铁路GSM-R网络无线小区覆盖分析

黄欣萍

（柳州铁道职业技术学院 信息工程系，副教授，广西 柳州 545007）

GSM-R系统是基于GSM的规范协议，在公网GSM技术基础上，融合了调度通信功能的专门用于铁路无线通信的数字通信系统，增加了优先级、组呼、广播呼叫等铁路运输专用调度通信功能，利用电路数据业务为列控车载子系统与列车控制中心进行双向信息传输提供通道。GSM-R系统的QOS指标以保证列控业务要求的QOS指标及列控数据传输的可靠实现和保证系统效率及可靠性为基本出发点。因此，在GSM-R无线通信网络的覆盖方案中，对网络场强覆盖都应予以充分的重视。

1 铁路GSM-R无线网络覆盖要求

铁路GSM-R数字移动通信系统无线网络覆盖范围是指满足铁路作业所必需的场强的区域，覆盖的场强信号强度超过一定门限的达到了多少概率，我们就可以认为这个覆盖是可以接收的。网络边缘覆盖概率指在覆盖区边缘上，接收信号强度大于接收门限的时间百分比；网络区域内覆盖概率指在覆盖区域内，接收信号强度大于接收门限的位置占总区域面积的百分比。他们的定义不一样，不过所描述的都是一个覆盖的满足程度，两种覆盖概率之间是有对应关系的。

铁路GSM-R无线网络场强覆盖按照《铁路GSM-R数字移动通信系统工程设计暂行规定》的行业标准，场强覆盖以机车接收机天线处，输入端射频信号最小可用接收电平为标准，话音和非安全数据传输的列调机车台场强值为-98 dBm（95%的时间地点概率），列控数据传输的列控机车台运行速度大于280 km/h场强值为-92 dBm（95%的时间地点概率）。

2 铁路GSM-R网络冗余覆盖方式

GSM-R系统可以构成既含有面状覆盖又含有链状覆盖的网络，例如，沿铁路线采用链状覆盖，车站及枢纽地区采用面状覆盖。由于GSM-R系统要完成无线列调功能，更重要的是要承载列控数据传输，为保证可靠的数据无线传输通道，GSM-R网络应用了冗余的策略，系统的无线信号采取了双重覆盖，即类似于双备份，两套系统交错或重叠覆盖。高度的覆盖冗余能够保障如某地小范围内发生灾害或设备故障，使系统某一BTS宕机时整个网络仍然能够正常工作。GSM—R网络沿铁路线覆盖，主要有双层网络冗余的小区覆盖、单层交织冗余的小区覆盖等。

2.1 双层网络结构覆盖双层网络结构覆盖包括同站址冗余覆盖和交织站址冗余覆盖。该两种覆盖方式都能做到无缝和冗余覆盖，以确保列车快速、安全运行。但双层网络结构网络投资较大，工程造价高、经济性较差。

1）同站址冗余覆盖是采用两个完全相同的BTS并列设置在同一站点（见图1所示），同时覆盖相同的地理区域，以形成两张完全相同的GSM—R无线网络，同站址的两个网络互为冗余，如果其中一个BTS由于收发信机出现故障宕机或者无线链路干扰过大而引起数据链路中断，移动台可以切换到与该BTS同站址的另一GSM—R无线网络的BTS继续进行通话或数据传输，从而保证了GSM—R系统的故障安全性。

图1 同站址冗余覆盖

2）交织站址冗余覆盖是为了解决同站址冗余覆盖中，由于灾害造成基站破坏会使网络中断等问题而演进而来的。交织站址冗余覆盖中的冗余BTS设在原来两个连续基站的中间（见图2所示）。交织站址冗余覆盖单从覆盖范围上来看与同站址一样，铁路沿线每个位置都同时有两个GSM—R网覆盖到，与同站址冗余覆盖一样满足GSM—R系统的故障安全性。其优势在于，如果某地小范围内发生灾害，只有其中一个BTS遭到破坏，另一个BTS服务并不受影响。

图2 交织站址冗余覆盖

2.2 单层网络结构覆盖单层网络结构覆盖采用一个GSM—R无线网络，采用交织站址覆盖，其两个相邻BTS的场强相互覆盖到相邻BTS所在地，相当于BTS加密，BTS与BSC间可以是采用单个BSC或两个BSC的方式（见图3所示）。单层交织冗余的小区覆盖方案具有很高的可靠性和经济性，可以避免BTS单点宕机故障，任一奇数个（1，3，5，7…）或偶数个（2，4，6，8…）BTS组成的无线网都能够单独满足系统规定的性能要求。当某一个BTS出现故障时，相邻两个小区的覆盖电平仍然能够达到系统规定的性能要求。另外这种单层网络结构组成的无线网，采用环路保护结构（见图4所示），具有抗自然灾害等能力强的优点。

