鐵路GSM-R網絡無線小區覆蓋分析

黃欣萍

（柳州鐵道職業技術學院 信息工程系，副教授，廣西 柳州 545007）

GSM-R系統是基于GSM的規范協議，在公網GSM技術基礎上，融合了調度通信功能的專門用于鐵路無線通信的數字通信系統，增加了優先級、組呼、廣播呼叫等鐵路運輸專用調度通信功能，利用電路數據業務為列控車載子系統與列車控制中心進行雙向信息傳輸提供通道。GSM-R系統的QOS指標以保證列控業務要求的QOS指標及列控數據傳輸的可靠實現和保證系統效率及可靠性為基本出發點。因此，在GSM-R無線通信網絡的覆蓋方案中，對網絡場強覆蓋都應予以充分的重視。

1 鐵路GSM-R無線網絡覆蓋要求

鐵路GSM-R數字移動通信系統無線網絡覆蓋范圍是指滿足鐵路作業所必需的場強的區域，覆蓋的場強信號強度超過一定門限的達到了多少概率，我們就可以認為這個覆蓋是可以接收的。網絡邊緣覆蓋概率指在覆蓋區邊緣上，接收信號強度大于接收門限的時間百分比；網絡區域內覆蓋概率指在覆蓋區域內，接收信號強度大于接收門限的位置占總區域面積的百分比。他們的定義不一樣，不過所描述的都是一個覆蓋的滿足程度，兩種覆蓋概率之間是有對應關系的。

鐵路GSM-R無線網絡場強覆蓋按照《鐵路GSM-R數字移動通信系統工程設計暫行規定》的行業標準，場強覆蓋以機車接收機天線處，輸入端射頻信號最小可用接收電平為標準，話音和非安全數據傳輸的列調機車臺場強值為-98 dBm（95%的時間地點概率），列控數據傳輸的列控機車臺運行速度大于280 km/h場強值為-92 dBm（95%的時間地點概率）。

2 鐵路GSM-R網絡冗余覆蓋方式

GSM-R系統可以構成既含有面狀覆蓋又含有鏈狀覆蓋的網絡，例如，沿鐵路線采用鏈狀覆蓋，車站及樞紐地區采用面狀覆蓋。由于GSM-R系統要完成無線列調功能，更重要的是要承載列控數據傳輸，為保證可靠的數據無線傳輸通道，GSM-R網絡應用了冗余的策略，系統的無線信號采取了雙重覆蓋，即類似于雙備份，兩套系統交錯或重疊覆蓋。高度的覆蓋冗余能夠保障如某地小范圍內發生災害或設備故障，使系統某一BTS宕機時整個網絡仍然能夠正常工作。GSM—R網絡沿鐵路線覆蓋，主要有雙層網絡冗余的小區覆蓋、單層交織冗余的小區覆蓋等。

2.1 雙層網絡結構覆蓋雙層網絡結構覆蓋包括同站址冗余覆蓋和交織站址冗余覆蓋。該兩種覆蓋方式都能做到無縫和冗余覆蓋，以確保列車快速、安全運行。但雙層網絡結構網絡投資較大，工程造價高、經濟性較差。

1）同站址冗余覆蓋是采用兩個完全相同的BTS并列設置在同一站點（見圖1所示），同時覆蓋相同的地理區域，以形成兩張完全相同的GSM—R無線網絡，同站址的兩個網絡互為冗余，如果其中一個BTS由于收發信機出現故障宕機或者無線鏈路干擾過大而引起數據鏈路中斷，移動臺可以切換到與該BTS同站址的另一GSM—R無線網絡的BTS繼續進行通話或數據傳輸，從而保證了GSM—R系統的故障安全性。

