450 MHz無線列調(diào)覆蓋范圍與天線掛高預(yù)測(cè)的研究

陳榮超

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司鄭州分院，鄭州 450001)

1 概述

隨著國內(nèi)鐵路建設(shè)步入“高速時(shí)代”，450 MHz列車無線調(diào)度通信系統(tǒng)功能單一、頻率利用率低、容量有限、話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)爭(zhēng)搶信道、傳輸可靠性低、數(shù)據(jù)傳輸能力差[1]等缺點(diǎn)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(diào)系統(tǒng)改建為GSM-R 系統(tǒng)。但目前采用450 MHz 無線列調(diào)系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)，并考慮為未來的G 網(wǎng)改造預(yù)留條件。

在實(shí)際工程項(xiàng)目中，450 MHz 無線列調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需預(yù)測(cè)天線掛高、鐵塔高度等作為前期計(jì)算工程量及投資的依據(jù)。而目前在450 MHz 無線列調(diào)系統(tǒng)中對(duì)天線掛高的預(yù)測(cè)多通過以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)規(guī)范也并沒有說明具體的預(yù)測(cè)方法，可參照完整、明晰的預(yù)測(cè)方法也幾乎沒有，往往會(huì)造成前期設(shè)計(jì)不能很好的完成后期實(shí)際工程應(yīng)用。針對(duì)此類問題，依托接軌隴海線的某專用鐵道工程，對(duì)450 MHz 無線列調(diào)覆蓋范圍與天線掛高預(yù)測(cè)進(jìn)行研究，并制作一預(yù)測(cè)軟件，能有效降低設(shè)計(jì)人員的工作量并提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度，為今后此類工程提供設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

2 工程概況

本項(xiàng)目位于江蘇省連云港市境內(nèi)，線路經(jīng)過區(qū)地貌上屬濱海沖積平原，總體上呈北高南低，地勢(shì)較平坦，自然地面標(biāo)高3.00 ～4.00 m，自然坡度小。

本項(xiàng)目專用鐵道接軌于徐圩港區(qū)支線，徐圩港區(qū)支線接軌于隴海線云臺(tái)山站，采用450 MHz 的B制式無線列調(diào)系統(tǒng)，納入隴海線既有無線列調(diào)系統(tǒng)中。專用鐵道行車方式為按行車辦理，設(shè)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(xiàng)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(yù)測(cè)方法

電磁波的發(fā)射和接收都要通過天線來實(shí)現(xiàn)，基站的發(fā)射功率經(jīng)過饋線到達(dá)天線，經(jīng)天線放大發(fā)射出去，經(jīng)過空間傳播，再經(jīng)機(jī)車臺(tái)天線到達(dá)接收機(jī)。正常情況下，綜合考慮到各種損耗等因素，車站臺(tái)發(fā)射功率P 和機(jī)車臺(tái)最小接收電平V 應(yīng)滿足公式（1）。

公式（1）中：

P 為車站臺(tái)發(fā)射功率，dBμ。以應(yīng)用較為廣泛的鴻雁牌TW-42Uz 型車站臺(tái)[2]為例，該車站臺(tái)發(fā)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(diào)系統(tǒng)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(fā)射功率取10 W（設(shè)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(jī)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(tái)天線增益，取8.5 dB。

G2為機(jī)車臺(tái)天線增益，取0 dB。

△為其他損耗，取5 dB。其中每個(gè)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(chǔ) 備 量， 取6.5 dB。其中發(fā)射功率下降3 dB，接收機(jī)靈敏度惡化2 dB，失配損失1.5 dB。

3.1 傳輸損耗計(jì)算

在無線通信系統(tǒng)中，電波是在非規(guī)則、非單一的環(huán)境中傳播，隨著傳播距離的增大，接收到的信號(hào)強(qiáng)度逐漸減小[3]。我國幅員遼闊，一條鐵路干線通常會(huì)經(jīng)歷準(zhǔn)光滑、丘陵和山地等地形地貌以及市區(qū)、郊區(qū)、開闊區(qū)、林區(qū)等人為環(huán)境，不同的地形地貌和人為環(huán)境都會(huì)造成衰減速率的不同，這就使得450 MHz 無線列調(diào)傳播路徑非常復(fù)雜。因此在估算傳輸損耗時(shí)，首先應(yīng)針對(duì)鐵路沿線不同的地形地貌和人為環(huán)境選擇適合的無線傳播模型來進(jìn)行分析。

