基于實(shí)地模型的GSM-R仿真系統(tǒng)研究

趙一穎,姜志威

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 研究背景及意義

鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)(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(diào)度通信、列車控制數(shù)據(jù)傳輸、車次號(hào)傳輸、區(qū)間移動(dòng)公務(wù)通信、應(yīng)急指揮通信等功能。相比于公眾網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)線狀覆蓋，并且在組網(wǎng)架構(gòu)、占用帶寬等方面也存在較大差異?？梢?，在方案研究、工程設(shè)計(jì)、項(xiàng)目審批、施工建設(shè)、運(yùn)維管理等各階段做好GSM-R仿真分析，對(duì)鐵路安全生產(chǎn)具有重要的意義。

目前，通信行業(yè)常用的幾種無線網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)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(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件NeST等。設(shè)備廠商一般也會(huì)有自己仿真系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件均不能直接支持GSM-R仿真[4]。盡管通過繁瑣的參數(shù)配置仍可利用上述軟件實(shí)現(xiàn)GSM-R仿真的部分功能，但使用商業(yè)軟件處理高精度鐵路沿線實(shí)地模型卻存在信息安全隱患。因此，研究基于實(shí)地模型的GSM-R仿真系統(tǒng)對(duì)我國鐵路行業(yè)是必要和迫切的。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

GSM-R仿真系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)應(yīng)貼合鐵路行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用需求，重點(diǎn)關(guān)注切換、干擾[5]、冗余覆蓋等關(guān)鍵性問題。根據(jù)TB10088—2015《鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM-R)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]中規(guī)定的無線覆蓋要求和特性指標(biāo)，確定基于實(shí)地模型的GSM-R仿真系統(tǒng)需具備以下功能。

(1)無線場強(qiáng)覆蓋分析功能

鐵路沿線實(shí)現(xiàn)GSM-R無線信號(hào)的有效覆蓋是一項(xiàng)基本要求[7]，無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案應(yīng)滿足接收機(jī)天線輸入端射頻信號(hào)最小可用接收電平不低于規(guī)范中要求的數(shù)值。例如，當(dāng)列車設(shè)計(jì)速度超過280 km/h時(shí)，在時(shí)間、地點(diǎn)統(tǒng)計(jì)概率95%的條件下，列控類業(yè)務(wù)要求最小可用接收電平應(yīng)不低于-92 dBm，而話音及非列控類業(yè)務(wù)則要求不低于-98 dBm。通過仿真系統(tǒng)無線場強(qiáng)覆蓋分析功能，可以核查鐵路沿線區(qū)域是否存在GSM-R信號(hào)最小可用接收電平不滿足規(guī)范要求的情況[8]。

(2)C/I指標(biāo)分析功能

GSM-R系統(tǒng)的工作頻率帶寬為4 MHz，采用等間隔配置方法劃分為19個(gè)頻點(diǎn)[9]，頻點(diǎn)間隔僅有200 kHz。無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主要應(yīng)避免同頻和鄰頻干擾，干擾會(huì)引起誤碼增加、話音質(zhì)量下降、數(shù)據(jù)傳輸差錯(cuò)率上升，影響行車安全[10]。C/I指標(biāo)即載干比，定義為接收到的有用信號(hào)電平與所有非有用信號(hào)電平的比值[11]。設(shè)計(jì)規(guī)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(tǒng)的C/I指標(biāo)分析功能，就可以直接分析GSM-R系統(tǒng)自身的信號(hào)干擾特性，或者結(jié)合無線場強(qiáng)測(cè)試結(jié)果，分析GSM-R系統(tǒng)在實(shí)地環(huán)境中的信號(hào)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(tǒng)的不斷革新，對(duì)于GSM-R無線通信的技術(shù)要求也在同步提升。目前國內(nèi)高速鐵路廣泛采用的CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)，在列車運(yùn)行控制區(qū)段、機(jī)車同步操控區(qū)段，以及與其他等級(jí)列控線路之間的轉(zhuǎn)換區(qū)段等，均應(yīng)進(jìn)行冗余無線覆蓋[12]。通過仿真系統(tǒng)的重疊覆蓋分析功能，不僅可以核查出鐵路沿線區(qū)域是否存在GSM-R信號(hào)未實(shí)現(xiàn)冗余覆蓋的情況，而且也能用于復(fù)雜線路區(qū)段的多信號(hào)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(hào)覆蓋特性的理論基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)無線仿真的數(shù)學(xué)原理[14]。在鐵路GSM-R無線仿真中，主要研究信號(hào)受到傳播路徑上的障礙物遮擋后，所產(chǎn)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(jìn)行計(jì)算[15]。

