（电路与系统专业论文）gsmr承载ctcs3业务的通信质量分析.pdf

浙江人学硕士学位论文 摘要 c t c s 3 级列车运行控制系统是高速列车安全运行的重要保障。c t c s 3 级 列控系统是基于g s m r 无线通信实现车地信息双向传输、无线闭塞中心( i 出c ) 生成行车许可的列控系统。列车高速运动情况下无线信道上的信号衰落和多径干 扰直接影响移动台接收信号的质量，尤其是g s m - r 网络的线性覆盖特征以及列 车的高速运行导致的频繁越区切换成为影响列控信息传输的重要因素之一。为了 对已建和待建的g s m r 网络提供有效的设计依据，保障高速列车运行安全，本 文基于c t c s 3 列控业务数据特点，从场强、信道及越区切换等方面对g s m r 承载c t c s 3 列控业务时的服务质量进行分析，具体内容如下： 根据京津高速铁路沿线场强实测数据，在o k u m u r a - h a t a 和 c o s t 0 2 31 - w a l f i s h - i k e g a m i 路径损耗模型的基础上，采用最小二乘曲线拟合的方 法给出描述京津线部分路段路径损耗的经验公式，对于类似地理环境地区的 g s m r 网络小区规划和网络维护提供了依据。 通过建立g s m r 多径信道传输仿真模型，研究了多径信道下信噪比和多普 勒效应对信号传输误码率的影响，提出基站选址的建议。 基于g s m r 网络切换的过程，分析了切换时延及其对c t c s 3 级列控系统 可能带来的影响，提出了一种适用于g s m r 网络的快速切换改进算法，算法性 能分析显示，该算法能有效降低切换时延，避免乒乓切换。 关键词：c t c s 3 ，g s m r ，路径损耗，多径衰落，切换 i l 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t c t c s 一3i sat r a i np r o t e c t i o ns y s t e mf o rc h i n e s eh i g h s p e e dr a i l w a y c t c s 一3u s e s g s m - rr a d i oc h a n n e lt oe x c h a n g ed a t ab e t w e e nt h et r a c k s i d er a d i ob l o c kc e n t e r ( r b c ) a n dt h et r a i n s r b cg e n e r a t e st h ec o r r e c tm o v e m e n ta u t h o r i t i e s ( m a ) f o rt h e t r a i n s s i g n a lq u a l i t yo fm o b i l es t a t i o ni sa f f e c t e db ys i g n a lf a d i n ga n dm u l t i p a t h f a d i n go nt h ew i r e l e s sc h a n n e l e s p e c i a l l y ，t h el i n e a rc o v e r a g eo fg s m - rn e t w o r k a n df r e q u e n th a n d o v e ra r et w oi m p o r t a n tf a c t o r sw h i c hi m p a c tt h et r a n s m i s s i o no f t r a i nc o n t r o li n f o r m a t i o n t h e r e f o r e ，t op r o v i d et h ed e s i g nb a s i sf o rt h ec o n s t r u c t i o n o fg s m rn e t w o r ka n da s s u r et h et r a i no p e r a t i o ns a f e t ya th i 曲一s p e e dm o v e m e n t ，t h i s p a p e ra n a l y s e st h eq u a l i t yo fs e r v i c ei ng s m rv i at h ea s p e c t so ff i e l ds t r e n g t h , c h a n n e l ，h a n d o v e ra n ds oo n t h e s ea s p e c t so f r e s e a r c ha r ea sf o l l o w s ： a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t so fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l ds t r e n g t ho nb e i j i n g t i a n j i n h i g h - s p e e dr a i l w a y t h i sp a p e rp r o v i d e sa ne m p i r i c a lf o r m u l ab yt h em e t h o do fl e a s t s q u a r e sc u r v ef i t t i n gb a s e do no k u m u r a - h a ma n dc o s t - 2 31 - w a l f i s h - - i k e g a m ip a t h l o s sm o d e l t h ee m p i r i c a lf o r m u l ai s p r a c t i c a l i n g u i d i n gg s m - rn e t w o r kc e l l p l a n n i n ga n dn e t w o r km a i n t e n a n c e b i te r r o rr a t ec a u s e db yd o p p l e re f f e c ta n ds n ri nm u l t i p a t hc h a n n e la r ea n a l y z e d a n ds i m u l a t e d s u g g e s t i o n sf o rt h es e l e c t i o no fb a s es t a t i o ns i t e sa r ea l s op r o v i d e d a na d v a n c e dh a n d o v e ra l g o r i t h mf o rg s m rn e t w o r ki sp r o p o s e db a s e do nt h e s t u d i e so fh a n d o v e rp r o c e s s h a n d o v e rd e l a ya n di t si m p a c to nc t c s 一3a r ea l s o a n a l y z e d t h ea l g o r i t h mc a nr e d u c et h eh a n d o v e rd e l a ye f f e c t i v e l ya n da v o i dt h e p i n g p o n gh a n d o v e r k e y w o r d s ：c t c s 一3 ，g s m - r ，p a t hf a d i n g ，m u l t i p a t hf a d i n g ，h a n d o v e r i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝姿态堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：童侈 签字日期 f 。年涉细日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘鲎可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：苕7 5 - 签字日期d p 年3 月卢r 导师签名： 一缈矽 签字嗍少。年弓月7 r 浙江人学硕士学位论文 致谢 浙江大学两年半的学习和生活中，我有幸结识了很多良师益友，他们给了我 很大的关心和帮助。首先衷心感谢我的导师金心宇教授和王柏祥副教授，在整个 研究生阶段，无论是在科研方面、生活方面或者是在如何为人处事上，他们都给 予我无微不至的关怀。无论在工作作风上或者是在学术上，他们都给我树立了一 个榜样。他们严谨的工作作风、渊博的科学知识、敏锐的洞察力以及诲人不倦的 育人态度，给我以深深的影响。经过研究生阶段的学习，我不仅学到了研究学问 的方法，也学到了许多生活和做人的道理，在此表示衷心的感谢和敬意。 张昱老师在我的学习、科研和论文写作期间，也给予了无私的指导和关怀， 在此表示衷心的感谢。 还要感谢我的同学朱畅、吴砥柱、张正宣、吴端坡、谢煜峰、何群峰、孙伟、 朱丁丁、周春喜等，感谢他们在生活上和学习上给予我的热情关怀，正是他们使 我的生活增添了不少色彩。两年来，我们在实验室这个大家庭里，互相学习、共 同进步，一起奋斗的生活令人难忘。 最后，我还要特别感谢我的父母和哥哥，他们所给予的关心、支持和鼓励， 是我人生道路上永恒的动力! 