姜志威

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 研究背景和必要性分析

隨著中國鐵路建設的快速發(fā)展，鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)(GSM-R)的應用逐漸增多[1]，相應的審批和管理要求也在不斷加強。2016年5月，北京鐵路通信技術中心發(fā)布“關于GSM-R網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)上線試運行以及加強GSM-R網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理工作的通知”，要求各路局提報的工程GSM-R網(wǎng)絡數(shù)據(jù)申請材料中，應包含工程沿線基站位置圖及無線網(wǎng)絡場強分布示意圖。因此，研究利用公網(wǎng)無線規(guī)劃軟件Atoll實現(xiàn)GSM-R無線場強覆蓋仿真的方法，對于鐵路無線通信設計具有迫切的需求和重要的意義。

Atoll軟件由法國FORSK公司開發(fā)，是一款全面的、基于Windows的、支持2G/3G/4G多種技術并兼容5G的無線網(wǎng)絡規(guī)劃軟件，能夠在整個網(wǎng)絡生命周期中支持移動運營商的無線網(wǎng)絡規(guī)劃任務。該軟件提供的功能包括業(yè)務規(guī)劃、話務分析與規(guī)劃、鄰小區(qū)規(guī)劃、自動頻率規(guī)劃等等[2]。然而，雖然Atoll軟件具有強大的功能和兼容性，但是并沒有提供對鐵路行業(yè)GSM-R系統(tǒng)的直接支持。

GSM-R系統(tǒng)是在GSM技術基礎之上，增加了鐵路調度通信功能和適合高速移動環(huán)境下使用的通信系統(tǒng)[3]。GSM-R系統(tǒng)包括移動交換子系統(tǒng)(SSS)、移動智能網(wǎng)(IN)子系統(tǒng)、通用分組無線業(yè)務(GPRS)子系統(tǒng)、無線子系統(tǒng)(BSS)、無線終端、運營與支撐子系統(tǒng)(OSS)等部分。

與公共無線通信網(wǎng)絡所采用的GSM網(wǎng)絡相比，GSM-R網(wǎng)絡的主要區(qū)別體現(xiàn)在頻率資源和覆蓋方式兩方面。第一，GSM-R僅有4MHz頻率帶寬、遠少于公網(wǎng)，頻率規(guī)劃時要避免同頻及鄰頻干擾。第二，GSM-R網(wǎng)絡采用沿鐵路線路的線狀網(wǎng)絡結構覆蓋，而公網(wǎng)則采用面狀網(wǎng)絡結構覆蓋。此外，因為GSM-R涉及列車安全和運行效率，所以鐵路無線通信設計中還將采用一些能夠提高網(wǎng)絡可靠性和可維護性的措施，如單網(wǎng)交織、同站址雙網(wǎng)等覆蓋方式。

2 基于Atoll的鐵路專網(wǎng)無線場強覆蓋仿真

將Atoll用于公網(wǎng)無線場強覆蓋仿真時，主要包括導入三維電子地圖、設置基站仿真參數(shù)、選定無線傳播模型、計算路徑損耗矩陣、生成場強信號覆蓋圖等步驟。而在鐵路GSM-R系統(tǒng)的仿真任務中，還應當增加配置GSM-R網(wǎng)絡參數(shù)和特殊地段仿真處理兩個步驟，整個流程如圖1所示。本節(jié)將以國內某條客運專線(以下簡稱樣例鐵路)的無線通信系統(tǒng)設計方案為例，介紹基于Atoll軟件的GSM-R無線場強覆蓋仿真方法。

圖1 基于Atoll的無線信號場強覆蓋仿真方法流程

2.1 三維電子地圖的模型信息導入

導入三維電子地圖前，需要在軟件中設定相應的數(shù)據(jù)投影系統(tǒng)參數(shù)[4]，例如，樣例鐵路的電子地圖采用UTM WGS 84投影系統(tǒng)，數(shù)據(jù)帶號為49N。然后，依次導入數(shù)字高程模型(Heights數(shù)據(jù)，以柵格形式描述地面高度變化，用于無線傳播模型的計算)、地面覆蓋模型(Clutter數(shù)據(jù)，以柵格形式描述地面覆蓋類型，用于無線傳播路徑損耗的計算)、線狀地物模型(Vector數(shù)據(jù)，以矢量數(shù)據(jù)形式描述線狀地物的平面分布與空間關系)、重點狀地物標注模型(Text數(shù)據(jù)，以矢量數(shù)據(jù)形式記錄主要線狀、面狀及點狀地物的名稱)等三維電子地圖信息。