Okumura-Hata模型的城市市區(qū)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(hào)的工作頻率，由于GSM-R為下行受限系統(tǒng)，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(dòng)臺(tái)天線之間的高度差，根據(jù)鐵路工程中基站天線通常掛設(shè)在距鐵塔頂2 m的一層平臺(tái)上，hb的計(jì)算方法為基站與移動(dòng)臺(tái)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(jī)之間的直線距離，可根據(jù)二者坐標(biāo)位置計(jì)算；α(hm)為移動(dòng)臺(tái)天線高度因子，計(jì)算公式視城市規(guī)模而不同；hm為移動(dòng)臺(tái)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?？紤]到高速鐵路的明區(qū)間通常不會(huì)穿越大型城市，故應(yīng)選取適用于中小城市的計(jì)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(jù)鐵路線路區(qū)段具體地形地貌，附加郊區(qū)、開闊地、準(zhǔn)開闊地、農(nóng)村、丘陵地等校正因子，以修正傳播損耗Lb的計(jì)算結(jié)果[16]。

根據(jù)基站與移動(dòng)臺(tái)之間傳播損耗計(jì)算結(jié)果，即可對(duì)前文所述的3種分析功能進(jìn)行仿真計(jì)算。

(1)無線場強(qiáng)覆蓋分析功能

無線場強(qiáng)覆蓋分析需要利用基站布點(diǎn)方案，分別計(jì)算出各基站在鐵路沿線各位置處的無線信號(hào)場強(qiáng)值，并將各處的信號(hào)場強(qiáng)最大值以分層設(shè)色法的形式進(jìn)行繪圖展示。

(2)C/I指標(biāo)分析功能

根據(jù)C/I指標(biāo)的定義，計(jì)算一個(gè)位置的C/I指標(biāo)需要先計(jì)算出該處的載波信號(hào)場強(qiáng)值與干擾信號(hào)場強(qiáng)值?？紤]到非樞紐地區(qū)GSM-R無線信號(hào)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(qiáng)值最大的信號(hào)判定為載波信號(hào)，其余信號(hào)判定為干擾信號(hào)，則按照公式(3)即可計(jì)算出該處的C/I指標(biāo)，并以分層設(shè)色法的形式進(jìn)行繪圖展示。

(3)

式中，Lp(i)表示位置p處接收到的第i個(gè)無線信號(hào)的場強(qiáng)值；imax表示場強(qiáng)值最大的無線信號(hào)序號(hào)。

需要說明的是，根據(jù)GSM-R制式的線狀覆蓋特點(diǎn)，19個(gè)頻點(diǎn)可以劃分成6個(gè)三頻點(diǎn)小組，按照冗余覆蓋方式下基站間隔約3.5 km、每個(gè)基站占用1個(gè)三頻點(diǎn)小組，于是非樞紐地區(qū)的頻點(diǎn)復(fù)用距離可以達(dá)到6×3.5 km=21 km。因此，在非樞紐地區(qū)場景下，才可對(duì)GSM-R系統(tǒng)內(nèi)的同頻干擾忽略不計(jì)，進(jìn)行前文所述的C/I指標(biāo)分析。

(3)重疊覆蓋分析功能

重疊覆蓋指標(biāo)定義為一個(gè)位置可接收到有用電平的數(shù)量，需要對(duì)該位置接收到的所有無線信號(hào)先判斷是否達(dá)到預(yù)設(shè)的電平門限值，然后再進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，最后以分層設(shè)色法的形式進(jìn)行繪圖展示。本文將電平門限值設(shè)定為-70 dBm。