本工程地形的傳輸損耗可依據(jù)GB/T 14617.1-2012[4]中場(chǎng)強(qiáng)中值預(yù)測(cè)模式下的準(zhǔn)光滑地形上鄉(xiāng)村公路的基本傳輸損耗來預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)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(tái)天線高度，m；

hm為移動(dòng)臺(tái)天線高度，m；

d 為移動(dòng)臺(tái)到基臺(tái)的距離，km；

r 為遠(yuǎn)距離傳播修正因子，計(jì)算方法見公式（3）：

a(hm)為移動(dòng)臺(tái)天線高度增益因子，dB。計(jì)算方法見公式（4）。

GB/T 14617.1-2012 中的基本傳輸損耗預(yù)測(cè)公式是根據(jù)大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)、分析、總結(jié)得到的經(jīng)驗(yàn)公式，嚴(yán)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(jī)車電臺(tái)接收電平中值預(yù)測(cè)

TB 1876-87[5]1.2 規(guī) 定：“450 MHz 頻 段 最 小可用接收電平在一個(gè)調(diào)度區(qū)段內(nèi)按95%或90%的地點(diǎn)和時(shí)間概率。機(jī)車電臺(tái)接收機(jī)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(yīng)不小于0 dBμ(1μV)。”

根據(jù)上述規(guī)定， 本項(xiàng)目時(shí)間及地點(diǎn)概率都取95%，并且取機(jī)車電臺(tái)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(yù)測(cè)公式是在時(shí)間及地點(diǎn)概率都為50%的情況下預(yù)測(cè)，這就需要根據(jù)Vmin(95%,95%)等效推出Vmin(50%,50%)（時(shí)間及地點(diǎn)概率都取50%時(shí)機(jī)車電臺(tái)最小接收電平）。

目前450 MHz 機(jī)車臺(tái)天線多采用加感垂直接地振子天線。根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)的定義，若被研究點(diǎn)上接收天線方向與電場(chǎng)強(qiáng)度E(V/m)平行，則有效長(zhǎng)度為le(m)的天線端感應(yīng)的電壓e=E×le[6]，可得到接收機(jī)接收電平與該處場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系式（5）：

同一根天線根據(jù)公式（5）可得：ΔE=E(50%,50%)－E(95%,95%)=V(50%,50%)－V(95%,95%)=ΔV，即時(shí)間及地點(diǎn)概率分別取95%與50%時(shí)，最小接收電平的差值ΔV與場(chǎng)強(qiáng)的差值ΔE 相等，從而可根據(jù)ΔE 計(jì)算出Vmin(50%,50%)。

3.3 空間和時(shí)間域內(nèi)的衰落深度計(jì)算

依據(jù)GB/T 14617.1-2012 的7.1，時(shí)間及地點(diǎn)概率都取95%的業(yè)務(wù)場(chǎng)強(qiáng)（即在接收點(diǎn)所收到的有用信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)）可用公式（6）計(jì)算。

公式（6）中：

L 為地點(diǎn)概率，%；T 為時(shí)間概率，%。

Ed(L,T)為預(yù)測(cè)地點(diǎn)概率和時(shí)間概率分別為L(zhǎng)%和T%的業(yè)務(wù)場(chǎng)強(qiáng)，dB(μV/m)。

σLd、σTd為業(yè)務(wù)場(chǎng)強(qiáng)隨地點(diǎn)和時(shí)間的變化的標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)概率有關(guān)的一個(gè)常數(shù)，k(T)為與時(shí)間概率有關(guān)的一個(gè)常數(shù)，可用公式（7）來計(jì)算，式中erf-1（ζ）為誤差函數(shù)的逆函數(shù)。

k(L)σLd和k(T)σTd可分別代表空間和時(shí)間域內(nèi)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(chǎng)強(qiáng)隨地點(diǎn)變化的標(biāo)準(zhǔn)偏差σL

σL：場(chǎng)強(qiáng)隨地點(diǎn)變化的標(biāo)準(zhǔn)偏差，dB。

對(duì)于農(nóng)村開闊區(qū)域：

對(duì)于平坦市區(qū)（100 MHz

對(duì)于50 km 以上的任意地形：

以上公式中：

Δh 為地形不規(guī)則度，單位m。即移動(dòng)臺(tái)到基臺(tái)方向10 km 范圍內(nèi)10%與90%的地形高度值的差，可以用地形剖面數(shù)據(jù)中剖面路徑、剖面高度的最大值和最小值之差的80%來簡(jiǎn)化計(jì)算。

