基于Atoll的GSM-R無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋仿真研究

姜志威

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

1 研究背景和必要性分析

隨著中國(guó)鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM-R)的應(yīng)用逐漸增多[1]，相應(yīng)的審批和管理要求也在不斷加強(qiáng)。2016年5月，北京鐵路通信技術(shù)中心發(fā)布“關(guān)于GSM-R網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)上線試運(yùn)行以及加強(qiáng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理工作的通知”，要求各路局提報(bào)的工程GSM-R網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)申請(qǐng)材料中，應(yīng)包含工程沿線基站位置圖及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)分布示意圖。因此，研究利用公網(wǎng)無(wú)線規(guī)劃軟件Atoll實(shí)現(xiàn)GSM-R無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋仿真的方法，對(duì)于鐵路無(wú)線通信設(shè)計(jì)具有迫切的需求和重要的意義。

Atoll軟件由法國(guó)FORSK公司開(kāi)發(fā)，是一款全面的、基于Windows的、支持2G/3G/4G多種技術(shù)并兼容5G的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件，能夠在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生命周期中支持移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃任務(wù)。該軟件提供的功能包括業(yè)務(wù)規(guī)劃、話務(wù)分析與規(guī)劃、鄰小區(qū)規(guī)劃、自動(dòng)頻率規(guī)劃等等[2]。然而，雖然Atoll軟件具有強(qiáng)大的功能和兼容性，但是并沒(méi)有提供對(duì)鐵路行業(yè)GSM-R系統(tǒng)的直接支持。

GSM-R系統(tǒng)是在GSM技術(shù)基礎(chǔ)之上，增加了鐵路調(diào)度通信功能和適合高速移動(dòng)環(huán)境下使用的通信系統(tǒng)[3]。GSM-R系統(tǒng)包括移動(dòng)交換子系統(tǒng)(SSS)、移動(dòng)智能網(wǎng)(IN)子系統(tǒng)、通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(GPRS)子系統(tǒng)、無(wú)線子系統(tǒng)(BSS)、無(wú)線終端、運(yùn)營(yíng)與支撐子系統(tǒng)(OSS)等部分。

與公共無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)所采用的GSM網(wǎng)絡(luò)相比，GSM-R網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)別體現(xiàn)在頻率資源和覆蓋方式兩方面。第一，GSM-R僅有4MHz頻率帶寬、遠(yuǎn)少于公網(wǎng)，頻率規(guī)劃時(shí)要避免同頻及鄰頻干擾。第二，GSM-R網(wǎng)絡(luò)采用沿鐵路線路的線狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)覆蓋，而公網(wǎng)則采用面狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)覆蓋。此外，因?yàn)镚SM-R涉及列車(chē)安全和運(yùn)行效率，所以鐵路無(wú)線通信設(shè)計(jì)中還將采用一些能夠提高網(wǎng)絡(luò)可靠性和可維護(hù)性的措施，如單網(wǎng)交織、同站址雙網(wǎng)等覆蓋方式。

2 基于Atoll的鐵路專(zhuān)網(wǎng)無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋仿真

將Atoll用于公網(wǎng)無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋仿真時(shí)，主要包括導(dǎo)入三維電子地圖、設(shè)置基站仿真參數(shù)、選定無(wú)線傳播模型、計(jì)算路徑損耗矩陣、生成場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)覆蓋圖等步驟。而在鐵路GSM-R系統(tǒng)的仿真任務(wù)中，還應(yīng)當(dāng)增加配置GSM-R網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和特殊地段仿真處理兩個(gè)步驟，整個(gè)流程如圖1所示。本節(jié)將以國(guó)內(nèi)某條客運(yùn)專(zhuān)線(以下簡(jiǎn)稱(chēng)樣例鐵路)的無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為例，介紹基于Atoll軟件的GSM-R無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋仿真方法。

圖1 基于Atoll的無(wú)線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋仿真方法流程

2.1 三維電子地圖的模型信息導(dǎo)入

導(dǎo)入三維電子地圖前，需要在軟件中設(shè)定相應(yīng)的數(shù)據(jù)投影系統(tǒng)參數(shù)[4]，例如，樣例鐵路的電子地圖采用UTM WGS 84投影系統(tǒng)，數(shù)據(jù)帶號(hào)為49N。然后，依次導(dǎo)入數(shù)字高程模型(Heights數(shù)據(jù)，以柵格形式描述地面高度變化，用于無(wú)線傳播模型的計(jì)算)、地面覆蓋模型(Clutter數(shù)據(jù)，以柵格形式描述地面覆蓋類(lèi)型，用于無(wú)線傳播路徑損耗的計(jì)算)、線狀地物模型(Vector數(shù)據(jù)，以矢量數(shù)據(jù)形式描述線狀地物的平面分布與空間關(guān)系)、重點(diǎn)狀地物標(biāo)注模型(Text數(shù)據(jù)，以矢量數(shù)據(jù)形式記錄主要線狀、面狀及點(diǎn)狀地物的名稱(chēng))等三維電子地圖信息。