图3 单层网络交织站址覆盖结构

图4 无线网络采用保护环路结构

3 基站覆盖区的边缘及域内覆盖概率

基站发射无线信号传播的复杂性使我们很难用一个单一的模型来精确反映各种路径的损耗。在系统分析时，常采用简化的路径损耗模型〔1〕，即：

如基站天线发射功率为Pt（d）〔dBm〕，则移动台在距离基站d处接收到的信号平均功率Pr（d）〔dBm〕为

上式只适用于发射距离d＞d0，d0远场区的参考距离，在室外一般取10～100 m；d为T-R距离；n为路径衰耗指数，表明路径衰耗随距离增长的速率，一般取定为3-4，自由空间一般为2；K（dB）是一个依赖天线特性和平均信道损耗的常数，一般为全向天线在d0处的自由空间损耗为

实际上当d0取100 m时，实测的损耗与此基本相符。K（dB）也可以用传播距离d0处的实测数据来确定。

无线信号在信道传播过程中遇到的障碍物会发生随机变化，变化幅度取决于障碍物状况、工作频率、障碍物和移动台移动速度等。即阴影效应，接收信号近似服从对数正态分布。

将路径损耗模型和阴影衰落模型加在一起可以反映出功率随距离的变化和阴影造成的路径损耗随机衰减〔1〕。则移动台在距离基站d处接收到的信号功率Pr（d）〔dBm〕

即在接收到的信号平均功率md上增加一个均值为0dB的阴影衰落Xσ，来体现路径损耗的随机变化；Xσ是均值为0，标准偏差为σ的正态分布的随机变量，故Pr（d）〔dBm〕也是正态分布的随机变量。

路径损耗和阴影衰落对移动通信系统的设计有重要的意义，系统有一个目标最小接收功率电平Prmin，对于任意给定的发射机距离，接收功率是服从正态分布的随机值，存在接收功率电平低于目标值Prmin的可能性。

3.1 基站覆盖区边缘界面处的概率基站覆盖区域边缘覆盖场强是移动台在基站覆盖区边缘界面处（该圆周上）移动时，移动台在边缘处接收到信号的功率是个变化值，时高时低，设其为x，接收到的信号平均功率md为中值，标准偏差为σ的随机变量，服从高斯正态分布。则移动台在距离基站d处接收到的信号平均功率的概率密度函数可以表示为〔1〕

根据公式可以推出：在基站覆盖的边缘处，即距离d处的接收功率x高于目标值Pmin〔dBm〕的概率为

Q（z）是均值为0，标准偏差为1的正态分布函数，erf（x）为误差函数，积分结果可查误差函数表（即概率积分表）。

上式可以理解为：要让基站覆盖边缘界面处接收到的信号功率x高于目标值Pmin[dBm]的概率为P（x≥Pmin）时，则必须考虑md-Pmin的环境阴影余量衰耗，以克服不同地点周边环境因素的影响。

由（3-6）式可见，如果预测或实测的区域平均信号电平 md＝Pmin，即系统余量为 0，则 P（x≥Pmin）＝50%。这样，我们就可以根据接收机要求输入的最低保护电平及所需通信概率、σ来确定无线覆盖区边缘所需场强或其信号电平。

例如：若高速铁路GSM-R网络覆盖要求覆盖区边缘为95%时，系统阴影衰落余量将为多少由（3-6）式得：

也就是说覆盖区边缘的通信概率为95%的阴影衰落余量应为1.65 σ，铁路沿线σ一般取7 dB，系统阴影衰落余量为11.5 dB左右。对于不同边缘覆盖率对应的阴影衰落余量见表1。

表1 不同边缘覆盖率对应的阴影衰落余量

3.2 基站覆盖区域内覆盖概率实际工程中，在基站覆盖面积内，计算移动台接收信号等于或高于目标最小接收功率电平Prmin区域百分比，对移动通信设计工程也非常有意义。区域内覆盖概率定义为在半径为R的圆形区域内，接收信号强度大于接收门限Pmin的位置占总面积的百分比。

对于一个半径为R的覆盖区，在距离基站r处取一增量区间 dA，假设接收门限 Pmin，P（x≥Pmin）为距离r处dA大于Pmin的概率，按参考文献〔1〕的推导方法，可得小区内接收功率超过接收门限Pmin的总面积百分比为

边缘覆盖概率确定相应的区域内覆盖概率与σ/n关系曲线见图6，图中以σ/n为横坐标，以r＝Ro的环形区域dA内的覆盖区边缘界面处的概率P（Ro）为参变量，只需给定路径衰耗指数n和σ值，可算得一组曲线，就可以根据覆盖区边缘覆盖概率确定相应的覆盖区域内覆盖概率（覆盖等级）。从上式（3-8）中看出覆盖区域内覆盖概率总是大于覆盖区边缘界面处的概率。

