450 MHz無線列調覆蓋范圍與天線掛高預測的研究

陳榮超

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司鄭州分院，鄭州 450001)

1 概述

隨著國內鐵路建設步入“高速時代”，450 MHz列車無線調度通信系統功能單一、頻率利用率低、容量有限、話音和數據業務爭搶信道、傳輸可靠性低、數據傳輸能力差[1]等缺點越來越突出，中國鐵路總公司開始逐步將既有普速鐵路的450 MHz無線列調系統改建為GSM-R 系統。但目前采用450 MHz 無線列調系統的既有線路上的改建、接軌等工程，依然還需使用450 MHz 無線列調系統，并考慮為未來的G 網改造預留條件。

在實際工程項目中，450 MHz 無線列調系統的設計需預測天線掛高、鐵塔高度等作為前期計算工程量及投資的依據。而目前在450 MHz 無線列調系統中對天線掛高的預測多通過以往項目經驗，相關規范也并沒有說明具體的預測方法，可參照完整、明晰的預測方法也幾乎沒有，往往會造成前期設計不能很好的完成后期實際工程應用。針對此類問題，依托接軌隴海線的某專用鐵道工程，對450 MHz 無線列調覆蓋范圍與天線掛高預測進行研究，并制作一預測軟件，能有效降低設計人員的工作量并提高預測的準確度，為今后此類工程提供設計經驗。

2 工程概況

本項目位于江蘇省連云港市境內，線路經過區地貌上屬濱海沖積平原，總體上呈北高南低，地勢較平坦，自然地面標高3.00 ～4.00 m，自然坡度小。

本項目專用鐵道接軌于徐圩港區支線，徐圩港區支線接軌于隴海線云臺山站，采用450 MHz 的B制式無線列調系統，納入隴海線既有無線列調系統中。專用鐵道行車方式為按行車辦理，設中間站1處，該中間站距接軌站直線距離約7.4 km，如圖1所示。接軌站既有掛高32 m 的定向天線，本項目擬在中間站使用定向天線。

圖1 專用鐵道布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of special railway layout

3 預測方法

電磁波的發射和接收都要通過天線來實現，基站的發射功率經過饋線到達天線，經天線放大發射出去，經過空間傳播，再經機車臺天線到達接收機。正常情況下，綜合考慮到各種損耗等因素，車站臺發射功率P 和機車臺最小接收電平V 應滿足公式（1）。

公式（1）中：

P 為車站臺發射功率，dBμ。以應用較為廣泛的鴻雁牌TW-42Uz 型車站臺[2]為例，該車站臺發射功率在同頻單工下為5 W、雙工和異頻單工下為10 W，已知該鐵路線使用450 MHz 無線列調系統的B 制式（大三角使用雙工通信、小三角可使用雙工、半雙工、單工通信），則發射功率取10 W（設源阻抗為50 Ω，P=U2/R，則10 w=147 dBμ）。

L1為車站天線饋線損耗，dB。450 MHz 下：7/8 英寸饋線損耗為2.65 dB/100 m，1/2 饋線為4.75 dB/100 m，1/2 超柔饋線為7.59 dB/100 m，則L1=0.026 5×(hb+10)+0.047 5×10+0.075 9×10=0.026 5 hb+1.499。

L2為機車天線饋線損耗，dB。則L2=0.047 5 dB/m×7 m=0.332 5 dB。

Lb為傳輸損耗，dB。

G1為車站臺天線增益，取8.5 dB。

G2為機車臺天線增益，取0 dB。

△為其他損耗，取5 dB。其中每個連接接頭損耗約0.05 dB，避雷器損耗約0.5 dB，一分二功分器損耗約3.5 dB。

M 為 儲 備 量， 取6.5 dB。其中發射功率下降3 dB，接收機靈敏度惡化2 dB，失配損失1.5 dB。

3.1 傳輸損耗計算

在無線通信系統中，電波是在非規則、非單一的環境中傳播，隨著傳播距離的增大，接收到的信號強度逐漸減小[3]。我國幅員遼闊，一條鐵路干線通常會經歷準光滑、丘陵和山地等地形地貌以及市區、郊區、開闊區、林區等人為環境，不同的地形地貌和人為環境都會造成衰減速率的不同，這就使得450 MHz 無線列調傳播路徑非常復雜。因此在估算傳輸損耗時，首先應針對鐵路沿線不同的地形地貌和人為環境選擇適合的無線傳播模型來進行分析。

本工程地形的傳輸損耗可依據GB/T 14617.1-2012[4]中場強中值預測模式下的準光滑地形上鄉村公路的基本傳輸損耗來預測，預測方法為公式（2）。

公式（2）中：

Lb為基本傳輸損耗，dB；

f 為頻率，MHz；

hb為基臺天線高度，m；

hm為移動臺天線高度，m；

d 為移動臺到基臺的距離，km；

r 為遠距離傳播修正因子，計算方法見公式（3）：

a(hm)為移動臺天線高度增益因子，dB。計算方法見公式（4）。

GB/T 14617.1-2012 中的基本傳輸損耗預測公式是根據大量的實測數據，統計、分析、總結得到的經驗公式，嚴格適用范圍為：150 MHz ≤f ≤1 500 MHz、30 m ≤hb≤200 m、1 m ≤hm≤10 m、1 km ≤d ≤100 km。

3.2 機車電臺接收電平中值預測

TB 1876-87[5]1.2 規 定：“450 MHz 頻 段 最 小可用接收電平在一個調度區段內按95%或90%的地點和時間概率。機車電臺接收機輸出端的電壓信比不低于20 dB 的條件下，其最小接收電平應不小于0 dBμ(1μV)。”