2.2 GSM-R系統(tǒng)的網(wǎng)絡參數(shù)配置

Atoll軟件中沒有預置GSM-R系統(tǒng)的網(wǎng)絡參數(shù)，需要手工配置后才能用于鐵路無線系統(tǒng)的仿真計算。通過計算無線信道的鏈路預算可知，GSM-R系統(tǒng)在實際應用中是下行鏈路受限。因此，在使用Atoll軟件進行無線場強覆蓋仿真時，可以僅計算信道的下行方向鏈路。

GSM-R系統(tǒng)的下行工作頻段為930～934 MHz，頻道間隔為200 Hz。頻道配置采用等間隔配置方法，頻道序號為999～1 019(999和1 019這兩個頻道作為隔離保護使用)，同頻復用因子一般設為6[5]，設置界面如圖2所示。同時，頻率分組(Domains、Groups)和小區(qū)類型(Cell Type)也要針對GSM-R進行同步配置，用于后續(xù)設置基站發(fā)射機參數(shù)時使用。

圖2 Atoll軟件中的GSM-R下行頻段網(wǎng)絡參數(shù)設置界面

此外，Atoll軟件中也提供一些其他網(wǎng)絡參數(shù)的設置項，例如，基站識別碼(BSIC)、小區(qū)分層結構(HCS)、時隙分配(Timeslot)等等。因為這些參數(shù)僅在話務分析、鄰小區(qū)分配、自動頻率規(guī)劃等功能中才會被使用，所以此處不再贅述。

2.3 無線基站的仿真參數(shù)設置

Atoll軟件不僅提供將既有無線基站數(shù)據(jù)導入分析的功能，也提供從基站布放開始的網(wǎng)絡規(guī)劃功能。無線場強覆蓋仿真計算屬于前者，所需的既有數(shù)據(jù)主要指Sites(包括基站名稱和位置)和Transmitters(包括小區(qū)類型、發(fā)射機參數(shù)和天線參數(shù)等)信息。

Sites信息中，考慮到基站位置通常根據(jù)經緯度確定，所以需要將顯示系統(tǒng)設置為標準WGS 84坐標系，而不能采用投影系統(tǒng)的UTM坐標系?；镜暮０涡畔碾娮拥貓D中自動讀取，架設高度設置為0，代表天線鐵塔位于地面。

Transmitters信息中，天線類型一般選擇系統(tǒng)自帶的“65deg 17dBi 0Tilt 900MHz”選項，而Height(掛高)、Azimuth(方位角)、Mechanical Down Tilt(機械下傾角)、Secondary Antenna(附加天線)，以及Power(發(fā)射機功率)等參數(shù)可根據(jù)實際的設計方案確定。其中，方向角亦可在電子地圖界面中用鼠標直接點選。此外，根據(jù)GSM-R的“上下行鏈路預算表”[6]，Transmission Loss(傳輸損耗)應設為8.5 dB(包括合分路單元損耗2.5 dB、饋線及接頭損耗3 dB、塔頂功分器損耗3 dB)，Noise Figure(噪聲系數(shù))按照典型值設為5 dB，其他與仿真計算精度相關的參數(shù)可根據(jù)實際需要進行配置，如Main Calculation Radius(主計算半徑)、Main Resolution(主分辨率)等。

2.4 特殊區(qū)段的無線仿真處理

鐵路GSM-R無線場強覆蓋仿真計算中，特殊區(qū)段主要指采用漏泄同軸電纜(以下簡稱“漏纜”)或直放站、RRU等設備進行無線覆蓋的區(qū)域。

漏纜作為一種電磁波輻射的媒介，在鐵路工程中常用于狹小空間的無線覆蓋場景，如隧道[7-8]、公鐵兩用橋(鐵路位于公路下方)[9]等。在無線場強覆蓋仿真中，考慮到漏纜信號覆蓋一般比較均勻的特點，可以認為區(qū)域中不存在弱場，不需要對此類區(qū)段進行仿真計算。