黄飞_ 臾乜 2 0 1 0 年1 月于浙江大学 折江人学坝i 学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 2 0 0 4 年1 月，国务院批准了中国铁路历史上第一个中长期铁路网规划【l j ， 尤其是2 0 0 8 年全球经济的爆发，对我国经济产生重大影响，为了刺激经济发展， 进一步拉动内需，缓解金融危机带来负面作用，2 0 0 8 年1 0 月3 1r 经国务院批准 正式颁布实施中长期铁路网规划( 2 0 0 8 年调整) ，规划到2 0 2 0 年，全国铁路 营业里程达到1 2 万公里以上，复线率和电化率分别达到5 0 和6 0 以上，主要繁 忙干线实现客货分线，基本形成布局合理、结构清晰、功能完善、衔接顺畅的铁 路网络 2 】【3 】，规划中突出客运专线、区际干线和煤运系统的建设。在“十一五”期 间，中国铁路将建成7 0 0 0 k m 世界上最大的高速铁路网络，到2 0 1 2 年将建成1 2 5 0 0 k m 的高速铁路，其中时速2 5 0 k m 高速铁路6 0 0 0 k m ，时速3 5 0 k m 高速铁路6 5 0 0 k m j 。 今后几年将是我国高速铁路的加速建设时期，形成的高速铁路网规模将远远超过 法国、日本和德国现有的高速铁路规模。 高速铁路技术的国有化涉及到大量的技术难题，从技术体系上而言，主要包 括：公路工程、牵引供电、运行控制与通信、高速列车、客运服务、综合维修、 安全防灾和应急处理、工务工程【4 】。其中运行控制与通信系统是保障列车运行安 全的最重要的系统之一，尤其是我国需要建设时速高达3 5 0 k m 的高速客运列车， 列车运行的安全性更是重中之重，直接关系到旅客的人身生命财产安全，一旦出 现任何故障，都可能导致无法估量的后果，因此需要对列车运行控制系统的各个 方面进行深入的研究和反复的实验，保证列车以极高的安全系数稳定运行。列车 运行控制系统简称列控系统，列控系统是确保列车安全的控制系统，目前我国已 经形成了c t c s 2 级列控标准，为了满足新一代高速铁路的需求，按照“先进、 成熟、经济、使用、可靠”的要求，我国3 0 0 k m h 及以上高速客运专线确定c t c s 3 级作为全路统一技术平台体系，并且兼容c t c s 2 级实现动车组上下线运行【5 j 。 c t c s 3 级列控标准的一个重大改进就是采用基于g s m r 网络的a t p 系统，采用 g s m r 通信系统来实现列车与地面之i h j 的双向无线的数据传输，代替目前采用轨 道电路来传输色灯信号，是铁路基于通信技术的列车控制系统的关键技术，g s m r 浙订：人学蟛 l j 学位论文 无线通信可以提供车地之问的双向安全数据的电路域数据传输通道。 1 2 国内外主要研究现状 目前国外主要的高速铁路技术主要有：t g v 技术，以法国为代表，列车运 行控制系统采用u m 2 0 0 0 + t v m 4 3 0 系统；i c e 技术，以德国为代表，列车运行 控制系统采用改进型l z b 系统；新干线( 轮轨技术) ，以同本为代表，列车运行 控制与综合凋度系统分别采用数字a t c 与c o s m o s 系统；摆式列车，以意大 利为代表，采用e t c s 2 列控系统。目前比较成熟的有欧洲列车控制系统 ( e t c s ) 、北美增强列车控制系统( i t c s ) 和应用于重载运输的机车同步操作 控制系统( l o c o t r o l ) 6 】【7 】。欧洲的e t c s 系统从e t c s 2 级就开始采用g s m r 无线通讯技术承载车地间通讯。 中国铁路列控系统标准是在深入研究欧洲g s m r e t c s 的基础上，结合我 国具体国情而制定。中国c t c s 列控系统共分为5 个等级，包括c t c s 0 级、 c t c s 1 级、c t c s 2 级、c t c s 3 级、c t c s 4 级例。 我国c t c s 一3 级列控系统也采用了g s m r 网络承载车地问双向通讯，同时 还兼容c t c s 2 级列控系统，在g s m r 无线网络通讯突然发生中断、地面设备 发生故障、强制降级命令等情况出现的情况下，启动c t c s 2 级列控单元，以最 大限度的保证列控系统的正常运行，保护列车运行安全一j 。 1 3 本文研究目的和意义 我国c t c s 一3 级列控系统是借鉴e c t s 一2 级列控系统的基础上结合我国高速 铁路的实际情况而提出的，并在此基础上前向兼容c t c s 。2 ，由于我国列车种类 繁多、交路复杂、罩程超长、地理环境复杂等特点，决定我国列控系统比e t c s 技术难度更大，而且目前我国高速铁路应用的列控系统多是采用的进口设备，各 种参数和指标能否适合我国的铁路状况还需要更长时问的测试和研究，同样 c t c s 一3 标准也需要随着我罔高速铁路的不断发展而逐步完善。