圖1 同站址冗余覆蓋

2）交織站址冗余覆蓋是為了解決同站址冗余覆蓋中，由于災害造成基站破壞會使網絡中斷等問題而演進而來的。交織站址冗余覆蓋中的冗余BTS設在原來兩個連續基站的中間（見圖2所示）。交織站址冗余覆蓋單從覆蓋范圍上來看與同站址一樣，鐵路沿線每個位置都同時有兩個GSM—R網覆蓋到，與同站址冗余覆蓋一樣滿足GSM—R系統的故障安全性。其優勢在于，如果某地小范圍內發生災害，只有其中一個BTS遭到破壞，另一個BTS服務并不受影響。

圖2 交織站址冗余覆蓋

2.2 單層網絡結構覆蓋單層網絡結構覆蓋采用一個GSM—R無線網絡，采用交織站址覆蓋，其兩個相鄰BTS的場強相互覆蓋到相鄰BTS所在地，相當于BTS加密，BTS與BSC間可以是采用單個BSC或兩個BSC的方式（見圖3所示）。單層交織冗余的小區覆蓋方案具有很高的可靠性和經濟性，可以避免BTS單點宕機故障，任一奇數個（1，3，5，7…）或偶數個（2，4，6，8…）BTS組成的無線網都能夠單獨滿足系統規定的性能要求。當某一個BTS出現故障時，相鄰兩個小區的覆蓋電平仍然能夠達到系統規定的性能要求。另外這種單層網絡結構組成的無線網，采用環路保護結構（見圖4所示），具有抗自然災害等能力強的優點。

圖3 單層網絡交織站址覆蓋結構

圖4 無線網絡采用保護環路結構

3 基站覆蓋區的邊緣及域內覆蓋概率

基站發射無線信號傳播的復雜性使我們很難用一個單一的模型來精確反映各種路徑的損耗。在系統分析時，常采用簡化的路徑損耗模型〔1〕，即：

如基站天線發射功率為Pt（d）〔dBm〕，則移動臺在距離基站d處接收到的信號平均功率Pr（d）〔dBm〕為

上式只適用于發射距離d＞d0，d0遠場區的參考距離，在室外一般取10～100 m；d為T-R距離；n為路徑衰耗指數，表明路徑衰耗隨距離增長的速率，一般取定為3-4，自由空間一般為2；K（dB）是一個依賴天線特性和平均信道損耗的常數，一般為全向天線在d0處的自由空間損耗為

實際上當d0取100 m時，實測的損耗與此基本相符。K（dB）也可以用傳播距離d0處的實測數據來確定。

無線信號在信道傳播過程中遇到的障礙物會發生隨機變化，變化幅度取決于障礙物狀況、工作頻率、障礙物和移動臺移動速度等。即陰影效應，接收信號近似服從對數正態分布。

將路徑損耗模型和陰影衰落模型加在一起可以反映出功率隨距離的變化和陰影造成的路徑損耗隨機衰減〔1〕。則移動臺在距離基站d處接收到的信號功率Pr（d）〔dBm〕

即在接收到的信號平均功率md上增加一個均值為0dB的陰影衰落Xσ，來體現路徑損耗的隨機變化；Xσ是均值為0，標準偏差為σ的正態分布的隨機變量，故Pr（d）〔dBm〕也是正態分布的隨機變量。

路徑損耗和陰影衰落對移動通信系統的設計有重要的意義，系統有一個目標最小接收功率電平Prmin，對于任意給定的發射機距離，接收功率是服從正態分布的隨機值，存在接收功率電平低于目標值Prmin的可能性。

3.1 基站覆蓋區邊緣界面處的概率基站覆蓋區域邊緣覆蓋場強是移動臺在基站覆蓋區邊緣界面處（該圓周上）移動時，移動臺在邊緣處接收到信號的功率是個變化值，時高時低，設其為x，接收到的信號平均功率md為中值，標準偏差為σ的隨機變量，服從高斯正態分布。則移動臺在距離基站d處接收到的信號平均功率的概率密度函數可以表示為〔1〕