2.2 GSM-R系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置

Atoll軟件中沒(méi)有預(yù)置GSM-R系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，需要手工配置后才能用于鐵路無(wú)線系統(tǒng)的仿真計(jì)算。通過(guò)計(jì)算無(wú)線信道的鏈路預(yù)算可知，GSM-R系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中是下行鏈路受限。因此，在使用Atoll軟件進(jìn)行無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋仿真時(shí)，可以?xún)H計(jì)算信道的下行方向鏈路。

GSM-R系統(tǒng)的下行工作頻段為930～934 MHz，頻道間隔為200 Hz。頻道配置采用等間隔配置方法，頻道序號(hào)為999～1 019(999和1 019這兩個(gè)頻道作為隔離保護(hù)使用)，同頻復(fù)用因子一般設(shè)為6[5]，設(shè)置界面如圖2所示。同時(shí)，頻率分組(Domains、Groups)和小區(qū)類(lèi)型(Cell Type)也要針對(duì)GSM-R進(jìn)行同步配置，用于后續(xù)設(shè)置基站發(fā)射機(jī)參數(shù)時(shí)使用。

圖2 Atoll軟件中的GSM-R下行頻段網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置界面

此外，Atoll軟件中也提供一些其他網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)置項(xiàng)，例如，基站識(shí)別碼(BSIC)、小區(qū)分層結(jié)構(gòu)(HCS)、時(shí)隙分配(Timeslot)等等。因?yàn)檫@些參數(shù)僅在話務(wù)分析、鄰小區(qū)分配、自動(dòng)頻率規(guī)劃等功能中才會(huì)被使用，所以此處不再贅述。

2.3 無(wú)線基站的仿真參數(shù)設(shè)置

Atoll軟件不僅提供將既有無(wú)線基站數(shù)據(jù)導(dǎo)入分析的功能，也提供從基站布放開(kāi)始的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃功能。無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋仿真計(jì)算屬于前者，所需的既有數(shù)據(jù)主要指Sites(包括基站名稱(chēng)和位置)和Transmitters(包括小區(qū)類(lèi)型、發(fā)射機(jī)參數(shù)和天線參數(shù)等)信息。

Sites信息中，考慮到基站位置通常根據(jù)經(jīng)緯度確定，所以需要將顯示系統(tǒng)設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)WGS 84坐標(biāo)系，而不能采用投影系統(tǒng)的UTM坐標(biāo)系。基站的海拔信息將從電子地圖中自動(dòng)讀取，架設(shè)高度設(shè)置為0，代表天線鐵塔位于地面。

Transmitters信息中，天線類(lèi)型一般選擇系統(tǒng)自帶的“65deg 17dBi 0Tilt 900MHz”選項(xiàng)，而Height(掛高)、Azimuth(方位角)、Mechanical Down Tilt(機(jī)械下傾角)、Secondary Antenna(附加天線)，以及Power(發(fā)射機(jī)功率)等參數(shù)可根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)方案確定。其中，方向角亦可在電子地圖界面中用鼠標(biāo)直接點(diǎn)選。此外，根據(jù)GSM-R的“上下行鏈路預(yù)算表”[6]，Transmission Loss(傳輸損耗)應(yīng)設(shè)為8.5 dB(包括合分路單元損耗2.5 dB、饋線及接頭損耗3 dB、塔頂功分器損耗3 dB)，Noise Figure(噪聲系數(shù))按照典型值設(shè)為5 dB，其他與仿真計(jì)算精度相關(guān)的參數(shù)可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行配置，如Main Calculation Radius(主計(jì)算半徑)、Main Resolution(主分辨率)等。

2.4 特殊區(qū)段的無(wú)線仿真處理

鐵路GSM-R無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋仿真計(jì)算中，特殊區(qū)段主要指采用漏泄同軸電纜(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“漏纜”)或直放站、RRU等設(shè)備進(jìn)行無(wú)線覆蓋的區(qū)域。