(4)分布式基站共小區(qū)的處理方法

在許多既有線GSM-R改造工程中，經(jīng)常采用分布式基站(RRU)共小區(qū)組網(wǎng)的方式[18]，即多個(gè)不同址的基站雖然分別設(shè)有發(fā)射機(jī)，但基站之間可以共用頻點(diǎn)、不發(fā)生切換，等效為一個(gè)小區(qū)[19]。對(duì)于前文所述的3種無線仿真功能，只有C/I指標(biāo)分析功能需對(duì)采用共小區(qū)方式組網(wǎng)的基站進(jìn)行特殊處理。盡管共小區(qū)內(nèi)非主用發(fā)射機(jī)的信號(hào)與主用信號(hào)同頻，但是RRU可通過自適應(yīng)均衡技術(shù)消除此類干擾，故計(jì)算公式(3)中干擾信號(hào)場強(qiáng)值時(shí)，應(yīng)去除共小區(qū)內(nèi)的非主用信號(hào)。

4 數(shù)據(jù)接口處理

GSM-R仿真系統(tǒng)所需的輸入數(shù)據(jù)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(tǒng)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)開發(fā)前，需要對(duì)上述數(shù)據(jù)與系統(tǒng)功能之間的接口進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.1 三維電子地圖數(shù)據(jù)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(jīng)度L與該位置中央子午線經(jīng)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(tǒng)方案數(shù)據(jù)接口

為了實(shí)現(xiàn)仿真計(jì)算，GSM-R系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案需采用數(shù)據(jù)格式表達(dá)。該格式根據(jù)軟件開發(fā)的具體需求制定，并且盡量與成熟商業(yè)軟件的數(shù)據(jù)輸入形式保持一致，以提供最大化的數(shù)據(jù)兼容條件和批量導(dǎo)入的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

本文提出的GSM-R仿真系統(tǒng)采用EXCEL軟件標(biāo)準(zhǔn)的xlsx格式存儲(chǔ)GSM-R系統(tǒng)的發(fā)射站數(shù)據(jù)，包括基站、直放站和分布式基站等，數(shù)據(jù)組織形式為“9列×N行”，每個(gè)發(fā)射站占用1行，9列數(shù)據(jù)的內(nèi)容要求如下。

第1列為發(fā)射站名稱：要求采用北京鐵路通信技術(shù)中心規(guī)定的GSM-R數(shù)據(jù)編號(hào)方案標(biāo)準(zhǔn)命名方法，如QingHe、QH-SH01、BeiJingBeiA/R1。

第2列為發(fā)射站經(jīng)度：要求采用度分秒格式，即xx°xx′xx″，秒級(jí)的xx可以為小數(shù)或整數(shù)，也兼容北京鐵路通信技術(shù)中心要求的度分格式，即xx°xx′，分級(jí)的xx可以為小數(shù)或整數(shù)。

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

第4列為發(fā)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(fā)射站發(fā)射功率：要求填寫從發(fā)射站天線實(shí)際發(fā)射的無線信號(hào)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(shè)方向角，方向角度以正北方向作為0°、以順時(shí)針為正方向，當(dāng)天線數(shù)量不足4面時(shí)，可做留空處理。

5 系統(tǒng)開發(fā)與測(cè)試

將MATLAB作為GSM-R仿真系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)，按照前述仿真原理編寫代碼，然后測(cè)試軟件的各項(xiàng)功能，并與線路實(shí)際測(cè)試結(jié)果相對(duì)照，驗(yàn)證軟件輸出結(jié)果的準(zhǔn)確性。以京張高鐵工程中無線環(huán)境較為復(fù)雜的新八達(dá)嶺隧道出口至東花園北站區(qū)段與延慶支線組成的三岔口區(qū)域作為樣例[20]，進(jìn)行測(cè)試說明與結(jié)果分析。

5.1 系統(tǒng)流程

GSM-R仿真系統(tǒng)的流程為單序列形式，各項(xiàng)功能按順序逐個(gè)執(zhí)行，如圖1所示。

圖1 GSM-R仿真系統(tǒng)流程

5.2 無線場強(qiáng)覆蓋分析功能測(cè)試

測(cè)試區(qū)域的無線場強(qiáng)覆蓋分析計(jì)算結(jié)果如圖2所示，圖2中各基站/直放站覆蓋的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)沒有出現(xiàn)低于-95 dBm的弱場情況，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)于最小可用接收電平值的要求。