根據公式可以推出：在基站覆蓋的邊緣處，即距離d處的接收功率x高于目標值Pmin〔dBm〕的概率為

Q（z）是均值為0，標準偏差為1的正態分布函數，erf（x）為誤差函數，積分結果可查誤差函數表（即概率積分表）。

上式可以理解為：要讓基站覆蓋邊緣界面處接收到的信號功率x高于目標值Pmin[dBm]的概率為P（x≥Pmin）時，則必須考慮md-Pmin的環境陰影余量衰耗，以克服不同地點周邊環境因素的影響。

由（3-6）式可見，如果預測或實測的區域平均信號電平 md＝Pmin，即系統余量為 0，則 P（x≥Pmin）＝50%。這樣，我們就可以根據接收機要求輸入的最低保護電平及所需通信概率、σ來確定無線覆蓋區邊緣所需場強或其信號電平。

例如：若高速鐵路GSM-R網絡覆蓋要求覆蓋區邊緣為95%時，系統陰影衰落余量將為多少由（3-6）式得：

也就是說覆蓋區邊緣的通信概率為95%的陰影衰落余量應為1.65 σ，鐵路沿線σ一般取7 dB，系統陰影衰落余量為11.5 dB左右。對于不同邊緣覆蓋率對應的陰影衰落余量見表1。

表1 不同邊緣覆蓋率對應的陰影衰落余量

3.2 基站覆蓋區域內覆蓋概率實際工程中，在基站覆蓋面積內，計算移動臺接收信號等于或高于目標最小接收功率電平Prmin區域百分比，對移動通信設計工程也非常有意義。區域內覆蓋概率定義為在半徑為R的圓形區域內，接收信號強度大于接收門限Pmin的位置占總面積的百分比。

對于一個半徑為R的覆蓋區，在距離基站r處取一增量區間 dA，假設接收門限 Pmin，P（x≥Pmin）為距離r處dA大于Pmin的概率，按參考文獻〔1〕的推導方法，可得小區內接收功率超過接收門限Pmin的總面積百分比為

邊緣覆蓋概率確定相應的區域內覆蓋概率與σ/n關系曲線見圖6，圖中以σ/n為橫坐標，以r＝Ro的環形區域dA內的覆蓋區邊緣界面處的概率P（Ro）為參變量，只需給定路徑衰耗指數n和σ值，可算得一組曲線，就可以根據覆蓋區邊緣覆蓋概率確定相應的覆蓋區域內覆蓋概率（覆蓋等級）。從上式（3-8）中看出覆蓋區域內覆蓋概率總是大于覆蓋區邊緣界面處的概率。

圖6 邊緣覆蓋概率確定相應的區域內覆蓋概率與σ/n關系曲線

4 基站覆蓋區覆蓋半徑確定

發射機與接收機之間的無線傳播的互易定理表明：上、下行鏈路的傳輸損耗應該相等，但兩個傳輸方向的最大可能路徑損耗是不一樣的，因為基站和移動臺的發射機、接收機有著不同的特點。預算路徑損耗時要考慮各種損耗和安全裕度，包括設備老化（基站、電纜、天線等）、干擾降級、人體損耗，考慮95%覆蓋概率（邊緣）的陰影衰落裕量以及對未考慮干擾因素的附加保護。以基站-機車臺（下行）為例分析，GSM-R下行鏈路工作頻段930～934 MHz，選取頻點f=932 MHz，基站載頻輸出功率60 W，基站-機車臺（下行）鏈路預算得出最大允許的下行路徑損耗L=133.8 dB（見表2）。

表2 基站-機車臺（下行）鏈路預算

Okumura/Hata模型是應用較為廣泛的覆蓋預測模型，該模式是以準平坦地形大城市區的中值場強或路徑損耗作為參考，對其他傳播環境和地形條件等因素分別以校正因子的形式進行修正，對不同地形上的基本傳輸損耗按下列公式分別預測〔1、2、3〕。

