基站的距离就是小区半径。由于移动台经常处于运动状态，电波在基站与移动台之间随路径的不同亦随时随地发生变化，因此很难找到相邻覆盖区间的严格分界线。通常说的覆盖区是从覆盖场强平均变化意义上来理解的，本文中定义的重叠区是指相邻两个基站重叠覆盖的区域，也就是两个小区边界之间重叠覆盖区域为重叠区。如图所示，重叠区为A、D之间的趾离L。图4-1 重叠区示意图4.4.2 决定重叠区长度的因素1切换距离切换距离即为从触发切换开始到切换完成之间列车所行进的距离，切换距离主要取决于列车速度。 HOMargin为一可变参数，在实际工程设置中经常为6dB，路径损耗指数n在城市环境为3.377，在郊区环境下为3.325，在乡村环境下为3.181，小区半径需满足机车台传输列控业务需求。Hb代表基站天线高度，r为小区半径：中小城市环境，Hb=50m，r=2.26km；郊区环境，Hb=50m，r=3.61km；乡村准开放放境，Hb=50m，r=9.13km；乡村开放环境，Hb=50m，r=12.84km切换距离与重叠区长度呈简单的线性关系，切换带越长，则重叠区越长，并且在相同切换带长度时，重叠区长度依中小城市到乡村开放环境次序增长。各种环境下的线性关系近似一致，不同环境下的损耗指数影响很小，可以忽略不计，所以重叠区的长度主要取决于不同环境下的小区覆盖半径。2切换容限切换容限是一个重要的参数，对于切换发生地点和时机有着重要影响，当其值大于零，表明需要邻小区电平值大于服务小区才可以切换；当其值小于零，则可以让移动台提前切换，如在隧道等环境。因此，切换容限在实际网络中有着不同设置。重叠区长度随着切换容限的增大呈指数形式增长；切换容限的改变对于乡村环境的影响要大于其它两种环境，体现为改变速度更快；同样情况下，满足非列控业务需求时的重叠区长度要大于满足列控时的长度3列车速度 当小区半径一定时列车速度和切换时间就主要决定了重叠区长度。切换时间主要取决于网络的响应时间和切换算法，在工程设计中仅在一个较小的范围内浮动，而列车最大速度根据线路不同，从200km/h到500km/h不等，是一个变化较大的参数。在实际环境中，基站天线的高度肯定不同，一般情况下在城市环境下天线高度较低，在乡村环境下天线较高，因此本文比较有代表性的35m，45m，和50m三种高度，此外还以满足非列控业务需求得出的结果作为参照。这些条件的组合就对应了不同的小区半径。4切换时间在350km/h的时速下，切换时间与重叠区长度呈线性关系，切换时间每增大一秒，重叠区长度大约增长150m左右；随着切换时间的增大，重叠比例也逐渐增大。切换时间没有列车速度对重叠区长度的影响大。4.4.3 依据载干比计算重叠区长度对于所有环境，重叠区长度都随着载干比的增大而减小，且乡村环境的减小的速度更快；对于特定的环境，载干比要求不能太高，否则重叠区太小无法保证高速情况下正常完成切换过程。对于三小区复用，可以满足高速运行的需求，且重叠区长度主要取决于小区半径，载干比和损耗因子。对于五小区复用，重叠区长度己经超过了小区半径长度，容易造成严重的干扰，所以该频率复用方式无法满足列车高速运行的需求。4.5 基站间距规划4.5.1 列控QoS指标对最小基站间距的限定为了确保列控信息的可靠传输，ETCS对GSM-R无线传输的抗干扰性能提出了如下要求：Trasmission interference period 即：TTI0.8s(95%)，20s(95%)，7s(99%)对于GSM-R无线系统，在正常情况下，若站点间距为L，列控应用时机车台最小接收电平75dBm，此时在站点间列控信息可满足无差错传输。但是当发生越区切换时，导致无线闭塞中心和车载安全计算机(RBC-EVC)之间列控信息传输出现300ms左右的传输中断，从而导致RBC和EVC之间正在传输的列控消息的破坏或者丢失。因此， Error-free period：Trec=L/V。为保证Trec性能指标(20s(95%)，7s(99%)，根据不同线路的最高时速，GSM-R系统最小基站间距L=Trec*V。4.5.2 不同环境下的基站间距根据前面得到的小区半径以及重叠区长度就可以算出基站间的距离，假设小区A的半径为rA，小区B的半径为rB，重叠区长度为a，则基站间的距离L为：L=r*A+r*B-a (4-6)进一步假设两个小区处于同种环境，则上式可以简化为：L=2*r-a (4-7)从而计算出各种环境下的基站间距。结 论本文从高速环境下的高可靠性要求出发，对当前几种无线冗余覆盖方式的可靠性等进行了对比，并根据ERTMS和CTCS3提出的满足列控通信的电平覆盖指标进行了高速环境下的小区覆盖规划设计，并研究了列车速度与重叠区长度的关系，为实际的工程设计提供了一定参考。由于时速在200km及以上的高速线路较普速铁路在列车控制、调度通信等业务应用方面对GSM-R无线通信系统的场强覆盖、网络服务质量和系统可靠性的要求更高，所以，高速线路GSM-R无线系统的设计要充分考虑这些因素，合理规划设计。致 谢 当今社会，在市场经济体制和新技术飞速发展的条件下，对于通信工程专业的学生来说，只掌握一门特定的技能已经远远不够。必须全面强调我们的基础知识、基本能力和基本素质，而且专业面要宽，以适应技术进步与市场的不断变化。只有全方位的拓展自己的知识面，在实践中与理论相结合，才能为社会贡献自己的一份力量。三年的函授学习转眼流逝，对于今天的我来说，在成长中给予我帮助的每一个人都功不可没。西南交通大学，这里严谨的学风、优美的校园环境使我过的很充实和愉快。在校的这三年时间里很感谢老师对我的淳淳教诲，也很感谢学校给我的机会，让我在学习之外，积累了更多的经验，给我的校园生活增添了更多色彩。在本次论文设计过程中，杨武东老师对该论文从选题，构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导,使我得以最终完成毕业论文设计。在学习中,老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，导师们的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永远激励着我。这三年中还得到众多老师的关心支持和帮助。在此，谨向西南交通大学成教