高速铁路GSM-R系统电波传播场景分类与路径损耗指数的求解

张 哲 徐 钧 蔺 伟

张 哲:中国铁道科学研究院通信信号研究所 硕士研究生 100081 北京

徐 钧:中国铁道科学研究院通信信号研究所 研究员 100081 北京

蔺 伟:中国铁道科学研究院通信信号研究所 副研究员 100081 北京

无线场强覆盖是高速铁路GSM-R系统设计和建设的重点和难点，场强覆盖是保证通信质量的先决条件，而无线电波传播模型在无线覆盖设计中起着重要的作用，对系统的通信质量、干扰程度甚至对工程投资都有很大影响，特别是影响调度通信、CTCS-3级列控数据传输等应用业务的可靠性。

经过武广、郑西和京沪先导段综合试验，目前，我国铁路已经逐步建立了高速铁路典型平原和平原高架桥区段GSM-R系统电波大尺度传播模型。但受沿线地形等工程条件所限，所得传播模型具有一定的局限性。为此，结合高速铁路的特点，对高速铁路沿线电波传播地形场景进行初步划分，提出大尺度路径损耗指数的求解方法，并基于联调联试中取得的丰富数据拟合出各种典型地形场景下的路径损耗指数取值。

1 高速铁路电波传播的衰落因素

当列车在高速行进过程中经过不同的地理环境时，会对列车接收到的场强信号产生不同程度的影响，从而造成信号衰落，主要有以下因素。

1．反射。电波在传播过程中遇到障碍物，当电波的波长小于障碍物的波长时会发生反射现象，使得天线接收到的信号为合成波。具体而言，当电波遇到地面、山体、隧道、河流或车体等介质时会发生反射，反射也是多径效应中最为常见的现象。

2．折射。折射现象的发生会吸收入射电磁波的能量，使接收到的场强信号衰减，特别是在不同介质的表面，折射率的不同将大大影响发射信号的强弱，在接收端同样会有很大的差别。

3．绕射。当电波的波长与障碍物的波长相近时，或当电波撞击到障碍物的边缘时，会发生绕过障碍物的现象。不同的菲涅尔区，电波受损程度也不一样。

4．散射。当电波的波长大于障碍物的波长时会发生散射，散射后的电磁波将呈不规则状态向四面传播。接收端的天线也很有可能收到散射后的波，散射发生的地点普遍集中在陡峭的山顶，不规则或有棱角的障碍物等。

5．多普勒效应。针对高速移动的车体，多普勒效应的研究极为重要。以通信测试中不同厂家提供的测试模块为例，如果设计时没有考虑多普勒效应产生的位移和相移，则通信测试中服务质量的指标会发生明显不同。因此，行车中应考虑多普勒效应对电波传播所造成的影响。

6．频率干扰。当不同的基站以相同或相近的频率发射不同的信号时，会发生频率干扰，同样会影响服务质量的达标。铁标规定，相邻小区控制信道及业务信道的频率间隔不宜小于400 kHz，与此同时，铁路下行频段的边缘频率(930 MHz及934 MHz)应及时做好清频工作，防止其他业务的干扰。

7．接收设备因素。天馈线存在损耗，在建模时应考虑在内。

除了上述因素，还有其他因素也会影响高速铁路场强变化。本文只对产生信号衰落的原因进行定性描述，将根据实测数据研究建模方法，难点在于能够针对不同地形得出相应的路径损耗指数和均方差，并通过这些参数得到电波传播的模型，为高速铁路电波传播的完整建模提供参考依据。

2 高速铁路电波传播场景划分

2.1 平原高架桥

高架桥在新建高速铁路中应用广泛，特别是在平原地区，高架桥的修建不仅保证了速度，而且为旅客提供了舒适度。就铁路GSM-R通信领域而言，当基站的参数调整合理，全线基站的切换关系设定正确后，移动台接收到的场强信号是由基站直接传播到移动台与少量经过地面反射后再传播到移动台形成的合成波。在平原地形条件下，由于基站与列车接收天线之间不存在任何障碍物，因此移动台接收到的合成波相对稳定，其场强电平信号衰落缓慢，包络完整，不会出现电平值突然衰落的现象。就单个基站，电波传播的范围在基站左右两侧能达到十几公里，基站天线挂高与车顶的垂直距离介于30～40 m，高架桥的高度在10 m以上，这样的设计保证了铁路通信的安全。

2.2 准平原

准平原是在平原高架桥模型基础上延伸出的新地形，与平原高架桥开阔的视距相比，准平原地形稍有起伏，铁路沿线的近距离两侧往往会有树林、村庄或海拔不高的丘陵。由于电波大尺度模型考虑的是电波在几公里到十几公里的电平值衰落情况，因此准平原地形具有平原特征，其应用范围也更广。电波在准平原地形传播时，会因树林、丘陵或村庄本身的影响发生不规律的折射和反射，与视距开阔的平原高架桥相比，其发生反射、折射的程度也不一样，得出的模型参数与平原相比存在差异。

