高速鐵路GSM-R系統(tǒng)電波傳播場(chǎng)景分類與路徑損耗指數(shù)的求解

張 哲 徐 鈞 藺 偉

張 哲:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所 碩士研究生 100081 北京

徐 鈞:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所 研究員 100081 北京

藺 偉:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所 副研究員 100081 北京

無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋是高速鐵路GSM-R系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，場(chǎng)強(qiáng)覆蓋是保證通信質(zhì)量的先決條件，而無(wú)線電波傳播模型在無(wú)線覆蓋設(shè)計(jì)中起著重要的作用，對(duì)系統(tǒng)的通信質(zhì)量、干擾程度甚至對(duì)工程投資都有很大影響，特別是影響調(diào)度通信、CTCS-3級(jí)列控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用業(yè)務(wù)的可靠性。

經(jīng)過(guò)武廣、鄭西和京滬先導(dǎo)段綜合試驗(yàn)，目前，我國(guó)鐵路已經(jīng)逐步建立了高速鐵路典型平原和平原高架橋區(qū)段GSM-R系統(tǒng)電波大尺度傳播模型。但受沿線地形等工程條件所限，所得傳播模型具有一定的局限性。為此，結(jié)合高速鐵路的特點(diǎn)，對(duì)高速鐵路沿線電波傳播地形場(chǎng)景進(jìn)行初步劃分，提出大尺度路徑損耗指數(shù)的求解方法，并基于聯(lián)調(diào)聯(lián)試中取得的豐富數(shù)據(jù)擬合出各種典型地形場(chǎng)景下的路徑損耗指數(shù)取值。

1 高速鐵路電波傳播的衰落因素

當(dāng)列車在高速行進(jìn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)不同的地理環(huán)境時(shí)，會(huì)對(duì)列車接收到的場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)產(chǎn)生不同程度的影響，從而造成信號(hào)衰落，主要有以下因素。

1．反射。電波在傳播過(guò)程中遇到障礙物，當(dāng)電波的波長(zhǎng)小于障礙物的波長(zhǎng)時(shí)會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象，使得天線接收到的信號(hào)為合成波。具體而言，當(dāng)電波遇到地面、山體、隧道、河流或車體等介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生反射，反射也是多徑效應(yīng)中最為常見(jiàn)的現(xiàn)象。

2．折射。折射現(xiàn)象的發(fā)生會(huì)吸收入射電磁波的能量，使接收到的場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)衰減，特別是在不同介質(zhì)的表面，折射率的不同將大大影響發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)弱，在接收端同樣會(huì)有很大的差別。

3．繞射。當(dāng)電波的波長(zhǎng)與障礙物的波長(zhǎng)相近時(shí)，或當(dāng)電波撞擊到障礙物的邊緣時(shí)，會(huì)發(fā)生繞過(guò)障礙物的現(xiàn)象。不同的菲涅爾區(qū)，電波受損程度也不一樣。

4．散射。當(dāng)電波的波長(zhǎng)大于障礙物的波長(zhǎng)時(shí)會(huì)發(fā)生散射，散射后的電磁波將呈不規(guī)則狀態(tài)向四面?zhèn)鞑?。接收端的天線也很有可能收到散射后的波，散射發(fā)生的地點(diǎn)普遍集中在陡峭的山頂，不規(guī)則或有棱角的障礙物等。

5．多普勒效應(yīng)。針對(duì)高速移動(dòng)的車體，多普勒效應(yīng)的研究極為重要。以通信測(cè)試中不同廠家提供的測(cè)試模塊為例，如果設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的位移和相移，則通信測(cè)試中服務(wù)質(zhì)量的指標(biāo)會(huì)發(fā)生明顯不同。因此，行車中應(yīng)考慮多普勒效應(yīng)對(duì)電波傳播所造成的影響。

6．頻率干擾。當(dāng)不同的基站以相同或相近的頻率發(fā)射不同的信號(hào)時(shí)，會(huì)發(fā)生頻率干擾，同樣會(huì)影響服務(wù)質(zhì)量的達(dá)標(biāo)。鐵標(biāo)規(guī)定，相鄰小區(qū)控制信道及業(yè)務(wù)信道的頻率間隔不宜小于400 kHz，與此同時(shí)，鐵路下行頻段的邊緣頻率(930 MHz及934 MHz)應(yīng)及時(shí)做好清頻工作，防止其他業(yè)務(wù)的干擾。