圖2 無線場強(qiáng)覆蓋分析功能測(cè)試結(jié)果

5.3 C/I指標(biāo)分析功能測(cè)試

測(cè)試區(qū)域C/I指標(biāo)分析的仿真計(jì)算結(jié)果如圖3所示，圖3中鐵路沿線的無線信號(hào)C/I值均滿足規(guī)范中鄰頻不小于-6 dB的要求，并且臨站之間的切換區(qū)位置在圖中也可清晰分辨。此外，圖中所示紅色區(qū)域的C/I值小于-6 dB，雖然該區(qū)域距線路還有一段距離，但實(shí)際網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中也應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該區(qū)域，避免干擾信號(hào)范圍擴(kuò)大，影響線路上的無線覆蓋質(zhì)量。

圖3 C/I指標(biāo)分析功能測(cè)試結(jié)果

5.4 重疊覆蓋分析功能測(cè)試

測(cè)試區(qū)域重疊覆蓋分析的仿真計(jì)算結(jié)果如圖4所示，鐵路沿線各處的重疊覆蓋指標(biāo)均不低于2，即圖中藍(lán)色和黃色所示區(qū)域，這與京張高鐵無線通信設(shè)計(jì)方案采用單網(wǎng)交織的冗余覆蓋方式相吻合。

圖4 重疊覆蓋分析功能測(cè)試結(jié)果

5.5 仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

圖5為本文選取的樣例測(cè)試區(qū)域現(xiàn)場實(shí)測(cè)結(jié)果，圖表數(shù)據(jù)來自于京張高鐵工程聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段時(shí)的動(dòng)檢車無線測(cè)試系統(tǒng)截圖。通過對(duì)比分析仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果，可以得到如下結(jié)論。

圖5 京張高鐵樣例測(cè)試區(qū)域的現(xiàn)場實(shí)測(cè)結(jié)果

(1)該區(qū)域無線信號(hào)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(jìn)口區(qū)域而出現(xiàn)一定的信號(hào)衰落，與圖2所示的無線場強(qiáng)覆蓋仿真分析結(jié)果一致。

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

(3)該區(qū)域內(nèi)超過門限電平-70 dBm的GSM-R無線信號(hào)數(shù)量也與圖4通過重疊覆蓋仿真分析得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。

綜上所述，本文提出的基于實(shí)地模型的GSM-R仿真系統(tǒng)在測(cè)試樣例上輸出結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測(cè)結(jié)果一致，證明了該系統(tǒng)方案的有效性。

6 結(jié)論與展望

近年來，GSM-R無線通信系統(tǒng)已經(jīng)成為新建鐵路的標(biāo)準(zhǔn)配置，而采用無線列車調(diào)度系統(tǒng)的既有鐵路也在逐步開展GSM-R升級(jí)改造，基于實(shí)地模型的無線通信(用于GSM-R)仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)作為一項(xiàng)具有鐵路行業(yè)專業(yè)性的研究課題，能夠通過分層設(shè)色的形式直觀展示出發(fā)射站無線場強(qiáng)、C/I指標(biāo)及重疊覆蓋等信息，為管理人員審查方案提供保障，為設(shè)計(jì)人員優(yōu)化方案提供依據(jù)，為施工人員執(zhí)行方案提供便利。

在后續(xù)研究工作中，一方面應(yīng)當(dāng)充分利用設(shè)計(jì)圖紙、GIS資料現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等附加信息，進(jìn)一步提高GSM-R仿真系統(tǒng)的計(jì)算精度；另一方面，也應(yīng)當(dāng)積極關(guān)注鐵路行業(yè)的無線技術(shù)革新，探索未來5G-R系統(tǒng)的仿真新方法，并打造鐵路專網(wǎng)無線覆蓋貫穿規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理、施工、驗(yàn)收、運(yùn)營、維護(hù)、改造全生命周期的數(shù)字孿生體。