高速铁路典型地形GSM-R系统电波传播特性的研究

蒋志勇 张弘毅 蒋 韵

蒋志勇:中国铁道科学研究院通信信号研究所 副研究员 100081 北京

张弘毅:中国铁道科学研究院通信信号研究所 助理研究员 100081 北京

蒋 韵:中国铁道科学研究院通信信号研究所 助理研究员 100081 北京

我国高速铁路采用GSM-R系统作为移动通信平台，承载了CTCS-3级列控信息、调度通信、调度命令、列车无线车次号校核等多种铁路应用业务信息传送，为运输调度指挥、设备维护及管理提供移动语音、电路域和分组域数据传输通信，在铁路运输中发挥了重要作用。因此有必要研究高速运行条件下GSM-R系统电波传播特性，建立典型地形条件下电波传播模型，完善高速铁路GSM-R系统的场强预测模型，为GSM-R系统的设计和运用提供参考和依据。

1 高速铁路GSM-R系统电波传播特点

当列车行驶在平原或准平原区段时，无线电波的传播主要存在地面反射，而绕射、散射和其他反射都很弱，影响电波传播的因素较少。与普通铁路相比，高速铁路线路大多取直，坡度较缓，路基占地宽，相对减少了分布于实效反射区内的反射物和障碍物，从而减少了影响电波传播的地理因素，有利于电波传播。对于典型平原高架桥地形，列车运行在高架桥上，传播环境较在地面运行时更佳。

按照影响电波传播的地形进行分类，我国高速铁路沿线主要有几种典型地形:平原/准平原、平原高架桥、山区/丘陵、隧道等。在隧道区段，GSM-R系统一般采取光纤直放站等技术手段实现隧道内的无线覆盖。此时，一个GSM-R基站的覆盖范围与实际的地形以及基站允许连接的光纤直放站数量等因素有关，可以通过计算或者工程经验直接获取。在准平原或平原高架桥区段，GSM-R系统一般采取由基站直接覆盖的方法。由于地形相对比较平坦，无线电波的传播环境好，无线覆盖电平相对较高。在准平原或平原高架桥区段，如果基站覆盖范围设计不合理，将给频率规划、网络优化以及业务应用带来很大的困难和负面影响。

根据在准平原和平原高架桥等典型地形条件下测得的试验数据，建立典型准平原和平原高架桥区段高速铁路GSM-R系统电波传播大尺度路径损耗模型和小尺度衰落模型。

2 测试基本情况

选择具有典型平原高架桥地形特征的区段，按照保证移动终端能有较低接收电平，且相邻基站无邻频干扰的原则，采取连续关闭4～6个基站后保留1个被测基站的方式关闭了测试区段沿线部分基站，在被测基站间距超过15 km的条件下，分别在250，300，350，380 km/h等速度等级测试GSM-R系统的电波传播特性。被测GSM-R基站的基本情况如表1。

表1 被测GSM-R基站基本情况

测试过程中，测量接收机依次锁定被测基站的BCCH频点，直至电平低于－100 dBm以下，再将测试频率锁定在下一个基站的BCCH，测试接收电平与距离之间的分布规律，得到高速铁路GSM-R系统电波传播的大尺度传播模型。测试中，通过全程记录测量接收机的原始采集数据，测试电波的波动规律，推导出小尺度衰落特性。

3 典型地形GSM-R电波传播特性

3.1 准平原区段电波传播特性

3.1.1 准平原区段大尺度传播模型

参考相关研究，列车速度对电波的大尺度传播模型影响不明显，准平原、山区/丘陵等地形高速铁路GSM-R系统电波传播大尺度路径损耗指数统计结果如表2所示。

表2 准平原、山区/丘陵地形电波传播大尺度路径损耗指数

经过分析统计，GSM-R基站的实际辐射电波在距离基站约200 m处的95%时间地点概率场强统计值最大，约为－30 dBm。以此作为参考点，准平原、山区/丘陵二种典型地形条件下电波传播大尺度传播路径损耗模型如图1所示。