漏纜作為一種電磁波輻射的媒介，在鐵路工程中常用于狹小空間的無(wú)線覆蓋場(chǎng)景，如隧道[7-8]、公鐵兩用橋(鐵路位于公路下方)[9]等。在無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋仿真中，考慮到漏纜信號(hào)覆蓋一般比較均勻的特點(diǎn)，可以認(rèn)為區(qū)域中不存在弱場(chǎng)，不需要對(duì)此類(lèi)區(qū)段進(jìn)行仿真計(jì)算。

直放站和RRU設(shè)備屬于無(wú)線信號(hào)中繼設(shè)備，用于延伸基站設(shè)備的無(wú)線覆蓋范圍，達(dá)到在不增加基站數(shù)量的前提下保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋的目的[10]。在無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋仿真中，因?yàn)橹饕紤]信號(hào)的傳播特性，所以只要仿照基站參數(shù)的設(shè)置方式，按照直放站或RRU設(shè)備的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行設(shè)置即可，并不會(huì)影響后續(xù)傳播模型的仿真計(jì)算結(jié)果。

此外，對(duì)于工程中涉及與其他鐵路線路發(fā)生并行[11-13，15]、交叉[14-15]，或者是引入鐵路樞紐地區(qū)[16-17]的情況，可以先利用既有無(wú)線設(shè)備的位置和參數(shù)，在本工程中一并進(jìn)行無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋仿真計(jì)算，再通過(guò)直觀地分析既有基站的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋特點(diǎn)，完成上述區(qū)段的無(wú)線設(shè)計(jì)方案優(yōu)化。同時(shí)，如果工程中使用了其他特性的天線，也可以按照天線配置模板進(jìn)行參數(shù)自定義。

2.5 信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋圖的生成

信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋圖的生成包括選定無(wú)線傳播模型、計(jì)算路徑損耗矩陣、生成信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋圖三個(gè)步驟。

首先，移動(dòng)通信領(lǐng)域中有許多經(jīng)典的無(wú)線傳播模型，在Atoll軟件中已經(jīng)預(yù)置好它們的計(jì)算公式， Okumura-Hata模型(準(zhǔn)開(kāi)闊地區(qū))的公式編輯形式如圖3所示。其中，Lu為中間變量；a(Hr)為移動(dòng)臺(tái)天線高度修正因子；Total為路徑傳播損耗。公式中的參量f為工作頻率；Hb為基站天線有效高度；d為移動(dòng)臺(tái)與基站之間的距離；Hr為移動(dòng)臺(tái)天線有效高度。由于Okumura-Hata模型屬于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并且?jì)算結(jié)果在GSM-R工程中比較接近實(shí)測(cè)結(jié)果[6]，故在鐵路GSM-R無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋仿真中應(yīng)選用該模型。

其次，在電子地圖界面中繪制出需要進(jìn)行仿真計(jì)算的區(qū)域以后，才可以計(jì)算路徑損耗矩陣。該過(guò)程將在計(jì)算半徑之內(nèi)，計(jì)算出從每個(gè)扇區(qū)至計(jì)算區(qū)域邊界的路徑上的損耗值，其精度與Transmitters中設(shè)定的發(fā)射機(jī)計(jì)算精度相同。

圖3 Okumura-Hata模型(準(zhǔn)開(kāi)闊地區(qū))的公式編輯形式

最后，Atoll軟件利用生成的路徑損耗矩陣進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，軟件中提供了13種預(yù)測(cè)類(lèi)型模板，在僅考慮下行鏈路的仿真計(jì)算中，應(yīng)選用“Coverage by Signal Level(DL)”模板，繪制出的樣例鐵路典型區(qū)段的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋如圖4所示。從圖4可以看到，線路北側(cè)主要為城市區(qū)域且地形較平坦，故無(wú)線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋均勻、形狀也與所用天線的理想輻射特性相符；而線路南側(cè)主要為山區(qū)且地形崎嶇，故無(wú)線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋受到約束、形狀也與產(chǎn)生阻擋的山勢(shì)相符?？傊?，各個(gè)基站覆蓋的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)低于-95 dBm的弱場(chǎng)情況，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)于列車(chē)速度不高于280 km/h鐵路的最小可用接收電平值的要求[18]。因此，通過(guò)無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋的仿真計(jì)算可以驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)方案具備理論可行性。如果實(shí)踐中遇到不滿足無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋要求的情形，也可以利用仿真結(jié)果來(lái)分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因，并提出合理的修正方案[19]。

圖4 樣例鐵路的無(wú)線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋仿真結(jié)果(典型區(qū)段)