7．接收設(shè)備因素。天饋線存在損耗，在建模時(shí)應(yīng)考慮在內(nèi)。

除了上述因素，還有其他因素也會(huì)影響高速鐵路場(chǎng)強(qiáng)變化。本文只對(duì)產(chǎn)生信號(hào)衰落的原因進(jìn)行定性描述，將根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究建模方法，難點(diǎn)在于能夠針對(duì)不同地形得出相應(yīng)的路徑損耗指數(shù)和均方差，并通過(guò)這些參數(shù)得到電波傳播的模型，為高速鐵路電波傳播的完整建模提供參考依據(jù)。

2 高速鐵路電波傳播場(chǎng)景劃分

2.1 平原高架橋

高架橋在新建高速鐵路中應(yīng)用廣泛，特別是在平原地區(qū)，高架橋的修建不僅保證了速度，而且為旅客提供了舒適度。就鐵路GSM-R通信領(lǐng)域而言，當(dāng)基站的參數(shù)調(diào)整合理，全線基站的切換關(guān)系設(shè)定正確后，移動(dòng)臺(tái)接收到的場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)是由基站直接傳播到移動(dòng)臺(tái)與少量經(jīng)過(guò)地面反射后再傳播到移動(dòng)臺(tái)形成的合成波。在平原地形條件下，由于基站與列車接收天線之間不存在任何障礙物，因此移動(dòng)臺(tái)接收到的合成波相對(duì)穩(wěn)定，其場(chǎng)強(qiáng)電平信號(hào)衰落緩慢，包絡(luò)完整，不會(huì)出現(xiàn)電平值突然衰落的現(xiàn)象。就單個(gè)基站，電波傳播的范圍在基站左右兩側(cè)能達(dá)到十幾公里，基站天線掛高與車頂?shù)拇怪本嚯x介于30～40 m，高架橋的高度在10 m以上，這樣的設(shè)計(jì)保證了鐵路通信的安全。

2.2 準(zhǔn)平原

準(zhǔn)平原是在平原高架橋模型基礎(chǔ)上延伸出的新地形，與平原高架橋開(kāi)闊的視距相比，準(zhǔn)平原地形稍有起伏，鐵路沿線的近距離兩側(cè)往往會(huì)有樹(shù)林、村莊或海拔不高的丘陵。由于電波大尺度模型考慮的是電波在幾公里到十幾公里的電平值衰落情況，因此準(zhǔn)平原地形具有平原特征，其應(yīng)用范圍也更廣。電波在準(zhǔn)平原地形傳播時(shí)，會(huì)因樹(shù)林、丘陵或村莊本身的影響發(fā)生不規(guī)律的折射和反射，與視距開(kāi)闊的平原高架橋相比，其發(fā)生反射、折射的程度也不一樣，得出的模型參數(shù)與平原相比存在差異。

2.3 路塹

路塹也是高速鐵路中常見(jiàn)的一種地形，由于不同地區(qū)的環(huán)境差異，路塹的設(shè)計(jì)并沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)格。當(dāng)列車運(yùn)行至路塹時(shí)，基站發(fā)射的信號(hào)在路塹處會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的反射和折射，部分路塹上方建設(shè)有橋梁，因此信號(hào)還可能發(fā)生折射和散射，使移動(dòng)臺(tái)接收到的信號(hào)受到嚴(yán)重的干擾。由于路塹設(shè)計(jì)規(guī)格的不統(tǒng)一，這種經(jīng)反射、折射和散射后的合成波并不能僅僅根據(jù)一次或者幾次的測(cè)量而簡(jiǎn)單的得出，路塹越深發(fā)生折射和反射的概率越大。另外，部分隧道的兩端和部分山區(qū)同樣會(huì)設(shè)置路塹來(lái)保證列車運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，在這樣的前提下，研究路塹傳播模型時(shí)還應(yīng)該與隧道及山區(qū)的模型研究同時(shí)進(jìn)行。

2.4 車站

就通信領(lǐng)域的傳播模型而言，車站頂棚的存在會(huì)嚴(yán)重影響基站與移動(dòng)臺(tái)之間電波的傳播，因此反射、折射現(xiàn)象的研究對(duì)于車站傳播模型的合理性有著重要的意義。

對(duì)于不同類型的車站而言，車站本身的規(guī)模，車站頂棚對(duì)于基站發(fā)送信號(hào)的影響范圍，車站基站發(fā)射功率的變化，列車本身速度的變化(列車在車站時(shí)，速度明顯降低或處于靜止?fàn)顟B(tài))是研究車站電波傳播模型的四個(gè)要素，建立車站電波傳播模型時(shí)，需綜合考慮上述因素。

