基于BIM+GIS技術(shù)的GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化

崔俊峰，靳翔

（1.中鐵三局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司，山西 晉中 030600；2.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

場強(qiáng)是衡量GSM-R系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。在基站建設(shè)前，應(yīng)對電波傳播路徑損耗規(guī)律進(jìn)行研究，提高場強(qiáng)預(yù)測準(zhǔn)確度，避免網(wǎng)絡(luò)覆蓋弱區(qū)和盲區(qū)，防止基站過多造成人力、物力浪費(fèi)。但是，目前尚無合適工具用于準(zhǔn)確評估和預(yù)測GSM-R系統(tǒng)的場強(qiáng)覆蓋區(qū)域，各項(xiàng)相關(guān)任務(wù)都需手動完成。GIS+BIM技術(shù)是一個有效的解決方案，通過BIM技術(shù)可建立基站模型，而GIS技術(shù)可將底圖的空間和非空間數(shù)據(jù)結(jié)合，通過輸入、存儲、修改和分析空間數(shù)據(jù)庫，為場強(qiáng)預(yù)測模型提供必要的空間參數(shù)［1-4］。

1 路徑損耗模型選取

目前，常見的場強(qiáng)預(yù)測模型有COST-231-Walfisch-Ikegami、Dual-Slope、Ray-Tracing及 Hata等［5］。鑒于鐵路環(huán)境的復(fù)雜性，以及對GSM-R系統(tǒng)頻譜范圍的考慮，Hata模型成為GSM-R無線信道模型中最常用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ??；贖ata模型預(yù)測的中值路徑損耗計(jì)算如下：

（1）城市環(huán)境。

式中：A為近場參考點(diǎn)損耗值，dBm；B為遠(yuǎn)場參考點(diǎn)損耗值，dBm；f為基站頻率，MHz；hb為基站天線有效掛高，m；hm為移動臺天線有效掛高，m；d為接收端和發(fā)送端之間的傳輸距離，m；Lp為路徑損耗中值，dBm；a（hm）為移動天線修正因子。

計(jì)算a（hm）如下：

①大城市：

②中小城市：

（2）郊區(qū)環(huán)境。

式中：C為郊區(qū)環(huán)境下零場附近參考點(diǎn)損耗值，dBm。

（3）開闊環(huán)境。

式中：D為開闊地區(qū)下零場附近參考點(diǎn)損耗值，dBm；fc為郊區(qū)環(huán)境下基站頻率，MHz。

將某站平原地區(qū)實(shí)測數(shù)據(jù)（接收功率Pt=40 dBm，發(fā)射天線增益Gt=17 dBi，接收天線增益Gr=4 dBi，發(fā)射功率PL=20 dB，f=930 MHz，hb=35.0 m，hm=3.5 m）代入式（1）—式（10），在Hata模型中得到場強(qiáng)預(yù)測值。

Hata模型接收電平曲線見圖1，場強(qiáng)預(yù)測誤差見圖2。由圖可知，Hata模型場強(qiáng)預(yù)測值與實(shí)測值誤差范圍為25～-5 dBm，誤差較大。

圖1 Hata模型接收電平曲線

圖2 Hata模型場強(qiáng)預(yù)測誤差

由于Hata模型場強(qiáng)預(yù)測誤差較大，北京交通大學(xué)的鐘章隊(duì)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過大量試驗(yàn)運(yùn)算，對Hata模型進(jìn)行了修正［6］：

式中：Δ1為修正參數(shù)1；Δ2為修正參數(shù)2；Pr為接收功率，W；Pt為發(fā)射功率，W；Gb為發(fā)射天線增益，dBi；Gm為接收天線增益，dBi。

引入移動天線修正因子，根據(jù)式（11）計(jì)算各種環(huán)境中的路徑損耗中值（見表1）。

表1 各種環(huán)境引入移動天線修正因子的路徑損耗中值 dBm

將實(shí)測數(shù)據(jù)代入修正模型，得到場強(qiáng)預(yù)測值，接收電平曲線見圖3，場強(qiáng)預(yù)測誤差見圖4。由圖可知，修正后場強(qiáng)預(yù)測值與實(shí)測值誤差范圍為17～-5 dBm，其誤差小于Hata模型場強(qiáng)預(yù)測值，因此采用修正模型進(jìn)行場強(qiáng)預(yù)測。