例如车地通讯中 断超时时间参数tn v c o n t a c t 我国c t c s 一3 规定为7 2 0 秒【纠，而欧洲各国规 定也不尽相同，法国规定9 秒，意大利规定为7 秒，英国设为8 0 秒【l ，需要通 2 过理论分析和长期的运营测试的基础一卜寻找最合理，最适合我幽特点的参数指 标。 g s m 蜂窝移动通信技术应用于公网的时候，对其通信可靠性要求有限，而 g s m r 网络是在g s m 的基础上针对铁路应用的特点改进而来，对其网络服务 质量提出了新的要求，尤其是当g s m r 承载列控信息传输的时候，关系到车地 间安全控制信息的传递，其服务质量直接影响到列车运行安全，对g s m r 服务 质量的研究及其对列控信息传输的影响的研究都是极为必要的。 对于车载移动台而言，接收信号电平和信号质量直接体现了g s m r 网络的 服务质量，对于g s m r 网络而言，复杂多变的无线信道是造成移动台接收信号 不稳定的决定因素，因此本文首先对无线信道上的路径损耗模型进行研究，并且 结合京津线的实测场强数据进行修正，得到更加准确描述场强损耗信息的经验公 式，可用于指导类似地理环境下的小区规划和网络维护。路径损耗公式只是体现 无线电波传播损耗的中值信息，复杂地理环境下造成的多径传播干扰会造成接收 信号短时间内的大幅波动，将会显著影响g s m r 服务质量，因此有必要对多径 干扰进行研究，本文通过m a t l a b 的s i m u l i n k 工具箱构造g s m r 多径传输信 道的仿真模型，通过仿真研究信噪比、多普勒效应对传输误码率的影响，研究基 站到轨道不同距离时多普勒效应对多径干扰的影响程度，从而总结复杂多径干扰 环境对g s m r 服务质量的影响机制，给出基站选址的建议。 除了无线信道的各种损耗和干扰外，列控信息是通过g s m r 的电路域进行 传输的，列车运行速度极快，因此带来的频繁切换问题将会对g s m r 服务质量 带来重要影响，切换时延、切换成功率成为g s m r 系统性能的重要指标，因此 本文深入研究越区切换过程，探讨切换时延及其对c t c s 3 列控系统的影响，在 此基础上提出了一种适用于g s m r 网络的改进的快速切换算法。最后，论文根 据京津线上对g s m r 网络服务质量的实测数据出发，综合分析了各种g s m r 服务质量的影响因素。 1 4 本文内容和结构安排 本文主要从研究c t c s 一3 级列控系统基本结构及其无线数据传输承载层 g s m r 网络结构出发，研究c t c s 3 级列控系统对g s m r 网络传输质量的要求。 3 浙i i ：人学帧i j 学位沦文 针对影响g s m r 服务质量的路径损耗、多径衰落和越区切换等三个重要因素进 行研究，并对路径损耗和多径衰落问题分别进行了理论分析和仿真研究，在分析 了高速运动中越区切换机理的基础上，提出了一种适用于g s m r 网络的改进切 换算法。最后结合对京津客运专线的实测数据，综合分析京津线网络服务质量的 各种影响因素。 以下的各章节组织如下： 第二章主要介绍了列控系统的基本原理、g s m r 网络的基本结构以及列控 系统对g s m r 网络的服务质量指标要求。 第三章主要介绍对g s m r 无线信道传输过程中的路径损耗以及多径衰落的 研究，通过经典路径损耗公式与京津线实测数据的拟合，构造描述京津线部分路 段无线信号路径损耗的经验公式。采用m a t l a b 的s i m u l i n k 工具箱构造多径干扰 信道，研究信噪比和多普勒效应对g s m r 传输误码率的影响。 第四章主要研究g s m r 网络高速运动状态下的切换问题，通过对切换过程 研究和切换时延的分析，研究g s m r 切换对c t c s 3 列控系统影响。提出一种 改进的适用于g s m r 网络的快速切换算法，并对算法性能进行分析。最后根据 综合检测车在京津线上对g s m r 网络服务质量的实测数据，综合分析了各种影 响因素。 第五章对本文的研究内容进行了总结和展望。 4 浙江人学硕t ：学位论文 第二章c t c s 3 和g s m r 系统结构及原理 2 1c t c s 3 级列控系统 2 1 1c t c s 3 级列控系统基本结构 c t c s 3 级列控系统应用于我国铁路时速3 0 0 - 3 5 0 k m 客运专线，是基于 g s m - r 无线通信实现车地信息双向传输、无线闭塞中心( i m c ) 生成行车许可， 同时具备c t c s 2 级功能的我国的列车运行控制系统。c t c s 3 属于 a t p ( a u t o m a t i ct r a i np r o t e c t i o n ) 系统的一种，对高速运行下的列车运行速度、运 行间隔等实时监控和超速防护，以目标距离连续速度控制模式、设备制动优先的 方式监控列车安全运行，并可满足列车跨线运行的要求。c t c s 3 级列控系统满 足运营速度3 5 0 k m h 以上、最小追踪间隔3 分钟的要求【9 】。