2.5 水面橋梁與水域

當(dāng)列車經(jīng)過(guò)水面橋梁時(shí)，橋梁本身的結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)電波傳播造成一定的影響。同時(shí)，橋梁橫跨大江、大河，水面反射與地面發(fā)射明顯不同，參數(shù)也會(huì)因反射和折射介質(zhì)的不同而存在差異。如果橋梁本身長(zhǎng)度過(guò)短，則不應(yīng)單獨(dú)列為橋梁模型，應(yīng)歸于該區(qū)段主要的地形。在我國(guó)南方水田、河流縱橫地區(qū)，雖然列車沒(méi)有經(jīng)過(guò)橋梁，但電波傳播同樣會(huì)發(fā)生大量的水面反射與折射，因此其損耗程度也應(yīng)發(fā)生相應(yīng)的變化。

2.6 隧道

為了滿足隧道內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)，隧道內(nèi)增設(shè)了直放站，這些直放站與通常位于隧道口任意一端的基站相連，發(fā)射同頻信號(hào);當(dāng)隧道的長(zhǎng)度大于隧道內(nèi)一個(gè)直放站所能覆蓋的場(chǎng)強(qiáng)范圍時(shí)，需要增加直放站數(shù)量，幾個(gè)直放站與隧道口一端的基站相串聯(lián)，發(fā)射相同頻率的信號(hào)。因此在研究隧道的電波傳播模型時(shí)，應(yīng)考慮到基站和直放站對(duì)于電波傳播模型所帶來(lái)的聯(lián)合影響，區(qū)分出基站不含直放站、基站包含直放站條件下電波傳播的差異。

在隧道內(nèi)，由于隧道封閉的結(jié)構(gòu)，電波在隧道內(nèi)傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射，反射發(fā)生的次數(shù)與概率較平原相比明顯增強(qiáng)。

在列車運(yùn)行的過(guò)程中，由于電波傳播場(chǎng)景的瞬間變化，隧道口兩端的傳播特性同樣值得研究。通常情況下，當(dāng)隧道口為路塹時(shí)，由于路塹不是全封閉的結(jié)構(gòu)，因此發(fā)生反射的概率較隧道內(nèi)而言會(huì)有明顯的下降，如果移動(dòng)臺(tái)接收到信號(hào)同樣產(chǎn)生明顯衰落，則肯定會(huì)對(duì)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋的達(dá)標(biāo)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。當(dāng)隧道口兩端為其他地形時(shí)，原理與之類似。因此需要對(duì)隧道口兩端的電波傳播模型做細(xì)致的分析。

2.7 山區(qū)

山區(qū)直放站的性質(zhì)與隧道類似，與隧道不同的是，電波在山區(qū)傳播時(shí)，天線除了可能會(huì)接收到基站不經(jīng)反射直接發(fā)送的電波，以及經(jīng)過(guò)地面反射后的電波之外，還會(huì)接收到來(lái)自山體反射的電波，這個(gè)新疊加進(jìn)來(lái)的波與路塹地形中路塹本身對(duì)電波的反射相似，但反射傳播的距離相對(duì)更遠(yuǎn)。由于介質(zhì)的不同，由折射而引起的能量損耗不一樣，疊加之后合成波的能量損耗也不同。當(dāng)軌道在山區(qū)存在較大的彎道時(shí)，如果基站的位置選取不當(dāng)，基站的俯仰角和方向角參數(shù)設(shè)置的不合理，山體可能會(huì)對(duì)發(fā)射的信號(hào)徹底阻擋，引起通信中斷。另外，山體大小、山體與鐵路線的相對(duì)距離和位置關(guān)系同樣需要考慮。

2.8 城市及城鎮(zhèn)

作為鐵路交通樞紐的城市，電波傳播模型的提出所需要考慮的主要問(wèn)題是城市環(huán)境的復(fù)雜性。在城市中，基站發(fā)射的電波在傳播過(guò)程中會(huì)經(jīng)過(guò)更多不同的遮擋體，從而發(fā)生更多的反射和折射。與平原相比，其難點(diǎn)在于發(fā)生折射和反射的不確定性。城鎮(zhèn)較城市而言繁華程度下降，但較平原高架橋而言又更容易發(fā)生折射和反射等物理現(xiàn)象。