根據上述規定， 本項目時間及地點概率都取95%，并且取機車電臺最小接收電平Vmin(95%,95%)=0 dBμ。 但GB/T 14617.1-2012 給 出的基本傳輸損耗預測公式是在時間及地點概率都為50%的情況下預測，這就需要根據Vmin(95%,95%)等效推出Vmin(50%,50%)（時間及地點概率都取50%時機車電臺最小接收電平）。

目前450 MHz 機車臺天線多采用加感垂直接地振子天線。根據場強的定義，若被研究點上接收天線方向與電場強度E(V/m)平行，則有效長度為le(m)的天線端感應的電壓e=E×le[6]，可得到接收機接收電平與該處場強的關系式（5）：

同一根天線根據公式（5）可得：ΔE=E(50%,50%)－E(95%,95%)=V(50%,50%)－V(95%,95%)=ΔV，即時間及地點概率分別取95%與50%時，最小接收電平的差值ΔV與場強的差值ΔE 相等，從而可根據ΔE 計算出Vmin(50%,50%)。

3.3 空間和時間域內的衰落深度計算

依據GB/T 14617.1-2012 的7.1，時間及地點概率都取95%的業務場強（即在接收點所收到的有用信號的場強）可用公式（6）計算。

公式（6）中：

L 為地點概率，%；T 為時間概率，%。

Ed(L,T)為預測地點概率和時間概率分別為L%和T%的業務場強，dB(μV/m)。

σLd、σTd為業務場強隨地點和時間的變化的標準偏差，dB。σLd可由本文3.3.1 確定，σTd可由本文

3.3.2 確定。

k(L)為與地點概率有關的一個常數，k(T)為與時間概率有關的一個常數，可用公式（7）來計算，式中erf-1（ζ）為誤差函數的逆函數。

k(L)σLd和k(T)σTd可分別代表空間和時間域內的衰落深度，兩者之和即為ΔE。將L=T=95、k(95)=1.645、f=450、Δh=0.8 m、d ≤50 km 代入公式（6）：Vmin(50%,50%)=Vmin(95%,95%)+k(L)σLd+k(T)σTd=0 dBμ+14.391 dB=14.391 dBμ。

3.3.1 場強隨地點變化的標準偏差σL

σL：場強隨地點變化的標準偏差，dB。

對于農村開闊區域：

對于平坦市區（100 MHz

對于50 km 以上的任意地形：

以上公式中：

Δh 為地形不規則度，單位m。即移動臺到基臺方向10 km 范圍內10%與90%的地形高度值的差，可以用地形剖面數據中剖面路徑、剖面高度的最大值和最小值之差的80%來簡化計算。

λ 為波長，單位m。λ=300/f。

3.3.2 場強隨時間變化的標準偏差σT

σT：場強隨時間變化的標準偏差，dB。

對于f<300 MHz：

3.4 天線掛高及覆蓋范圍預測

450 MHz 無線列調系統場強覆蓋應符合TB 10086-2009[7]3.3.3 規定：

1）兩相鄰車站電臺場強應連續覆蓋。

2）車站電臺場強覆蓋范圍應為站距的50%～70%，且不得小于5 km；小于5 km 的區間應覆蓋到鄰站；

3）兩相鄰車站電臺場強覆蓋應有500 m 以上的重疊區。

4）站間有局間交界處時，車站電臺的場強應連續覆蓋至局界。”

將f=450、hm=4 及以上計算的各類相關參數代入公式（1），可得出適合本項目的天線掛高和覆蓋范圍的關系公式（13）：

當hb=20 m 時，d ≤6.24 km，當hb=25 m 時，d ≤6.96 km，當hb=30 m 時，d ≤7.63 km，結合本項目實際情況及上述規范規定，當天線掛高25 m 時即可滿足本項目無線覆蓋需求。由于隴海線正在進行G 網改造，依據鐵總運[2013]189 號文[8]的相關規定，建議將新設鐵塔高度及規格與G 網改造標準一致，新設車站調度交換機應預留接入GSM-R 系統的條件，在保證現有無線列調正常運行的情況下，為將來的改造預留條件。

4 預測軟件制作

以上預測過程參數多、公式繁瑣，本文使用Viusal C++6 軟件開發制作了一套預測軟件，軟件界面如圖2 所示。該軟件基于Windows 的微軟基礎類庫框架，創建對話框并添加各類控件，將各種地形地貌及人為環境的基本傳輸損耗預測公式及各類參數編寫到該軟件中。設計人員只需在界面中輸入或導入各類相關參數，就能通過該軟件自動分析并預測出天線掛高和覆蓋范圍，能有效降低設計人員的工作量并提高預測的準確度。

5 結語

本文對準光滑地形上類似鄉村公路的人為環境下非電氣化區段的天線安裝高度與場強覆蓋范圍做了細致、完整的研究，從以上推導過程可以看出，450 MHz 無線列調天線安裝高度與場強覆蓋范圍，除了受車站臺、天線、接收機本身的性能影響外，與是否電氣化區段、所處地形地貌和人為環境也有很大關系。其他如丘陵和山區等地形地貌、城區和開闊地等人為環境，也都可以結合本文推導過程并依據GB/T 14617.1-2012 給出的基本傳輸損耗預測公式來很好的預測。但本文是以國標給出的經驗公式為依據，與實際工程情況會存在誤差，所以預測結果可作為工程前期計算工程量及投資較可靠的依據，后期等招標完廠家并確定出產品參數后，需進一步做深化設計，以及在工程安裝完成后根據實際測量結果，通過調整天線安裝角度等措施使場強覆蓋達到最優。

圖2 預測軟件界面Fig.2 Prediction software interface