图2 1 是c t c s 3 级 列控系统的基本结构图。 i h f ：蚺i ，移器i h ：牡站f h 川：矾掣转燃盘选串_ 辽 舭j ； ：电f 鞫投函 图2 ic t c s 3 级列控系统基本结构图 5 浙江人硕l j 学f ：，沦文 c t c s 3 级列控系统包括地面设备和车载设备。地面设备由无线闭塞中心 ( r b c ) 、t c c 、z p w - 2 0 0 系列轨道电路、应答器( 含l e u ) 、g s m r 通佶接口 设备组成；车载设备由车载安全计算机、g s m r 无线通信单元、轨道电路信息 接收单元( t c r ) 、应答器信息传输模块( b t m ) 、测速模块、紧急制动接口等 组成【8 】【9 1 。 c t c s 3 标准设计兼容c t c s 2 标准，车载c t c s 2 控制单元、轨道电路等 设备就是为c t c s 2 通信服务。在c t c s 一3 模式下，r b c 根据轨道电路、连锁进 路等信息生成行车许可( m a ) ，并通过g s m r 无线通信系统将行车许可、线路 参数、临时限速等信息传输给c t c s 3 级车载设备；同时通过g s m r 无线通信 系统接收车载设备发送的位置和列车数据等信息8 】【9 1 。 在车载设备侧，通过g s m r 无线通讯终端接入g s m r 网络，提供数据传 输服务；在地面侧，无线闭塞中心r b c 通过i s d np r i 接口与g s m r 网络移动 交换中心( m s c ) 连接，m s c 为r b c 的p r i 接口分配统一的i s d n 呼入号码。 2 2g s m r 网络 2 2 1g s m 。r 网络基本结构 铁路综合调度移动通信系统( g s mf o rr a i l w a y - g s m r ) 是由国际铁路联盟 ( u i c ) 为解决列车高速运行时语音和数据通讯问题而推出的。g s m r 是在g s m 蜂窝网基础上增加了调度通信功能和适合高速环境下使用的要素组成的【7 1 ，图 2 2 是g s m r 网络的基本结构和接口示意图。 6 浙江人学顺i j 学位论文 图2 2g s m r 网络结构及接口 移动台( m s ) ：是指g s m r 网络的用户终端设备，它与g s m 网络之间的 接口是无线接口，称为空中接口( u m ) 1 l 】，这个接口是本文研究的主要接1 2 1 。 基站子系统( b s s ) ：由一个基站控制器( b s c ) 和多个基站收发信机( b t s ) 组成，b t s 主要负责与m s 进行通讯，并且管理空中接口，b s c 则用于管理b t s 与移动交换中心( m s c ) 之间的信息流。b t s 与b s c 之间接口为a b i s 接口。 网络子系统( n s s ) ：由移动交换中心( m s c ) 与一系列相关数据库组成， 负责端到端呼叫、用户数据管理、移动性管理和固定网络连接。b s c 与m s c 之 间通过a 接口连接。数据库主要包括：归属用户位置寄存器( h l r ) ，负责存储 所有移动用户相关数据；访问用户位置寄存器( v l r ) ，存储进入其控制区域内 已登记的移动用户相关信息；鉴权中心( a u c ) ，提供用户鉴权和信息加密等功 能：移动设备识别寄存器( e i r ) 用于存储所有移动设备国际移动设备识别码； 组呼寄存器( g c r ) ，这是g s m r 中引入的新数据库，用来存储组呼( v g c s ) 和广播呼叫( v b s ) 相关数据【。 操作和维护子系统( o s s ) ：此子系统为g s m r 网络提供管理和维护功能， 具体由操作维护中心( o m c ) 完成管理功能。 2 2 2g s m r 网络无线覆盖 g s m r 网络在铁路沿线是采用线状覆盖，只有在车站、编组站等少数地区 7 采用面状覆盖。线状覆盖的蜂窝基本原理与面状覆盖类似，但是在小区频率组的 分配和重叠区的问题上需要单独考虑吲，为了保证铁路列控系统等关键信号的传 输，g s m r 针对铁路线状覆盖又有专门的几种方案。 2221 普通单网覆盖 普通单网覆盖是虽基本并且结构最简单的无线覆盖方式，其结构如图2 - 3 所 示。普通单网覆盖情况下铁路g s m r 网络的基站分布在铁路沿线，通过安装定 向天线形成椭圆形覆盖小区，各基站之间有重叠区域供执行小区切换，小区重叠 区域应该足够长以保证高速列车运行速度下具有足够的时间完成切换任务。这种 覆盖类型简单，但是容灾性能差，一旦有基站出现故障或者切换不成功，易于出 现掉话而导致通讯中断，如果基站控制器出现战障可能导致多个基站故障造成大 面积覆盖失效。 ，、，、 ( 圆蔫敝碧鞠熊( 鞠鼍霸赣) 、，、，7 1 、 图2 - 3 普通单网覆盖示意图 2 2 22 单网交织冗余覆盖 单网交织冗余覆盖结构如图2 - 4 所示这种覆盖是在普通单网交织覆盖的基 础上进行冗余覆盖。