直放站和RRU設備屬于無線信號中繼設備，用于延伸基站設備的無線覆蓋范圍，達到在不增加基站數(shù)量的前提下保證網(wǎng)絡覆蓋的目的[10]。在無線場強覆蓋仿真中，因為主要考慮信號的傳播特性，所以只要仿照基站參數(shù)的設置方式，按照直放站或RRU設備的實際參數(shù)進行設置即可，并不會影響后續(xù)傳播模型的仿真計算結果。

此外，對于工程中涉及與其他鐵路線路發(fā)生并行[11-13，15]、交叉[14-15]，或者是引入鐵路樞紐地區(qū)[16-17]的情況，可以先利用既有無線設備的位置和參數(shù)，在本工程中一并進行無線場強覆蓋仿真計算，再通過直觀地分析既有基站的場強覆蓋特點，完成上述區(qū)段的無線設計方案優(yōu)化。同時，如果工程中使用了其他特性的天線，也可以按照天線配置模板進行參數(shù)自定義。

2.5 信號場強覆蓋圖的生成

信號場強覆蓋圖的生成包括選定無線傳播模型、計算路徑損耗矩陣、生成信號場強覆蓋圖三個步驟。

首先，移動通信領域中有許多經典的無線傳播模型，在Atoll軟件中已經預置好它們的計算公式， Okumura-Hata模型(準開闊地區(qū))的公式編輯形式如圖3所示。其中，Lu為中間變量；a(Hr)為移動臺天線高度修正因子；Total為路徑傳播損耗。公式中的參量f為工作頻率；Hb為基站天線有效高度；d為移動臺與基站之間的距離；Hr為移動臺天線有效高度。由于Okumura-Hata模型屬于經驗模型，并且計算結果在GSM-R工程中比較接近實測結果[6]，故在鐵路GSM-R無線場強覆蓋仿真中應選用該模型。

其次，在電子地圖界面中繪制出需要進行仿真計算的區(qū)域以后，才可以計算路徑損耗矩陣。該過程將在計算半徑之內，計算出從每個扇區(qū)至計算區(qū)域邊界的路徑上的損耗值，其精度與Transmitters中設定的發(fā)射機計算精度相同。

圖3 Okumura-Hata模型(準開闊地區(qū))的公式編輯形式

最后，Atoll軟件利用生成的路徑損耗矩陣進行預測計算，軟件中提供了13種預測類型模板，在僅考慮下行鏈路的仿真計算中，應選用“Coverage by Signal Level(DL)”模板，繪制出的樣例鐵路典型區(qū)段的信號場強覆蓋如圖4所示。從圖4可以看到，線路北側主要為城市區(qū)域且地形較平坦，故無線信號場強覆蓋均勻、形狀也與所用天線的理想輻射特性相符；而線路南側主要為山區(qū)且地形崎嶇，故無線信號場強覆蓋受到約束、形狀也與產生阻擋的山勢相符?？傊?，各個基站覆蓋的目標區(qū)域內沒有出現(xiàn)低于-95 dBm的弱場情況，滿足設計規(guī)范中對于列車速度不高于280 km/h鐵路的最小可用接收電平值的要求[18]。因此，通過無線場強覆蓋的仿真計算可以驗證，該設計方案具備理論可行性。如果實踐中遇到不滿足無線場強覆蓋要求的情形，也可以利用仿真結果來分析問題產生的原因，并提出合理的修正方案[19]。

圖4 樣例鐵路的無線信號場強覆蓋仿真結果(典型區(qū)段)

3 后續(xù)工作與展望

無線信號場強覆蓋的仿真結果既是無線通信主管部門的審查材料，也是優(yōu)化GSM-R設計方案的參考依據(jù)，其準確性將直接影響到基站設置的合理性。盡管Okumura-Hata模型在經驗上適用于GSM-R系統(tǒng)的無線傳播計算，但是在實際工程環(huán)境中仍然存在一定的誤差[20]。因此，在后續(xù)研究工作中，應當充分利用網(wǎng)絡優(yōu)化階段所采集到的實際場強測試數(shù)據(jù)，校正Okumura-Hata模型中的公式參數(shù)，并且補償不同地理環(huán)境對無線傳輸所帶來的附加損耗或增益，進而達到提高仿真計算結果準確性的目的。