图1 准平原、山区/丘陵区段电波传播大尺度路径损耗模型

3.1.2 准平原区段小尺度衰落余量

参考相关研究，典型准平原、山区/丘陵地形条件下电波传播小尺度衰落余量统计如表3所示。

表3 准平原、山区/丘陵地形小尺度衰落余量统计表

3.2 平原高架桥区段电波传播特性

3.2.1 平原高架桥区段大尺度传播模型

通过对测试数据进行分析和统计后，平原高架桥区段被测GSM-R基站的电波传播大尺度损耗指数拟合结果如表4所示。

表4 平原高架桥地形电波传播大尺度路径损耗指数

如表4所示，典型平原高架桥区段被测GSMR基站的大尺度路径损耗指数为2.7～3.2。由于各基站所取样本数大致相同，且拟合的相关系数γ十分接近，因而可对路径损耗指数和标准差进行算术平均，计算得到路径损耗指数为2.94，标准差为3.83 dB。经过数学拟合，典型平原高架桥区段GSM-R系统电波传播大尺度路径损耗公式如下:

若将参考点取为距离基站200 m处，该点的95%时间地点概率场强统计值取为－30 dBm，典型平原高架桥区段的电波传播大尺度路径损耗模型如图2。

图2 平原高架桥区段电波传播大尺度路径损耗模型

与准平原区段的电波传播大尺度路径损耗模型相比，被测典型平原高架桥区段的GSM-R系统大尺度路径损耗指数要优于准平原区段，如图3所示。这与移动终端运行在高架桥上时接收天线较高、电波传播条件较好有关系。

图3 典型地形电波传播大尺度路径损耗模型对比图

3.2.2 平原高架桥区段小尺度衰落模型

1．衰落频度与速度关系。通过对不同速度条件下的数据进行统计，得到典型平原高架桥区段电波传播衰落频度与速度的关系，如图4所示。

从图中可以看出，衰落频度随着列车速度v的提高而增加。经过数学拟合，可得衰落频度与速度的关系为:N∧R=0.82v+272

图4 典型平原高架桥区段衰落频度与速度关系

相关系数:γ=0.88。

2．衰落宽度与速度关系。通过对不同速度条件下的数据进行统计，得到典型平原高架桥区段电波传播衰落宽度与速度的关系，如图5所示。

图5 典型平原高架桥区段衰落宽度与速度关系

从图中可以看出，衰落宽度随着列车速度的提高而下降。经过数学拟合，衰落宽度与速度v的关系为:

τ∧=274.6v+1.21

相关系数:γ=0.94。

3．衰落余量与速度关系。通过对不同速度条件下的数据进行统计，得到典型平原高架桥区段电波传播衰落余量与速度的关系，如图6所示。

从曲线的整体趋势来看，随着速度的提高，衰落余量略有下降的趋势，但变化趋势不明显。

对所有有效数据进行统计后可得典型平原高架桥区段衰落余量的统计结果，如表5所示。

表5 典型平原高架桥区段衰落余量统计表

表5与表3对比，平原高架桥区段的衰落余量统计结果要略好于准平原区段。

4 结论及建议

1．准平原区段GSM-R系统大尺度路径损耗指数为3.25，标准差为3.46dB，传播路径损耗模型为

2．典型平原高架桥区段GSM-R系统大尺度路径损耗指数为2.94，标准差为3.83 dB，传播路径损耗模型为:

典型平原高架桥区段的电波传播特性优于准平原区段。

3．随着列车速度的提高，衰落余量略有下降，但趋势不明显。工程设计中，平原高架桥、准平原和山区/丘陵等不同典型地形条件下，GSM-R电波传播衰落余量取值可分别按95%统计值8.3 dB、9.8 dB和14.1 dB考虑。

［1］＜美＞ Henry L．Bertoni.Radio Progagation for Modern Wireless Systems［M］. 北京:电子工业出版社，2001，1.

［2］＜美＞ Theodore S．Rappaport.Wireless Communications Principles and Practice［M］.北京:电子工业出版社，1999，11.

［3］田翠云，赵荣黎，蒋忠涌．移动通信系统［M］.北京:人民邮电出版社，1990，8.

［4］铁道部科技司．科技运［2008］170.GSM-R无线网络覆盖和服务质量(QoS)测试方法(V1.0)，2008.

［5］蔺伟，王学军，沈京川等．GSM-R系统服务质量和接收电平关系的分析与研究［J］.铁路技术创新，2011(2).