λ 為波長(zhǎng)，單位m。λ=300/f。

3.3.2 場(chǎng)強(qiáng)隨時(shí)間變化的標(biāo)準(zhǔn)偏差σT

σT：場(chǎng)強(qiáng)隨時(shí)間變化的標(biāo)準(zhǔn)偏差，dB。

對(duì)于f<300 MHz：

3.4 天線掛高及覆蓋范圍預(yù)測(cè)

450 MHz 無線列調(diào)系統(tǒng)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋應(yīng)符合TB 10086-2009[7]3.3.3 規(guī)定：

1）兩相鄰車站電臺(tái)場(chǎng)強(qiáng)應(yīng)連續(xù)覆蓋。

2）車站電臺(tái)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋范圍應(yīng)為站距的50%～70%，且不得小于5 km；小于5 km 的區(qū)間應(yīng)覆蓋到鄰站；

3）兩相鄰車站電臺(tái)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋應(yīng)有500 m 以上的重疊區(qū)。

4）站間有局間交界處時(shí)，車站電臺(tái)的場(chǎng)強(qiáng)應(yīng)連續(xù)覆蓋至局界?！?/p>

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

當(dāng)hb=20 m 時(shí)，d ≤6.24 km，當(dāng)hb=25 m 時(shí)，d ≤6.96 km，當(dāng)hb=30 m 時(shí)，d ≤7.63 km，結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際情況及上述規(guī)范規(guī)定，當(dāng)天線掛高25 m 時(shí)即可滿足本項(xiàng)目無線覆蓋需求。由于隴海線正在進(jìn)行G 網(wǎng)改造，依據(jù)鐵總運(yùn)[2013]189 號(hào)文[8]的相關(guān)規(guī)定，建議將新設(shè)鐵塔高度及規(guī)格與G 網(wǎng)改造標(biāo)準(zhǔn)一致，新設(shè)車站調(diào)度交換機(jī)應(yīng)預(yù)留接入GSM-R 系統(tǒng)的條件，在保證現(xiàn)有無線列調(diào)正常運(yùn)行的情況下，為將來的改造預(yù)留條件。

4 預(yù)測(cè)軟件制作

以上預(yù)測(cè)過程參數(shù)多、公式繁瑣，本文使用Viusal C++6 軟件開發(fā)制作了一套預(yù)測(cè)軟件，軟件界面如圖2 所示。該軟件基于Windows 的微軟基礎(chǔ)類庫框架，創(chuàng)建對(duì)話框并添加各類控件，將各種地形地貌及人為環(huán)境的基本傳輸損耗預(yù)測(cè)公式及各類參數(shù)編寫到該軟件中。設(shè)計(jì)人員只需在界面中輸入或?qū)敫黝愊嚓P(guān)參數(shù)，就能通過該軟件自動(dòng)分析并預(yù)測(cè)出天線掛高和覆蓋范圍，能有效降低設(shè)計(jì)人員的工作量并提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。

5 結(jié)語

本文對(duì)準(zhǔn)光滑地形上類似鄉(xiāng)村公路的人為環(huán)境下非電氣化區(qū)段的天線安裝高度與場(chǎng)強(qiáng)覆蓋范圍做了細(xì)致、完整的研究，從以上推導(dǎo)過程可以看出，450 MHz 無線列調(diào)天線安裝高度與場(chǎng)強(qiáng)覆蓋范圍，除了受車站臺(tái)、天線、接收機(jī)本身的性能影響外，與是否電氣化區(qū)段、所處地形地貌和人為環(huán)境也有很大關(guān)系。其他如丘陵和山區(qū)等地形地貌、城區(qū)和開闊地等人為環(huán)境，也都可以結(jié)合本文推導(dǎo)過程并依據(jù)GB/T 14617.1-2012 給出的基本傳輸損耗預(yù)測(cè)公式來很好的預(yù)測(cè)。但本文是以國標(biāo)給出的經(jīng)驗(yàn)公式為依據(jù)，與實(shí)際工程情況會(huì)存在誤差，所以預(yù)測(cè)結(jié)果可作為工程前期計(jì)算工程量及投資較可靠的依據(jù)，后期等招標(biāo)完廠家并確定出產(chǎn)品參數(shù)后，需進(jìn)一步做深化設(shè)計(jì)，以及在工程安裝完成后根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果，通過調(diào)整天線安裝角度等措施使場(chǎng)強(qiáng)覆蓋達(dá)到最優(yōu)。

圖2 預(yù)測(cè)軟件界面Fig.2 Prediction software interface