4 結語

縱觀我國鐵路行業(yè)無線通信的發(fā)展歷程，GSM-R技術從2013年作為既有無線列調通信的換代產品開

始全面引進以來，一直保持著高速發(fā)展的態(tài)勢。目前，全路GSM-R核心網(wǎng)建設已達19個節(jié)點，能夠實現(xiàn)主要節(jié)點間的互聯(lián)互通，以及與全路跨局語音呼叫、數(shù)據(jù)通信的互聯(lián)互通。因此，在電磁環(huán)境日益復雜和業(yè)務量需求巨大的雙重壓力下，應當全面落實北京鐵路通信技術中心關于無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理的要求、做好沿線基站的無線網(wǎng)絡場強覆蓋仿真工作，這將能夠有效保障無線通信業(yè)務的運營穩(wěn)定性，提升我國鐵路行業(yè)的整體服務水平。

[1] 方旭明，崔亞平，閆莉，等.高速鐵路移動通信系統(tǒng)關鍵技術的演進與發(fā)展[J].電子與信息學報，2015，37(1)：226-235.

[2] 何明，高新，宋永勝.基于Atoll的TD-LTE組網(wǎng)方案仿真與現(xiàn)網(wǎng)驗證[J].移動通信，2013，37(10)：83-86.

[3] 中國鐵路總公司.高速鐵路通信技術——鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)(GSM-R)[M].北京：中國鐵道出版社，2014：2.

[4] 顏菁.GSM-R通信系統(tǒng)數(shù)字地圖的制作及其應用[J].鐵道通信信號，2010，46(3)：49-51.

[5] 趙品勇，吳松，甘志輝.GSM-R無線網(wǎng)絡的頻率規(guī)劃[J].移動通信，2007(9)：56-59.

[6] 吳克非.中國鐵路GSM-R移動通信系統(tǒng)設計指南[M].北京：中國鐵道出版社，2008：105-106.

[7] 陰同.長大隧道GSM-R弱場解決方案[J].鐵道通信信號，2014，50(4)：84-86.

[8] 楊玉修.西成客運專線部分特殊地段GSM-R網(wǎng)絡覆蓋方案研究[J].鐵道標準設計，2012(9)：106-109.

[9] 羅杰.鄭州黃河公鐵兩用橋GSM-R系統(tǒng)場強覆蓋方案研究[J].鐵道標準設計，2010(9)：131-133.

[10] 時慶飛.光纖直放站原理及在鐵路移動通信的應用[J].鐵路通信信號工程技術，2010，7(2)：38-40.

[11] 安三力，丁珣.典型鐵路并線區(qū)段GSM-R覆蓋方案研究[J].鐵路通信信號工程技術，2011，8(4)：18-21.

[12] 沈吟.合蚌客運專線特殊區(qū)段GSM-R方案研究與探討[J].鐵道標準設計，2011(8)：108-110，116.

[13] 吳靜.集包四線特殊地段無線覆蓋研究[J].鐵道標準設計，2013(4)：111-115.

[14] 趙留俊，周建美.鐵路十字交叉區(qū)域GSM-R無線網(wǎng)絡覆蓋研究[J].鐵道通信信號，2015，51(10)：4-7.

[15] 郭少磊.交叉并線區(qū)段GSM-R網(wǎng)絡設計原則與系統(tǒng)優(yōu)化[J].鐵路通信信號工程技術，2014，11(4)：37-38，72.

[16] 劉立海，胡曉紅，劉建宇，等.鐵路樞紐GSM-R無線覆蓋方案設計研究[J].中國鐵路，2009(12)：41-44.

[17] 胡昌桂.南京鐵路樞紐內GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡優(yōu)化解決方案[J].鐵道標準設計，2012(1)：102-104.

[18] 國家鐵路局.TB10088—2015 鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)(GSM-R)設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2015：14.

[19] 閻越明，劉盛堯.關于ASSET軟件在GSM-R系統(tǒng)工程設計中應用的研究[J].鐵路通信信號工程技術，2015，12(3)：53-55，68.

[20] 肖蒙，劉佳佳，林俊亭，等.高速鐵路的GSM-R無線傳播模型校正[J].電子技術應用，2012，38(2)：113-116.