在列車的實(shí)際運(yùn)行中，不同類型的地形往往交織在一起的，山區(qū)與隧道、路塹與隧道、車站與城市、山體與城鎮(zhèn)等等，會(huì)聯(lián)合起來(lái)影響電波的傳播，影響程度較單獨(dú)某個(gè)地形而言肯定有區(qū)別，本文只研究單獨(dú)地形環(huán)境下電波的傳播特性，后續(xù)的工作將根據(jù)具體需要分別展開(kāi)。

3 路徑損耗指數(shù)求解方法

3.1 路徑損耗指數(shù)n的求解方法

利用最小平方差估計(jì)方法:

其中，Q(0)是在X0(指距離基站1 km)處測(cè)得的電平初值。

d1－d0為被測(cè)基站到第一個(gè)樣本點(diǎn)的距離;y為天線掛高高度。因此X0為三角形斜邊長(zhǎng)度，即基站天線發(fā)射點(diǎn)到車頂接收天線距離。k為采樣點(diǎn)數(shù)?；镜借F路線的垂直距離一般在20 m以內(nèi)，較10 km的統(tǒng)計(jì)區(qū)間可以忽略不計(jì)。

將公式(1)對(duì)n求導(dǎo)后令其結(jié)果等于0，可求得n值。這個(gè)n值就是根據(jù)不同地形求得的路徑損耗指數(shù):

3.2 均方差σ2的求解方法

最后，對(duì)不同地形得出的路徑損耗指數(shù)n、均方差σ2進(jìn)行整理和歸納，得出與地形和環(huán)境因素相關(guān)的統(tǒng)計(jì)結(jié)論。

4 數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計(jì)方法

4.1 數(shù)據(jù)采集方法

搭載通信聯(lián)調(diào)聯(lián)試的測(cè)試系統(tǒng)，高速鐵路GSM-R系統(tǒng)電波大尺度傳播模型中，路徑損耗指數(shù)樣本采集工作的測(cè)試原理如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集方法原理圖

車頂接收天線收到來(lái)自基站的信號(hào)，并將該信號(hào)通過(guò)天饋線傳送到場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試儀，再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后由計(jì)算機(jī)處理生成“接收電平值-公里標(biāo)關(guān)系圖”。電平值、公里標(biāo)、車速、經(jīng)緯度等原始數(shù)據(jù)自動(dòng)生成并保存在txt文檔中。

4.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

根據(jù)不同類型的地形環(huán)境和沿線的基站布設(shè)方案。對(duì)任一地形而言，首先找到一個(gè)包含此地形的基站，針對(duì)該基站發(fā)射的信號(hào)，車頂接收天線每隔4 cm取一個(gè)樣本點(diǎn)(滿足奈奎斯特抽樣定理)，記為S(i)，每100 m進(jìn)行一次樣本點(diǎn)的95%時(shí)間地點(diǎn)概率條件的統(tǒng)計(jì)，這樣在這個(gè)區(qū)間內(nèi)一共能測(cè)得2500個(gè)樣本點(diǎn)，則該100 m的統(tǒng)計(jì)范圍所得出的新樣本點(diǎn)統(tǒng)計(jì)值為:

針對(duì)每種不同地形，需要考慮基站末端電平值的大小，依據(jù)《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》，GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋應(yīng)滿足95%時(shí)間地點(diǎn)概率條件下最小可用接收電平應(yīng)高于－92 dBm。因此以－92 dBm為臨界值來(lái)取Q(i)序列中的樣本數(shù)，當(dāng)某基站的遠(yuǎn)端電平值無(wú)法取到－92 dBm時(shí)，應(yīng)取遠(yuǎn)端的最小電平值代替。

結(jié)合聯(lián)調(diào)聯(lián)試的實(shí)測(cè)情況，對(duì)單個(gè)基站的一側(cè)，在每100 m取一個(gè)統(tǒng)計(jì)值的情況下，取7～15 km的統(tǒng)計(jì)值可使最后接收到的信號(hào)強(qiáng)度小于－92 dBm(不同地形環(huán)境下測(cè)試結(jié)果可能存在差異)。以10 km為例，一共可采集到100個(gè)與公里標(biāo)對(duì)應(yīng)的樣本點(diǎn)，將這些樣本點(diǎn)作為該基站一側(cè)的建模數(shù)據(jù)。

同一基站，可以進(jìn)行同向多次測(cè)量，對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行上下行分析。

