高速鐵路典型地形GSM-R系統電波傳播特性的研究

蔣志勇 張弘毅 蔣 韻

蔣志勇:中國鐵道科學研究院通信信號研究所 副研究員 100081 北京

張弘毅:中國鐵道科學研究院通信信號研究所 助理研究員 100081 北京

蔣 韻:中國鐵道科學研究院通信信號研究所 助理研究員 100081 北京

我國高速鐵路采用GSM-R系統作為移動通信平臺，承載了CTCS-3級列控信息、調度通信、調度命令、列車無線車次號校核等多種鐵路應用業務信息傳送，為運輸調度指揮、設備維護及管理提供移動語音、電路域和分組域數據傳輸通信，在鐵路運輸中發揮了重要作用。因此有必要研究高速運行條件下GSM-R系統電波傳播特性，建立典型地形條件下電波傳播模型，完善高速鐵路GSM-R系統的場強預測模型，為GSM-R系統的設計和運用提供參考和依據。

1 高速鐵路GSM-R系統電波傳播特點

當列車行駛在平原或準平原區段時，無線電波的傳播主要存在地面反射，而繞射、散射和其他反射都很弱，影響電波傳播的因素較少。與普通鐵路相比，高速鐵路線路大多取直，坡度較緩，路基占地寬，相對減少了分布于實效反射區內的反射物和障礙物，從而減少了影響電波傳播的地理因素，有利于電波傳播。對于典型平原高架橋地形，列車運行在高架橋上，傳播環境較在地面運行時更佳。

按照影響電波傳播的地形進行分類，我國高速鐵路沿線主要有幾種典型地形:平原/準平原、平原高架橋、山區/丘陵、隧道等。在隧道區段，GSM-R系統一般采取光纖直放站等技術手段實現隧道內的無線覆蓋。此時，一個GSM-R基站的覆蓋范圍與實際的地形以及基站允許連接的光纖直放站數量等因素有關，可以通過計算或者工程經驗直接獲取。在準平原或平原高架橋區段，GSM-R系統一般采取由基站直接覆蓋的方法。由于地形相對比較平坦，無線電波的傳播環境好，無線覆蓋電平相對較高。在準平原或平原高架橋區段，如果基站覆蓋范圍設計不合理，將給頻率規劃、網絡優化以及業務應用帶來很大的困難和負面影響。

根據在準平原和平原高架橋等典型地形條件下測得的試驗數據，建立典型準平原和平原高架橋區段高速鐵路GSM-R系統電波傳播大尺度路徑損耗模型和小尺度衰落模型。

2 測試基本情況

選擇具有典型平原高架橋地形特征的區段，按照保證移動終端能有較低接收電平，且相鄰基站無鄰頻干擾的原則，采取連續關閉4～6個基站后保留1個被測基站的方式關閉了測試區段沿線部分基站，在被測基站間距超過15 km的條件下，分別在250，300，350，380 km/h等速度等級測試GSM-R系統的電波傳播特性。被測GSM-R基站的基本情況如表1。

表1 被測GSM-R基站基本情況

測試過程中，測量接收機依次鎖定被測基站的BCCH頻點，直至電平低于－100 dBm以下，再將測試頻率鎖定在下一個基站的BCCH，測試接收電平與距離之間的分布規律，得到高速鐵路GSM-R系統電波傳播的大尺度傳播模型。測試中，通過全程記錄測量接收機的原始采集數據，測試電波的波動規律，推導出小尺度衰落特性。

3 典型地形GSM-R電波傳播特性

3.1 準平原區段電波傳播特性

3.1.1 準平原區段大尺度傳播模型

參考相關研究，列車速度對電波的大尺度傳播模型影響不明顯，準平原、山區/丘陵等地形高速鐵路GSM-R系統電波傳播大尺度路徑損耗指數統計結果如表2所示。

表2 準平原、山區/丘陵地形電波傳播大尺度路徑損耗指數

經過分析統計，GSM-R基站的實際輻射電波在距離基站約200 m處的95%時間地點概率場強統計值最大，約為－30 dBm。以此作為參考點，準平原、山區/丘陵二種典型地形條件下電波傳播大尺度傳播路徑損耗模型如圖1所示。