这种覆盖情况下，通过加密基站和弱场设备等方法，使得沿 线上如果有单台基站或者弱场设备出现故障的时候，该故障点可以通过相邻的基 站或者弱场设备的覆盖下保证通讯质量，提高了系统的容灾性能，但是这种覆盖 情况下存在当基站控制器故障引起的多个基站连续故障导致的信号连接中断 1 2 1 。 浙扛人学嘣1 学位论文 图2 4 单同交织兀余覆盖示意图 2 223 同站址双层网络冗余覆盖 同站址双层网络覆盖结构如图2 - 5 所示。同站址双层网络覆盖是指在相同站 点处，设置两套基站，同时覆盖相同的区域，选两套基站可以共用设备工作问， 铁塔，传输和电源等配套设施。这种覆盖情况下，两套基站处于并行运行的不同 层网络，能够各自独立运行，当一层站点出现故障的时候，移动台可以立即切换 到另外一层网络，从而保证通讯。但是这种方式在出现外部自然灾害，例如火灾、 洪灾等情况时候，可能导致整个站点内两层网络的基站都发生损耗，造成信号连 接中断。 剧2 - 5 同蛄址双层网络覆盖 浙人学删【学位沦土 22 24 交织站址双层网络冗余覆盖 交织站址双层网络覆盖结构如图2 - 6 ，与单层交织网络覆盖最大不删点就是 具有两层并行运行的网络，两层网络同时工作互为补充，第二层网络的站点位于 第一层网络的两个站点之问，每个基站都有自己独立机房和天馈系统。一旦某 层网络中的站点出现故障，另外一层的网络服务将不会受到影响，并且通过切换 立即提供服务，从而保证网络递畅。这种覆盖方式的缺点是会带来小区规划复杂 和成本提高。 幽2 - 6 交织站址双层网络冗余覆盖 2 2 3g s m - r 空中接口主要参数 空中接口( u m ) 是指g s m r 网络的无线接口部分足指用户移动终端与 g s m r 网络基站之问的的接口。表2 - 1 列出了g s m - r 数字蜂窝网络和g s m 9 0 0 数字蜂窝网络之间的主要参数区别f 1 耵“j 。 袁2 - 1g s m - r 与g s m 无线接口参数对比 g s m 制式 g s m rg s m9 0 0 多址方式t d m a f d m at d m 斛d m a 频段m h z上行8 8 5 - 8 8 9 8 9 0 9 1 5 下行9 3 0 。9 3 49 3 5 9 6 0 i 攀套垄士 载频i i i j 隔t l l - k h z 2 0 02 0 0 双工收发频率问隔m h z 4 5 4 5 相邻频1 煎r n j 隔k h z 2 0 02 0 0 调制方式g m s k g m s k 调制速率2 7 0 8 3 3 k b i t s2 7 0 8 3 3 k b i f f s 载频数目 2 11 2 4 绝对频点号( a r f c n ) 9 9 9 一1 0 1 91 1 2 4 频道标称中心 f l ( n ) = 8 9 0 m h z + ( n 一10 2 4 )f l ( n ) = 8 9 0 2 m h z + ( n 一1 ) 上行 频率与绝对频 o 2 m h z0 2 m h z 点号换算关系下行 f h ( n ) = f l ( n ) + 4 5 m h zm ( n ) = f l ( n ) + 4 5 m h z 同频干扰保护比控制信道及列控业务 c i 9 d b 信道c i 1 2 d b ，其他业 务信道c i 9 d b 邻频干扰保护比c i 6 d b c i 9 d b 载波偏离4 0 0 k h z 时干扰c i 一38 d bc i 三4 1 d b 保护比 从上表可以看出，g s m r 网络在空中接口部分主要参数与g s m 9 0 0 网络在 包括多址方式、调制方式、调制速率、载频间隔等基本参数上是相同的，我国的 g s m r 网络专门为铁路分配了4 m h z 的频带宽度，在一些铁路专用业务需求的 时候对网络的干扰保护比要求较高。 2 2 4g s m r 网络的无线信道 移动通信网络的各个传输信道中，位于空中接口的无线传输信道是最为复杂 的信道，也是最不稳定的信道，无线信道的传输质量常常成为制约移动通信质量 的瓶颈。在无线信道上，无线电波传输本身会凼为能黾的扩散而引起损耗，在传 播过程中还会由于各种障碍物引发反射和散射现剃1 6 】，它们对直射波引起干涉， 产生多径衰落现象，另外在高速铁路的移动通讯中，由于移动接收终端的快速运 动导致的多普勒效应也会对信号接收产生影响，复杂、恶劣的传播条件而导致的 浙i t 人。筝坝i j ! 学f ；l i 2 文 无线信道传输特性随时间的较快变化成了无线信道的重要特征。 研究无线信号在自山空l f i j 中的衰落，自由空问足指相) ( t 介电常数和相对导磁 率均为l 的均匀介质所存在的空问，是理想传播条件。电波在自由空间传播时， 其能量既不会被障碍物吸收，也不会发生反射和散射【1 7 】。