基于實地模型的GSM-R仿真系統研究

趙一穎,姜志威

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 研究背景及意義

鐵路數字移動通信系統(GSM-R)是一種鐵路專用的無線通信制式[1]，主要用于承載列車調度通信、列車控制數據傳輸、車次號傳輸、區間移動公務通信、應急指揮通信等功能。相比于公眾網絡GSM制式采用的面狀覆蓋，GSM-R制式采用的則是符合鐵路特點線狀覆蓋，并且在組網架構、占用帶寬等方面也存在較大差異。可見，在方案研究、工程設計、項目審批、施工建設、運維管理等各階段做好GSM-R仿真分析，對鐵路安全生產具有重要的意義。

目前，通信行業常用的幾種無線網規劃優化仿真軟件有英國AIRCOM公司的Enterprise ASSET[2]、法國FORSK公司的Atoll[3]，中國百林的網絡規劃軟件NeST等。設備廠商一般也會有自己仿真系統軟件，如愛立信公司的TCPU、諾基亞公司的Totem Suite、華為公司的GENEX、阿爾卡特朗訊公司的Ocelot等。然而，這些無線網絡規劃軟件均不能直接支持GSM-R仿真[4]。盡管通過繁瑣的參數配置仍可利用上述軟件實現GSM-R仿真的部分功能，但使用商業軟件處理高精度鐵路沿線實地模型卻存在信息安全隱患。因此，研究基于實地模型的GSM-R仿真系統對我國鐵路行業是必要和迫切的。

2 系統功能設計

GSM-R仿真系統的功能設計應貼合鐵路行業的實際應用需求，重點關注切換、干擾[5]、冗余覆蓋等關鍵性問題。根據TB10088—2015《鐵路移動通信系統(GSM-R)設計規范》[6]中規定的無線覆蓋要求和特性指標，確定基于實地模型的GSM-R仿真系統需具備以下功能。

(1)無線場強覆蓋分析功能

鐵路沿線實現GSM-R無線信號的有效覆蓋是一項基本要求[7]，無線通信系統設計方案應滿足接收機天線輸入端射頻信號最小可用接收電平不低于規范中要求的數值。例如，當列車設計速度超過280 km/h時，在時間、地點統計概率95%的條件下，列控類業務要求最小可用接收電平應不低于-92 dBm，而話音及非列控類業務則要求不低于-98 dBm。通過仿真系統無線場強覆蓋分析功能，可以核查鐵路沿線區域是否存在GSM-R信號最小可用接收電平不滿足規范要求的情況[8]。

(2)C/I指標分析功能

GSM-R系統的工作頻率帶寬為4 MHz，采用等間隔配置方法劃分為19個頻點[9]，頻點間隔僅有200 kHz。無線通信系統設計時，主要應避免同頻和鄰頻干擾，干擾會引起誤碼增加、話音質量下降、數據傳輸差錯率上升，影響行車安全[10]。C/I指標即載干比，定義為接收到的有用信號電平與所有非有用信號電平的比值[11]。設計規范中要求同頻C/I值不小于-12 dB，鄰頻C/I值不小于-6 dB。通過仿真系統的C/I指標分析功能，就可以直接分析GSM-R系統自身的信號干擾特性，或者結合無線場強測試結果，分析GSM-R系統在實地環境中的信號干擾特性。

(3)重疊覆蓋分析功能

隨著高速鐵路列車控制系統的不斷革新，對于GSM-R無線通信的技術要求也在同步提升。目前國內高速鐵路廣泛采用的CTCS-3級列控系統，在列車運行控制區段、機車同步操控區段，以及與其他等級列控線路之間的轉換區段等，均應進行冗余無線覆蓋[12]。通過仿真系統的重疊覆蓋分析功能，不僅可以核查出鐵路沿線區域是否存在GSM-R信號未實現冗余覆蓋的情況，而且也能用于復雜線路區段的多信號覆蓋特性研究[13]。

3 無線仿真原理

傳播模型是分析無線信號覆蓋特性的理論基礎，也是實現計算機無線仿真的數學原理[14]。在鐵路GSM-R無線仿真中，主要研究信號受到傳播路徑上的障礙物遮擋后，所產生的空間大尺度衰落變化，所以通常采用修正的Okumura-Hata模型作為傳播模型進行計算[15]。

Okumura-Hata模型的城市市區基本傳播損耗Lb的中值公式如下

Lb=69.55+26.16lgf-13.82lghb+

(44.9-6.55lghb)lgd-α(hm)

(1)