圖3 修正模型接收電平曲線

圖4 修正模型場強(qiáng)預(yù)測誤差

2 場強(qiáng)預(yù)測

提出一種基于修正模型的GSM-R場強(qiáng)預(yù)測方法，其預(yù)測流程示意見圖5。

圖5 基于修正模型的GSM-R場強(qiáng)預(yù)測流程示意圖

在基于修正模型的GSM-R場強(qiáng)預(yù)測方法中，GIS技術(shù)可為場強(qiáng)預(yù)測模型提供空間地理參數(shù)，BIM技術(shù)可記錄基站信息，均為GSM-R無線組網(wǎng)方案優(yōu)化提供了參數(shù)。測試點(diǎn)的場強(qiáng)覆蓋顯示于GIS地圖，并對應(yīng)于相應(yīng)坐標(biāo)。利用ArcView和ArcGIS空間分析和統(tǒng)計(jì)及其腳本編程語言，可從無人機(jī)中導(dǎo)出基站環(huán)境、建筑地圖等場強(qiáng)預(yù)測所需數(shù)據(jù)；對基站和測試點(diǎn)之間的無線電視距和非視距進(jìn)行檢查。屬于每個測試點(diǎn)標(biāo)記為相應(yīng)基站無線信號視距傳輸（LOS）或非視距傳輸（NLOS）。在NLOS情況下，通過基站與測試點(diǎn)之間障礙物的部分參數(shù)（如山的海拔高度、建筑物的高度等）計(jì)算，預(yù)測該位置場強(qiáng)。

3 組網(wǎng)方案優(yōu)化

提出一種基于修正模型進(jìn)行場強(qiáng)預(yù)測GSM-R系統(tǒng)的組網(wǎng)方案的優(yōu)化方法，其流程示意見圖6。

圖6 GSM-R系統(tǒng)組網(wǎng)方案優(yōu)化流程示意圖

系統(tǒng)基站覆蓋方式采用交叉站址雙層覆蓋，根據(jù)修正的模型計(jì)算場強(qiáng)值并實(shí)時顯示基站場強(qiáng)，并對整個覆蓋情況進(jìn)行判別，當(dāng)場強(qiáng)低于接收靈敏度或上下行預(yù)算不平衡時，采用調(diào)整俯仰角、發(fā)射功率和天線高度的方式消除覆蓋盲區(qū)，確保信號靈敏度，防止同頻干擾，從而形成最優(yōu)的GSM-R組網(wǎng)方案：

（1）基站1。利用修正算法模型得到基站1原始場強(qiáng)值及其覆蓋面積（見圖7（a）），由圖可知，場強(qiáng)覆蓋面積并不理想；當(dāng)場強(qiáng)低于接收靈敏度或上下行預(yù)算不平衡時，將基站1載扇1方向角數(shù)值由0調(diào)整為144，載扇2方向角數(shù)值由120調(diào)整為346，由圖可知，場強(qiáng)覆蓋面積較理想（見圖7（b））；當(dāng)場強(qiáng)低于接收靈敏度或上下行預(yù)算不平衡時，將基站1載扇1下傾角數(shù)值由5.00調(diào)整成5.57（見圖7（c）），由圖可知，場強(qiáng)覆蓋面積較理想。

圖7 基站GIS圖

（2）基站2。基站2載扇1初始值見圖7（d）；調(diào)整基站2載扇1天線掛高為10 m（見圖7（e）），由圖可知，場強(qiáng)覆蓋面積減少，且同頻干擾減少；調(diào)整基站2載扇1頻率為30 MHz（見圖7（f）），由圖可知，場強(qiáng)覆蓋面積減少，且同頻干擾減少。

4 結(jié)束語

基于修正優(yōu)化算法的GSM-R無線信道模型，建立BIM基站模型，融合無人機(jī)、GIS技術(shù)，在GIS地圖上加載BIM模型，實(shí)現(xiàn)GSM-R系統(tǒng)覆蓋可視化［7-10］。結(jié)合修正信道模型算法，通過對GSM-R系統(tǒng)的組網(wǎng)方案模擬和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)GSM-R系統(tǒng)組網(wǎng)方案優(yōu)化。實(shí)踐證明，BIM+GIS可視化技術(shù)對GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化有著重大意義，并能在一定程度上節(jié)省工程預(yù)算。