通过研究发现，自由 空问传播的无线电波信号会因为辐射能量的扩散而引起损耗，并且其能量损耗符 合公式( 2 1 ) 的规律【1 1 8 1 。 p = 只( 南) 2 g f g l ( 2 - 1 ) 公式中各项参数： 只：接收机的接收功率； 只：发射机的发射功率； 九：波长； d ：接收机和发射机之间的距离； g r ：发射机天线增益； g t ：接收机天线增益。 从公式( 2 1 ) 可以看出，接收机的接收功率受到发射机功率、无线电波工 作频率厶传播距离d 和天线增益的影响，如果其他参数不考虑的话，接收功率 与工作频率平方或者传输距离的平方成反比，即工作频率或者传输距离增加一 倍，则接收功率降低1 4 ，可见在自由空i 日j 内电波传输损耗就相应增加了6 d b 。 自由空间中的无线信号衰落是理想状况，在分析g s m 。r 蜂窝无线系统的时 候，需要考虑比较复杂的信道模型。信道模型主要分为三个部分：发送端与接收 端之间的路径损耗，往往用各种路径损耗的传播模型表征；对数正态阴影衰落， 也称长期衰落；多径传播衰落，也称短期衰落【】s j 。 路径损耗的传播模型分为统计型模型和决定型模型，统计型模型是采用测试 数据，根掘对测试数据的统计分析得到的传播模型，一般计算量小，对电子地图 信息的要求较低，并且可以利用实测数据加以修萨；决定型模型则是根据传播路 径上的自然环境的几何信息，利用电波的绕射和反射理沦得到的模型，计算量较 为庞大，而且对电予地图的数据要求较高，需要详细的障碍物信息，难以利用测 试数据进行修正【l l 】。一般情况下，统计型模型适合于1 - 3 5 k m 预测，常见的统计 型模型有o k u m u r a h a t a 模型、c o s t - 2 3l 模型；决定型模型在l k m 以内预测准 1 2 浙江人学f t 鲥 一f ，沦史 确度比较高，常见的决定堑! 模型有c o s t - 2 3 1 一、a l f i s h i k e g a m i 模型【72 i 。在进行网 络建设的时候，需要根据网络所处的实际地理情 兕以及场强变化的实际测量结果 米修f 上述传播模型。 在移动台和l 基站之问通常存在高大建筑物，山体，树林等地貌环境，这些障 碍物的阻挡会导致电磁场的阴影效应，从而导致接收信号强度下降。在野外实测 结果表明，这种衰落服从对数难态分布，接收信号的中值电场与基站和移动台距 离的四次方成反比。由于这种场强变化随着地理位置、时间、移动台的速度做比 较平缓的变化，因此称为长期衰落或者是慢衰落，又因为其接收场强中值受到电 磁场阴影影响的变化，因此又称为阴影衰落 1 6 】。 在电波传输过程中，往往受到建筑物或者是地形的影响而发生反射、散射等 现象，导致在信号接收端除了接收到直射波以外，还接收到其他多种传播路径到 达的信号，而且随着接收移动台的移动，各个传播路径上的信号幅度、时延和相 位也随时随地发生变化，这些多径信号相互叠加产生的干涉场，使得接收信号形 成深度而且快速的衰落，形成严重衰落谷点，使矢量和接近于零【i7 | 。多径效应 使得接收信号叠加后的信号幅度变化的包络接近瑞利分布，因此被称为瑞利衰落 【1 9 】。瑞利衰落随时j 、日j 急剧变化，又被称为短期衰落或者快衰落。衰落速率( 每 秒钟信号包络经过中值电平次数的一半) 最快时为每秒2 v x ( v 是移动速度，九 是信号波长) ，衰落深度可达到2 0 4 0 d b 1 6 】，这将会严重影响接收信号质量，因 此也是本文主要研究的方向。 2 3 满足c t c s 3 级列控系统的g s m r 网络质量指标 2 3 1g s m r 承载c t c s 3 级列控系统的网络接口 g s m r 网络为c t c s 3 级列控系统提供车地之i 、日j 的双向数据传输通道， c t c s 3 级列控系统对g s m r 网络的网络传输服务质量( q o s ) 做出了严格的要 求。 c t c s 一3 级列控系统与g s m r 网络之i 日j 的接口为i g s m r 接口和i r l x 接口，列 控系统与g s m r 网络之问的网络接口示意图如图2 7 【8 】所示。 1 3 浙江人。埘! i ：学位论文 ；s v l - 冀 = 络 f 丁( s 一3 隅( 斑 卜t c s 一3t i 绒淡貉一卜t c s 一3 地 拈f 没静叫 图2 7c t c s 3 级列控系统与g s m r 网络接口示意图 图2 7 中的i f i x 接口是列控系统中地面没备单元与g s m r 网络的移动交换 中心( m s c ) 之间的接口，此接口为p r i 接口，接口速率为2 0 4 8 k b i t s 。图2 7 中的i g s m - r 接口是指c t c s 一3 列控系统中的车载设备部分中的终端设备( t e r m i n a l e q u i p m e n t t e ) 与移动终端( m o b i l et e r m i n a t i o n t e r n i n a t e d m t ) 之间的接口。 