其中，f為無線信號的工作頻率，由于GSM-R為下行受限系統，下行頻段930～934 MHz，故可將f取值為932 MHz；hb為基站天線有效高度，m，定義為基站天線與移動臺天線之間的高度差，根據鐵路工程中基站天線通常掛設在距鐵塔頂2 m的一層平臺上，hb的計算方法為基站與移動臺位置的海拔高度差加上鐵塔高度再減去2 m；d為傳播距離，km，定義為基站與接收機之間的直線距離，可根據二者坐標位置計算；α(hm)為移動臺天線高度因子，計算公式視城市規模而不同；hm為移動臺天線有效高度，m，GSM-R手持終端可取值為1.5 m，GSM-R車載終端可取值為10 m。考慮到高速鐵路的明區間通常不會穿越大型城市，故應選取適用于中小城市的計算公式，具體如下

α(hm)=(1.11lgf-0.7)hm-(1.56lgf-0.8)

(2)

此外，還可根據鐵路線路區段具體地形地貌，附加郊區、開闊地、準開闊地、農村、丘陵地等校正因子，以修正傳播損耗Lb的計算結果[16]。

根據基站與移動臺之間傳播損耗計算結果，即可對前文所述的3種分析功能進行仿真計算。

(1)無線場強覆蓋分析功能

無線場強覆蓋分析需要利用基站布點方案，分別計算出各基站在鐵路沿線各位置處的無線信號場強值，并將各處的信號場強最大值以分層設色法的形式進行繪圖展示。

(2)C/I指標分析功能

根據C/I指標的定義，計算一個位置的C/I指標需要先計算出該處的載波信號場強值與干擾信號場強值。考慮到非樞紐地區GSM-R無線信號通常為線狀覆蓋，并且采用高電平切換的方式[17]，可將該處場強值最大的信號判定為載波信號，其余信號判定為干擾信號，則按照公式(3)即可計算出該處的C/I指標，并以分層設色法的形式進行繪圖展示。

(3)

式中，Lp(i)表示位置p處接收到的第i個無線信號的場強值；imax表示場強值最大的無線信號序號。

需要說明的是，根據GSM-R制式的線狀覆蓋特點，19個頻點可以劃分成6個三頻點小組，按照冗余覆蓋方式下基站間隔約3.5 km、每個基站占用1個三頻點小組，于是非樞紐地區的頻點復用距離可以達到6×3.5 km=21 km。因此，在非樞紐地區場景下，才可對GSM-R系統內的同頻干擾忽略不計，進行前文所述的C/I指標分析。

(3)重疊覆蓋分析功能

重疊覆蓋指標定義為一個位置可接收到有用電平的數量，需要對該位置接收到的所有無線信號先判斷是否達到預設的電平門限值，然后再進行計數統計，最后以分層設色法的形式進行繪圖展示。本文將電平門限值設定為-70 dBm。

(4)分布式基站共小區的處理方法

在許多既有線GSM-R改造工程中，經常采用分布式基站(RRU)共小區組網的方式[18]，即多個不同址的基站雖然分別設有發射機，但基站之間可以共用頻點、不發生切換，等效為一個小區[19]。對于前文所述的3種無線仿真功能，只有C/I指標分析功能需對采用共小區方式組網的基站進行特殊處理。盡管共小區內非主用發射機的信號與主用信號同頻，但是RRU可通過自適應均衡技術消除此類干擾，故計算公式(3)中干擾信號場強值時，應去除共小區內的非主用信號。

4 數據接口處理

GSM-R仿真系統所需的輸入數據主要為提供地理信息的三維電子地圖，以及提供基站信息的GSM-R系統設計方案。系統開發前，需要對上述數據與系統功能之間的接口進行設計。

4.1 三維電子地圖數據接口

(4)

(5)

式中，X為中央子午線弧長；N為卯酉圈曲率半徑；t=tanB；l=L-L0為經度L與該位置中央子午線經度L0之差；ρ=180×3 600/π，rad·s；η2=e′2cos2B；e′為地球橢球第二偏心率。

4.2 GSM-R系統方案數據接口

為了實現仿真計算，GSM-R系統設計方案需采用數據格式表達。該格式根據軟件開發的具體需求制定，并且盡量與成熟商業軟件的數據輸入形式保持一致，以提供最大化的數據兼容條件和批量導入的數據基礎。

本文提出的GSM-R仿真系統采用EXCEL軟件標準的xlsx格式存儲GSM-R系統的發射站數據，包括基站、直放站和分布式基站等，數據組織形式為“9列×N行”，每個發射站占用1行，9列數據的內容要求如下。

第1列為發射站名稱：要求采用北京鐵路通信技術中心規定的GSM-R數據編號方案標準命名方法，如QingHe、QH-SH01、BeiJingBeiA/R1。

第2列為發射站經度：要求采用度分秒格式，即xx°xx′xx″，秒級的xx可以為小數或整數，也兼容北京鐵路通信技術中心要求的度分格式，即xx°xx′，分級的xx可以為小數或整數。