2.3 路堑

路堑也是高速铁路中常见的一种地形，由于不同地区的环境差异，路堑的设计并没有统一的规格。当列车运行至路堑时，基站发射的信号在路堑处会发生强烈的反射和折射，部分路堑上方建设有桥梁，因此信号还可能发生折射和散射，使移动台接收到的信号受到严重的干扰。由于路堑设计规格的不统一，这种经反射、折射和散射后的合成波并不能仅仅根据一次或者几次的测量而简单的得出，路堑越深发生折射和反射的概率越大。另外，部分隧道的两端和部分山区同样会设置路堑来保证列车运行的安全性和稳定性，在这样的前提下，研究路堑传播模型时还应该与隧道及山区的模型研究同时进行。

2.4 车站

就通信领域的传播模型而言，车站顶棚的存在会严重影响基站与移动台之间电波的传播，因此反射、折射现象的研究对于车站传播模型的合理性有着重要的意义。

对于不同类型的车站而言，车站本身的规模，车站顶棚对于基站发送信号的影响范围，车站基站发射功率的变化，列车本身速度的变化(列车在车站时，速度明显降低或处于静止状态)是研究车站电波传播模型的四个要素，建立车站电波传播模型时，需综合考虑上述因素。

2.5 水面桥梁与水域

当列车经过水面桥梁时，桥梁本身的结构会对电波传播造成一定的影响。同时，桥梁横跨大江、大河，水面反射与地面发射明显不同，参数也会因反射和折射介质的不同而存在差异。如果桥梁本身长度过短，则不应单独列为桥梁模型，应归于该区段主要的地形。在我国南方水田、河流纵横地区，虽然列车没有经过桥梁，但电波传播同样会发生大量的水面反射与折射，因此其损耗程度也应发生相应的变化。

2.6 隧道

为了满足隧道内的场强标准，隧道内增设了直放站，这些直放站与通常位于隧道口任意一端的基站相连，发射同频信号;当隧道的长度大于隧道内一个直放站所能覆盖的场强范围时，需要增加直放站数量，几个直放站与隧道口一端的基站相串联，发射相同频率的信号。因此在研究隧道的电波传播模型时，应考虑到基站和直放站对于电波传播模型所带来的联合影响，区分出基站不含直放站、基站包含直放站条件下电波传播的差异。

在隧道内，由于隧道封闭的结构，电波在隧道内传播时会产生强烈的反射，反射发生的次数与概率较平原相比明显增强。

在列车运行的过程中，由于电波传播场景的瞬间变化，隧道口两端的传播特性同样值得研究。通常情况下，当隧道口为路堑时，由于路堑不是全封闭的结构，因此发生反射的概率较隧道内而言会有明显的下降，如果移动台接收到信号同样产生明显衰落，则肯定会对场强覆盖的达标产生严重的影响。当隧道口两端为其他地形时，原理与之类似。因此需要对隧道口两端的电波传播模型做细致的分析。

2.7 山区

山区直放站的性质与隧道类似，与隧道不同的是，电波在山区传播时，天线除了可能会接收到基站不经反射直接发送的电波，以及经过地面反射后的电波之外，还会接收到来自山体反射的电波，这个新叠加进来的波与路堑地形中路堑本身对电波的反射相似，但反射传播的距离相对更远。由于介质的不同，由折射而引起的能量损耗不一样，叠加之后合成波的能量损耗也不同。当轨道在山区存在较大的弯道时，如果基站的位置选取不当，基站的俯仰角和方向角参数设置的不合理，山体可能会对发射的信号彻底阻挡，引起通信中断。另外，山体大小、山体与铁路线的相对距离和位置关系同样需要考虑。

2.8 城市及城镇

作为铁路交通枢纽的城市，电波传播模型的提出所需要考虑的主要问题是城市环境的复杂性。在城市中，基站发射的电波在传播过程中会经过更多不同的遮挡体，从而发生更多的反射和折射。与平原相比，其难点在于发生折射和反射的不确定性。城镇较城市而言繁华程度下降，但较平原高架桥而言又更容易发生折射和反射等物理现象。

在列车的实际运行中，不同类型的地形往往交织在一起的，山区与隧道、路堑与隧道、车站与城市、山体与城镇等等，会联合起来影响电波的传播，影响程度较单独某个地形而言肯定有区别，本文只研究单独地形环境下电波的传播特性，后续的工作将根据具体需要分别展开。

3 路径损耗指数求解方法

3.1 路径损耗指数n的求解方法

利用最小平方差估计方法:

其中，Q(0)是在X0(指距离基站1 km)处测得的电平初值。

d1－d0为被测基站到第一个样本点的距离;y为天线挂高高度。因此X0为三角形斜边长度，即基站天线发射点到车顶接收天线距离。k为采样点数。基站到铁路线的垂直距离一般在20 m以内，较10 km的统计区间可以忽略不计。

将公式(1)对n求导后令其结果等于0，可求得n值。这个n值就是根据不同地形求得的路径损耗指数:

3.2 均方差σ2的求解方法

最后，对不同地形得出的路径损耗指数n、均方差σ2进行整理和归纳，得出与地形和环境因素相关的统计结论。

4 数据采集与统计方法

4.1 数据采集方法

搭载通信联调联试的测试系统，高速铁路GSM-R系统电波大尺度传播模型中，路径损耗指数样本采集工作的测试原理如图1所示。

图1 数据采集方法原理图

车顶接收天线收到来自基站的信号，并将该信号通过天馈线传送到场强测试仪，再经AD转换后由计算机处理生成“接收电平值-公里标关系图”。电平值、公里标、车速、经纬度等原始数据自动生成并保存在txt文档中。

4.2 数据统计方法

根据不同类型的地形环境和沿线的基站布设方案。对任一地形而言，首先找到一个包含此地形的基站，针对该基站发射的信号，车顶接收天线每隔4 cm取一个样本点(满足奈奎斯特抽样定理)，记为S(i)，每100 m进行一次样本点的95%时间地点概率条件的统计，这样在这个区间内一共能测得2500个样本点，则该100 m的统计范围所得出的新样本点统计值为:

针对每种不同地形，需要考虑基站末端电平值的大小，依据《高速铁路工程动态验收技术规范》，GSM-R数字移动通信系统场强覆盖应满足95%时间地点概率条件下最小可用接收电平应高于－92 dBm。因此以－92 dBm为临界值来取Q(i)序列中的样本数，当某基站的远端电平值无法取到－92 dBm时，应取远端的最小电平值代替。

结合联调联试的实测情况，对单个基站的一侧，在每100 m取一个统计值的情况下，取7～15 km的统计值可使最后接收到的信号强度小于－92 dBm(不同地形环境下测试结果可能存在差异)。以10 km为例，一共可采集到100个与公里标对应的样本点，将这些样本点作为该基站一侧的建模数据。

同一基站，可以进行同向多次测量，对数据统一进行上下行分析。

5 测试结果

5.1 场强电平接收图

平原场强电平接收如图2所示。

图2 平原场强电平接收图

准平原场强电平接收如图3所示。

隧道内场强电平接收如图4所示。

5.2 路径损耗指数统计结果

按照不同地形场景条件对实测数据进行划分，拟合出高速铁路电波传播大尺度模型的3个关键参数:路径损耗指数n、均方差及电平初值Q(0)，取距离基站1 km处，测试结果见表1。

典型地形条件下的电波传播数据样本选取条件说明如下。

图3 准平原场强电平接收图

图4 隧道场强电平接收图

1．平原高架桥:该地形条件下，视距开阔，在所取样本数的区段几乎没有其他地形出现，地面几乎没有起伏，以农田为主。

表1 高速铁路GSM-R电波传播路径损耗指数统计

2．准平原:选取样本的区段视距较开阔，靠近铁轨沿线两侧往往有较缓的地形起伏。

3．路堑:只选取在整体路堑的地形条件下所得的数据样本，不针对路堑规格进行细致划分。

4．山区:样本区段的山体应对基站信号有明显的遮挡或反射，并且在所取样本数的区段存在大量的山体，山体的距离也应靠近铁路两侧，伴随有路堑或小隧道的出现。

5．准山区:较山区地形而言，山体的高度和铁路沿线的延伸度有所减弱，但所取样本数区段的地形同样应以山区为主，同样伴随有路堑和小隧道的存在。

6．隧道:所取数据样本位于没有直放站的隧道，并且在所取样本数区段的隧道应为主要地形，即隧道应大于山区或路堑，列车在该区段的运行几乎在隧道中。

7．水面桥梁:这里给出的桥梁为经过大量水面的桥梁，水面反射与地面反射的差异导致路径损耗指数较平原而言稍有差距，其所处地形应以平原地形为主，分析桥梁时，往往需要结合其他地形共同考虑。

8．水域:在所取样本数区段水域一直靠近铁路沿线，可以看出当水域可以对电波传播造成影响时，其电平值下降缓慢，路径损耗指数非常低。

9．城市与城镇:居民楼或其他建筑物在所取样本数区段的铁路沿线广泛存在。

10．车站:车站基站的发射功率与其他地形相比往往较低，且由于雨棚的存在会使电磁波的能量受到一定程度的衰减。

6 结束语

高速铁路不同地形场景条件下路径损耗指数的提出，是建立高速铁路GSM-R无线电波传播模型的关键一步，有助于工程建设中针对地形环境改善基站的参数设置，优化基站的布设方案。建立不同地理环境下的场强预测模型，再通过与最小可用电平相结合，有助于制定基站的合理化布设方案。

今后还需要对GSM-R无线传播模型进行完善和优化，应重点深化研究基站天线高度、俯仰角等参数对传播模型的影响，让复杂的传播过程简单化、模型化，为工程设计提供参考依据。

［1］闻映红．天线与电波传播理论［M］．北京:清华大学出版社，北京交通大学出版社，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．