設基站高度為35 m、45 m的兩種情況，機車臺天線高度4.5 m，得到不同地形上的路徑損耗公式，根據基站-機車臺（下行）鏈路預算得到的最大允許的下行路徑損耗L=133.8 dB，代入路徑損耗公式，可以計算出對不同地形覆蓋的距離（見表3）。

表3 基站高度為35 m、45 m不同地形覆蓋距離

重疊區域的長度和越區切換區域的位置是重要考慮的地方，特別是在高速條件下，相鄰小區的覆蓋重疊需要有足夠的長度，才能確保高速環境下安全越區切換。從表2中看出，在考慮了陰影衰落裕量、附加裕量后機車臺最小接收電平-77.5 dBm，在低于此電平之前切換到新的小區，即兩個小區在重疊區內的電平大于-77.5 dBm。

GSM系統一次切換的最短時間，包括濾波器處理時間、解碼BSIC的時間、切換執行時間，總共需約2～4 s。高速列車速度達350 km/h，機車臺向遠離基站的方向行駛了350 km/h×4s/3 600 s=389 m，系統應該允許第一次切換失敗后，有足夠的時間嘗試再次切換，可以考慮1倍的余量因素，則在列車高速350 km/h情況下，覆蓋重疊需要的長度為350 km/h×8 s/3 600 s=778 m。778 m覆蓋重疊可以滿足最高速度350 km/h系統的安全越區切換。

站間距離以中小城市、基站高度為35 m為例，根據表3計算站間距離

采用交織站址覆蓋時交織基站的距離為D/2=2.15 km，選取交織基站的距離為2 km為宜。

在實際應用中，通過GSM-R網絡設計選址和網絡優化，采取措施盡量控制覆蓋重疊區越區切換發生頻率，如通過鄰區列表優化，提升車載終端測量的精度，縮短測量和重選時間；關閉功控，有效減少測量報告的延遲，加快高速切換的判決；特別要避免可能會發生“乒乓”切換，通過改變最低門限、最高門限和切換間隔時間來優化切換算法，合理的參數設置提升判決精度，縮短切換判決時間和切換時間，可以提高切換性能，減小切換的次數，避免乒乓效應。另外隨著切換容限的增大，越區切換的次數在逐漸減小，當在切換容限達到7dB以后切換的次數為1，可以避免了不必要的切換〔4〕。

在選擇切換區時要重點考慮：

1）在RBC（無線閉塞中心）切換區域以及列控數據傳輸密集區域應盡量避免跨MSC/BSC越區切換，以避免頻繁越區切換對列控數據傳輸造成影響。

2）使切換區域遠離車站、列車停靠點、調車作業場地，為滿足這一設計需求，重要基站須設置在這些區域附近，確保了這些區域有良好的覆蓋，這種設計可使得在這些區域只出現一個強信號的區域，切換只能發生在正常情況下不停車的區間。

5 結束語

為保證列控業務要求的QoS指標及列控數據傳輸的可靠實現，必須解決高速鐵路GSM-R無線網絡場強覆蓋問題。通過對鐵路GSM-R無線網絡場強覆蓋概率要求，確定系統陰影衰落余量，給出GSM-R網絡小區覆蓋半徑計算方法，得出了不同基站高度下小區的覆蓋半徑預規劃，至于網絡最終規劃還要對每個候選基站的站址進行實地勘察，并根據實際基站高度對調整天線的俯仰角對覆蓋區以及覆蓋重疊區進行微調。

〔1〕美Andrea Goldsmith.楊鴻文，李衛東，郭文兵等譯.無線電通信〔M〕.北京：人民郵電出版社，2007.

〔2〕鐘章隊等著.鐵路綜合數字移動通信系統（GSM-R）〔M〕.北京：中國鐵道出版社，2007.

〔3〕南海蘭，王湘，鐘章隊.GSM—R網絡小區覆蓋半徑的算法研究〔J〕.鐵道學報，2005，27（1）：66-69

〔4〕.黃麗聰，朱剛.GSM-R越區切換分析與優化〔J〕，移動通信2007.8：35-38.