图6 边缘覆盖概率确定相应的区域内覆盖概率与σ/n关系曲线

4 基站覆盖区覆盖半径确定

发射机与接收机之间的无线传播的互易定理表明：上、下行链路的传输损耗应该相等，但两个传输方向的最大可能路径损耗是不一样的，因为基站和移动台的发射机、接收机有着不同的特点。预算路径损耗时要考虑各种损耗和安全裕度，包括设备老化（基站、电缆、天线等）、干扰降级、人体损耗，考虑95%覆盖概率（边缘）的阴影衰落裕量以及对未考虑干扰因素的附加保护。以基站-机车台（下行）为例分析，GSM-R下行链路工作频段930～934 MHz，选取频点f=932 MHz，基站载频输出功率60 W，基站-机车台（下行）链路预算得出最大允许的下行路径损耗L=133.8 dB（见表2）。

表2 基站-机车台（下行）链路预算

Okumura/Hata模型是应用较为广泛的覆盖预测模型，该模式是以准平坦地形大城市区的中值场强或路径损耗作为参考，对其他传播环境和地形条件等因素分别以校正因子的形式进行修正，对不同地形上的基本传输损耗按下列公式分别预测〔1、2、3〕。

设基站高度为35 m、45 m的两种情况，机车台天线高度4.5 m，得到不同地形上的路径损耗公式，根据基站-机车台（下行）链路预算得到的最大允许的下行路径损耗L=133.8 dB，代入路径损耗公式，可以计算出对不同地形覆盖的距离（见表3）。

表3 基站高度为35 m、45 m不同地形覆盖距离

重叠区域的长度和越区切换区域的位置是重要考虑的地方，特别是在高速条件下，相邻小区的覆盖重叠需要有足够的长度，才能确保高速环境下安全越区切换。从表2中看出，在考虑了阴影衰落裕量、附加裕量后机车台最小接收电平-77.5 dBm，在低于此电平之前切换到新的小区，即两个小区在重叠区内的电平大于-77.5 dBm。

GSM系统一次切换的最短时间，包括滤波器处理时间、解码BSIC的时间、切换执行时间，总共需约2～4 s。高速列车速度达350 km/h，机车台向远离基站的方向行驶了350 km/h×4s/3 600 s=389 m，系统应该允许第一次切换失败后，有足够的时间尝试再次切换，可以考虑1倍的余量因素，则在列车高速350 km/h情况下，覆盖重叠需要的长度为350 km/h×8 s/3 600 s=778 m。778 m覆盖重叠可以满足最高速度350 km/h系统的安全越区切换。

站间距离以中小城市、基站高度为35 m为例，根据表3计算站间距离

采用交织站址覆盖时交织基站的距离为D/2=2.15 km，选取交织基站的距离为2 km为宜。

在实际应用中，通过GSM-R网络设计选址和网络优化，采取措施尽量控制覆盖重叠区越区切换发生频率，如通过邻区列表优化，提升车载终端测量的精度，缩短测量和重选时间；关闭功控，有效减少测量报告的延迟，加快高速切换的判决；特别要避免可能会发生“乒乓”切换，通过改变最低门限、最高门限和切换间隔时间来优化切换算法，合理的参数设置提升判决精度，缩短切换判决时间和切换时间，可以提高切换性能，减小切换的次数，避免乒乓效应。另外随着切换容限的增大，越区切换的次数在逐渐减小，当在切换容限达到7dB以后切换的次数为1，可以避免了不必要的切换〔4〕。

在选择切换区时要重点考虑：

1）在RBC（无线闭塞中心）切换区域以及列控数据传输密集区域应尽量避免跨MSC/BSC越区切换，以避免频繁越区切换对列控数据传输造成影响。

2）使切换区域远离车站、列车停靠点、调车作业场地，为满足这一设计需求，重要基站须设置在这些区域附近，确保了这些区域有良好的覆盖，这种设计可使得在这些区域只出现一个强信号的区域，切换只能发生在正常情况下不停车的区间。

5 结束语

为保证列控业务要求的QoS指标及列控数据传输的可靠实现，必须解决高速铁路GSM-R无线网络场强覆盖问题。通过对铁路GSM-R无线网络场强覆盖概率要求，确定系统阴影衰落余量，给出GSM-R网络小区覆盖半径计算方法，得出了不同基站高度下小区的覆盖半径预规划，至于网络最终规划还要对每个候选基站的站址进行实地勘察，并根据实际基站高度对调整天线的俯仰角对覆盖区以及覆盖重叠区进行微调。

〔1〕美Andrea Goldsmith.杨鸿文，李卫东，郭文兵等译.无线电通信〔M〕.北京：人民邮电出版社，2007.

〔2〕钟章队等著.铁路综合数字移动通信系统（GSM-R）〔M〕.北京：中国铁道出版社，2007.

〔3〕南海兰，王湘，钟章队.GSM—R网络小区覆盖半径的算法研究〔J〕.铁道学报，2005，27（1）：66-69

〔4〕.黄丽聪，朱刚.GSM-R越区切换分析与优化〔J〕，移动通信2007.8：35-38.