第3列為發射站緯度：要求采用度分秒格式，即xx°xx′xx″，秒級的xx可以為小數或整數，也兼容北京鐵路通信技術中心要求的度分格式，即xx°xx′，分級的xx可以為小數或整數。

第4列為發射站天線掛高：要求填寫天線安裝位置距離地面的高度。

第5列為發射站發射功率：要求填寫從發射站天線實際發射的無線信號功率，單位為dBm。

第6～9列為天線方向角：最多支持4面天線的配置，要求順序填寫天線的掛設方向角，方向角度以正北方向作為0°、以順時針為正方向，當天線數量不足4面時，可做留空處理。

5 系統開發與測試

將MATLAB作為GSM-R仿真系統的開發平臺，按照前述仿真原理編寫代碼，然后測試軟件的各項功能，并與線路實際測試結果相對照，驗證軟件輸出結果的準確性。以京張高鐵工程中無線環境較為復雜的新八達嶺隧道出口至東花園北站區段與延慶支線組成的三岔口區域作為樣例[20]，進行測試說明與結果分析。

5.1 系統流程

GSM-R仿真系統的流程為單序列形式，各項功能按順序逐個執行，如圖1所示。

圖1 GSM-R仿真系統流程

5.2 無線場強覆蓋分析功能測試

測試區域的無線場強覆蓋分析計算結果如圖2所示，圖2中各基站/直放站覆蓋的目標區域內沒有出現低于-95 dBm的弱場情況，滿足設計規范中對于最小可用接收電平值的要求。

圖2 無線場強覆蓋分析功能測試結果

5.3 C/I指標分析功能測試

測試區域C/I指標分析的仿真計算結果如圖3所示，圖3中鐵路沿線的無線信號C/I值均滿足規范中鄰頻不小于-6 dB的要求，并且臨站之間的切換區位置在圖中也可清晰分辨。此外，圖中所示紅色區域的C/I值小于-6 dB，雖然該區域距線路還有一段距離，但實際網絡優化中也應重點關注該區域，避免干擾信號范圍擴大，影響線路上的無線覆蓋質量。

圖3 C/I指標分析功能測試結果

5.4 重疊覆蓋分析功能測試

測試區域重疊覆蓋分析的仿真計算結果如圖4所示，鐵路沿線各處的重疊覆蓋指標均不低于2，即圖中藍色和黃色所示區域，這與京張高鐵無線通信設計方案采用單網交織的冗余覆蓋方式相吻合。

圖4 重疊覆蓋分析功能測試結果

5.5 仿真結果與實測結果對比分析

圖5為本文選取的樣例測試區域現場實測結果，圖表數據來自于京張高鐵工程聯調聯試階段時的動檢車無線測試系統截圖。通過對比分析仿真結果與實測結果，可以得到如下結論。

圖5 京張高鐵樣例測試區域的現場實測結果

(1)該區域無線信號接收電平均在-70 dBm以上，并且在基站BDLXXLS-DHYB03附近因處于東花園隧道進口區域而出現一定的信號衰落，與圖2所示的無線場強覆蓋仿真分析結果一致。

(2)該區域內臨站之間的實際切換位置與圖3通過C/I指標仿真分析得到的切換位置一致。

(3)該區域內超過門限電平-70 dBm的GSM-R無線信號數量也與圖4通過重疊覆蓋仿真分析得到的統計結果一致。

綜上所述，本文提出的基于實地模型的GSM-R仿真系統在測試樣例上輸出結果與現場實測結果一致，證明了該系統方案的有效性。

6 結論與展望

近年來，GSM-R無線通信系統已經成為新建鐵路的標準配置，而采用無線列車調度系統的既有鐵路也在逐步開展GSM-R升級改造，基于實地模型的無線通信(用于GSM-R)仿真設計系統作為一項具有鐵路行業專業性的研究課題，能夠通過分層設色的形式直觀展示出發射站無線場強、C/I指標及重疊覆蓋等信息，為管理人員審查方案提供保障，為設計人員優化方案提供依據，為施工人員執行方案提供便利。

在后續研究工作中，一方面應當充分利用設計圖紙、GIS資料現場實測數據等附加信息，進一步提高GSM-R仿真系統的計算精度；另一方面，也應當積極關注鐵路行業的無線技術革新，探索未來5G-R系統的仿真新方法，并打造鐵路專網無線覆蓋貫穿規劃、設計、管理、施工、驗收、運營、維護、改造全生命周期的數字孿生體。