5 測(cè)試結(jié)果

5.1 場(chǎng)強(qiáng)電平接收?qǐng)D

平原場(chǎng)強(qiáng)電平接收如圖2所示。

圖2 平原場(chǎng)強(qiáng)電平接收?qǐng)D

準(zhǔn)平原場(chǎng)強(qiáng)電平接收如圖3所示。

隧道內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)電平接收如圖4所示。

5.2 路徑損耗指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

按照不同地形場(chǎng)景條件對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，擬合出高速鐵路電波傳播大尺度模型的3個(gè)關(guān)鍵參數(shù):路徑損耗指數(shù)n、均方差及電平初值Q(0)，取距離基站1 km處，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

典型地形條件下的電波傳播數(shù)據(jù)樣本選取條件說(shuō)明如下。

圖3 準(zhǔn)平原場(chǎng)強(qiáng)電平接收?qǐng)D

圖4 隧道場(chǎng)強(qiáng)電平接收?qǐng)D

1．平原高架橋:該地形條件下，視距開(kāi)闊，在所取樣本數(shù)的區(qū)段幾乎沒(méi)有其他地形出現(xiàn)，地面幾乎沒(méi)有起伏，以農(nóng)田為主。

表1 高速鐵路GSM-R電波傳播路徑損耗指數(shù)統(tǒng)計(jì)

2．準(zhǔn)平原:選取樣本的區(qū)段視距較開(kāi)闊，靠近鐵軌沿線兩側(cè)往往有較緩的地形起伏。

3．路塹:只選取在整體路塹的地形條件下所得的數(shù)據(jù)樣本，不針對(duì)路塹規(guī)格進(jìn)行細(xì)致劃分。

4．山區(qū):樣本區(qū)段的山體應(yīng)對(duì)基站信號(hào)有明顯的遮擋或反射，并且在所取樣本數(shù)的區(qū)段存在大量的山體，山體的距離也應(yīng)靠近鐵路兩側(cè)，伴隨有路塹或小隧道的出現(xiàn)。

5．準(zhǔn)山區(qū):較山區(qū)地形而言，山體的高度和鐵路沿線的延伸度有所減弱，但所取樣本數(shù)區(qū)段的地形同樣應(yīng)以山區(qū)為主，同樣伴隨有路塹和小隧道的存在。

6．隧道:所取數(shù)據(jù)樣本位于沒(méi)有直放站的隧道，并且在所取樣本數(shù)區(qū)段的隧道應(yīng)為主要地形，即隧道應(yīng)大于山區(qū)或路塹，列車在該區(qū)段的運(yùn)行幾乎在隧道中。

7．水面橋梁:這里給出的橋梁為經(jīng)過(guò)大量水面的橋梁，水面反射與地面反射的差異導(dǎo)致路徑損耗指數(shù)較平原而言稍有差距，其所處地形應(yīng)以平原地形為主，分析橋梁時(shí)，往往需要結(jié)合其他地形共同考慮。

8．水域:在所取樣本數(shù)區(qū)段水域一直靠近鐵路沿線，可以看出當(dāng)水域可以對(duì)電波傳播造成影響時(shí)，其電平值下降緩慢，路徑損耗指數(shù)非常低。

9．城市與城鎮(zhèn):居民樓或其他建筑物在所取樣本數(shù)區(qū)段的鐵路沿線廣泛存在。

10．車站:車站基站的發(fā)射功率與其他地形相比往往較低，且由于雨棚的存在會(huì)使電磁波的能量受到一定程度的衰減。

6 結(jié)束語(yǔ)

高速鐵路不同地形場(chǎng)景條件下路徑損耗指數(shù)的提出，是建立高速鐵路GSM-R無(wú)線電波傳播模型的關(guān)鍵一步，有助于工程建設(shè)中針對(duì)地形環(huán)境改善基站的參數(shù)設(shè)置，優(yōu)化基站的布設(shè)方案。建立不同地理環(huán)境下的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)模型，再通過(guò)與最小可用電平相結(jié)合，有助于制定基站的合理化布設(shè)方案。

今后還需要對(duì)GSM-R無(wú)線傳播模型進(jìn)行完善和優(yōu)化，應(yīng)重點(diǎn)深化研究基站天線高度、俯仰角等參數(shù)對(duì)傳播模型的影響，讓復(fù)雜的傳播過(guò)程簡(jiǎn)單化、模型化，為工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

［1］聞?dòng)臣t．天線與電波傳播理論［M］．北京:清華大學(xué)出版社，北京交通大學(xué)出版社，2005．

［2］Bo Ai，Ruisi He，Zhangdui Zhong．RadioWave Propagation Scene Partitioning for High-Speed Rails．北京:State Key Laboratory of Rail Traffic Control and Safety，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China，2012．