3 后續(xù)工作與展望

無(wú)線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋的仿真結(jié)果既是無(wú)線通信主管部門(mén)的審查材料，也是優(yōu)化GSM-R設(shè)計(jì)方案的參考依據(jù)，其準(zhǔn)確性將直接影響到基站設(shè)置的合理性。盡管Okumura-Hata模型在經(jīng)驗(yàn)上適用于GSM-R系統(tǒng)的無(wú)線傳播計(jì)算，但是在實(shí)際工程環(huán)境中仍然存在一定的誤差[20]。因此，在后續(xù)研究工作中，應(yīng)當(dāng)充分利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化階段所采集到的實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試數(shù)據(jù)，校正Okumura-Hata模型中的公式參數(shù)，并且補(bǔ)償不同地理環(huán)境對(duì)無(wú)線傳輸所帶來(lái)的附加損耗或增益，進(jìn)而達(dá)到提高仿真計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

縱觀我國(guó)鐵路行業(yè)無(wú)線通信的發(fā)展歷程，GSM-R技術(shù)從2013年作為既有無(wú)線列調(diào)通信的換代產(chǎn)品開(kāi)

始全面引進(jìn)以來(lái)，一直保持著高速發(fā)展的態(tài)勢(shì)。目前，全路GSM-R核心網(wǎng)建設(shè)已達(dá)19個(gè)節(jié)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)主要節(jié)點(diǎn)間的互聯(lián)互通，以及與全路跨局語(yǔ)音呼叫、數(shù)據(jù)通信的互聯(lián)互通。因此，在電磁環(huán)境日益復(fù)雜和業(yè)務(wù)量需求巨大的雙重壓力下，應(yīng)當(dāng)全面落實(shí)北京鐵路通信技術(shù)中心關(guān)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理的要求、做好沿線基站的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋仿真工作，這將能夠有效保障無(wú)線通信業(yè)務(wù)的運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性，提升我國(guó)鐵路行業(yè)的整體服務(wù)水平。

[1] 方旭明，崔亞平，閆莉，等.高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的演進(jìn)與發(fā)展[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2015，37(1)：226-235.

[2] 何明，高新，宋永勝.基于Atoll的TD-LTE組網(wǎng)方案仿真與現(xiàn)網(wǎng)驗(yàn)證[J].移動(dòng)通信，2013，37(10)：83-86.

[3] 中國(guó)鐵路總公司.高速鐵路通信技術(shù)——鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM-R)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2014：2.

[4] 顏菁.GSM-R通信系統(tǒng)數(shù)字地圖的制作及其應(yīng)用[J].鐵道通信信號(hào)，2010，46(3)：49-51.

[5] 趙品勇，吳松，甘志輝.GSM-R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的頻率規(guī)劃[J].移動(dòng)通信，2007(9)：56-59.

[6] 吳克非.中國(guó)鐵路GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2008：105-106.

[7] 陰同.長(zhǎng)大隧道GSM-R弱場(chǎng)解決方案[J].鐵道通信信號(hào)，2014，50(4)：84-86.

[8] 楊玉修.西成客運(yùn)專(zhuān)線部分特殊地段GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(9)：106-109.

[9] 羅杰.鄭州黃河公鐵兩用橋GSM-R系統(tǒng)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋方案研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(9)：131-133.

[10] 時(shí)慶飛.光纖直放站原理及在鐵路移動(dòng)通信的應(yīng)用[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2010，7(2)：38-40.

[11] 安三力，丁珣.典型鐵路并線區(qū)段GSM-R覆蓋方案研究[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2011，8(4)：18-21.

[12] 沈吟.合蚌客運(yùn)專(zhuān)線特殊區(qū)段GSM-R方案研究與探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(8)：108-110，116.

[13] 吳靜.集包四線特殊地段無(wú)線覆蓋研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(4)：111-115.

[14] 趙留俊，周建美.鐵路十字交叉區(qū)域GSM-R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋研究[J].鐵道通信信號(hào)，2015，51(10)：4-7.

[15] 郭少磊.交叉并線區(qū)段GSM-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原則與系統(tǒng)優(yōu)化[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2014，11(4)：37-38，72.

[16] 劉立海，胡曉紅，劉建宇，等.鐵路樞紐GSM-R無(wú)線覆蓋方案設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)鐵路，2009(12)：41-44.

[17] 胡昌桂.南京鐵路樞紐內(nèi)GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化解決方案[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(1)：102-104.

[18] 國(guó)家鐵路局.TB10088—2015 鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM-R)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2015：14.

[19] 閻越明，劉盛堯.關(guān)于ASSET軟件在GSM-R系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用的研究[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2015，12(3)：53-55，68.

[20] 肖蒙，劉佳佳，林俊亭，等.高速鐵路的GSM-R無(wú)線傳播模型校正[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38(2)：113-116.