圖1 準平原、山區/丘陵區段電波傳播大尺度路徑損耗模型

3.1.2 準平原區段小尺度衰落余量

參考相關研究，典型準平原、山區/丘陵地形條件下電波傳播小尺度衰落余量統計如表3所示。

表3 準平原、山區/丘陵地形小尺度衰落余量統計表

3.2 平原高架橋區段電波傳播特性

3.2.1 平原高架橋區段大尺度傳播模型

通過對測試數據進行分析和統計后，平原高架橋區段被測GSM-R基站的電波傳播大尺度損耗指數擬合結果如表4所示。

表4 平原高架橋地形電波傳播大尺度路徑損耗指數

如表4所示，典型平原高架橋區段被測GSMR基站的大尺度路徑損耗指數為2.7～3.2。由于各基站所取樣本數大致相同，且擬合的相關系數γ十分接近，因而可對路徑損耗指數和標準差進行算術平均，計算得到路徑損耗指數為2.94，標準差為3.83 dB。經過數學擬合，典型平原高架橋區段GSM-R系統電波傳播大尺度路徑損耗公式如下:

若將參考點取為距離基站200 m處，該點的95%時間地點概率場強統計值取為－30 dBm，典型平原高架橋區段的電波傳播大尺度路徑損耗模型如圖2。

圖2 平原高架橋區段電波傳播大尺度路徑損耗模型

與準平原區段的電波傳播大尺度路徑損耗模型相比，被測典型平原高架橋區段的GSM-R系統大尺度路徑損耗指數要優于準平原區段，如圖3所示。這與移動終端運行在高架橋上時接收天線較高、電波傳播條件較好有關系。

圖3 典型地形電波傳播大尺度路徑損耗模型對比圖

3.2.2 平原高架橋區段小尺度衰落模型

1．衰落頻度與速度關系。通過對不同速度條件下的數據進行統計，得到典型平原高架橋區段電波傳播衰落頻度與速度的關系，如圖4所示。

從圖中可以看出，衰落頻度隨著列車速度v的提高而增加。經過數學擬合，可得衰落頻度與速度的關系為:N∧R=0.82v+272

圖4 典型平原高架橋區段衰落頻度與速度關系

相關系數:γ=0.88。

2．衰落寬度與速度關系。通過對不同速度條件下的數據進行統計，得到典型平原高架橋區段電波傳播衰落寬度與速度的關系，如圖5所示。

圖5 典型平原高架橋區段衰落寬度與速度關系

從圖中可以看出，衰落寬度隨著列車速度的提高而下降。經過數學擬合，衰落寬度與速度v的關系為:

τ∧=274.6v+1.21

相關系數:γ=0.94。

3．衰落余量與速度關系。通過對不同速度條件下的數據進行統計，得到典型平原高架橋區段電波傳播衰落余量與速度的關系，如圖6所示。

從曲線的整體趨勢來看，隨著速度的提高，衰落余量略有下降的趨勢，但變化趨勢不明顯。

對所有有效數據進行統計后可得典型平原高架橋區段衰落余量的統計結果，如表5所示。

表5 典型平原高架橋區段衰落余量統計表

表5與表3對比，平原高架橋區段的衰落余量統計結果要略好于準平原區段。

4 結論及建議

1．準平原區段GSM-R系統大尺度路徑損耗指數為3.25，標準差為3.46dB，傳播路徑損耗模型為

2．典型平原高架橋區段GSM-R系統大尺度路徑損耗指數為2.94，標準差為3.83 dB，傳播路徑損耗模型為:

典型平原高架橋區段的電波傳播特性優于準平原區段。

3．隨著列車速度的提高，衰落余量略有下降，但趨勢不明顯。工程設計中，平原高架橋、準平原和山區/丘陵等不同典型地形條件下，GSM-R電波傳播衰落余量取值可分別按95%統計值8.3 dB、9.8 dB和14.1 dB考慮。

［1］＜美＞ Henry L．Bertoni.Radio Progagation for Modern Wireless Systems［M］. 北京:電子工業出版社，2001，1.

［2］＜美＞ Theodore S．Rappaport.Wireless Communications Principles and Practice［M］.北京:電子工業出版社，1999，11.

［3］田翠云，趙榮黎，蔣忠涌．移動通信系統［M］.北京:人民郵電出版社，1990，8.

［4］鐵道部科技司．科技運［2008］170.GSM-R無線網絡覆蓋和服務質量(QoS)測試方法(V1.0)，2008.

［5］藺偉，王學軍，沈京川等．GSM-R系統服務質量和接收電平關系的分析與研究［J］.鐵路技術創新，2011(2).