i g s m r 接口左侧主要是包含用户应用和终端，右侧m t 有三种类型包括：m t o 、 m t l 、m t 2 ，我国c t c s 3 级列控采用m t 2 类型。i g s m r 接口为信令和用户数 据传输提供了不同的操作模式。m t 与g s m r 网络之间的u m 接口是m t 与基 站之间交互的无线信息传输的接口。 2 3 2c t c s 3 级列控系统对g s m r 网络的q o s 要求 c t c s 3 列控系统对g s m r 的网络q o s 指标要求较高，对其可靠性、冗余 性、容灾性能等方面提出了比普通g s m 公共网络严格的多的需求，需要在包括 隧道、桥梁、车站等所有c t c s r 列控系统的应用场合，克服带宽和外部恶劣 环境的影响的情况下满足高速列车通话和列控信息传输。其对g s m r 网络的 q o s 要求主要包括7 个重要参数，如表2 - 2 所示【9 】： 表2 - 2c t c s 一3 列控系统对g s m r 网络q o s 需求 q o s 参数 指标要求值q o s 参数 指标要求值 网络注册时延 3 0 s ( 9 5 )连接建立时延 8 5 s ( 9 5 ) 9 5 s ( 9 9 )s 1 0 s ( 1 0 0 ) 连接建立失败概率 1 0 2 最大端到端传输时如5 s ( 9 9 ) 延 ( 3 0 字节用 户数据) 链路连接丢失( 失 1 0 。2 h 传输干扰时间 7 s ( 9 9 1 ( 传输恢复时间) 上述各个参数的基本定义以及指标要求的意义如下： 网络注册时延：网络注册时延指发起网络注册请求命令到收到已成功注册 g s m r 网络的标志之问的时问问隔。要求在测试置信度9 5 的情况下，网络注 册时延小于等于3 0 秒；在测试置信度9 9 的情况下，网络注册时延小于等于3 5 秒【2 5 】。 连接建立时延：连接建立时延是指连接请求方从发起连接请求到收到连接已 成功建立的指示之间的时间间隔。要求在测试置信度9 5 情况下，连接建立时 延小于8 5 秒；在置信度1 0 0 情况下，连接建立时延小于等于1 0 秒【2 5 1 。 连接建立失败概率：连接建立失败概率是指连接建立失败次数与连接建立请 求总次数之比值2 5 1 。对于通讯终端而言，当连接建立时延超过一定时限时，就 会主动停止当前连接，以避免出现长时间链路中断情况。g s m r 网络要求当呼 叫建立时延超过1 0 秒时即认为本次连接建立发生失败，要求连接建立失败率小 于1 0 2 2 6 j 。 最大端到端传输时延：用户数据帧传送时延是指用户数据帧发起传送请求到 该用户数据帧成功传送之间的时间间隔【2 5 1 。规范规定用户数据帧表示测试数据 帧，其长度应该为3 0 个字节。在置信度为9 9 情况下，最大端到端传输时延应 该小于o 5 秒【2 6 】。 链路连接丢失( 失效) 概率：链路连接丢失的概率是指在累积的单位连接时 间内非主动释放连接事件出现的累积次数 2 5 】。链路丢失概率应该小于1 0 一2 h ，即 表示在持续1 0 0 小时内，意外断开的次数要小于1 次【2 6 】。由于列控业务应该是 在列车整个运行期间保持持续在线的，每次意外的连接失效都会触发车载系统与 地面r b c 之问的连接重建，而且通讯终端并不能马上建立新的连接，而是需要 完全释放已有连接，然后j 能发起新的连接建立请求，连接建：立请求超过规定的 1 0 秒时延则认为连接再次失败，因此链路连接丢失率与连接建立时延和连接建 立失败率都有直接关系，链路连接失败率高则链路连接失效概率也会增高。频繁 的链接失效必然严重影响列控系统的正常工作，对列车运行安全造成重要影响。 t 5 折i 1 ：人学颂i ：学f 童论j 文 传输干扰时问和传输无差错时i h j ( 传输恢复时f j ) ：两者都是在传输。i 二扰发 生时的概念，传输干扰是指接收端接收到的用户数据帧与发送端发送的用厂】数据 帧存在部分或者完全的差别，那么就认为发生了传输干扰。按照用户数据( 3 0 字节) 为一个数掘帧，一旦此数掘帧中有任意一个字节发生错误，则认为此帧出 现传输干扰。从第一个出现传输干扰的帧直到第一个没有任何错误的用户数据帧 结束这段传输时间定义为传输干扰时间t t i ，从第一个完全没有错误的用户数据 帧开始，直到第一个出现错误的用户数据帧结束，称为传输无差错时间t r e c ( 传 输恢复时间) 。在实际测试中通常采用传输干扰率来表征传输干扰，传输干扰率 定义为单位时间内传输干扰期出现的次数【2 5 】【2 7 】【2 8 】【2 9 1 。 1 6 第三章无线信道的路径损耗和多径衰落 3 1 路径损耗模型 3 1 1o k u m u r a h a t a 路径损耗模型 自由空问的路径损耗只考虑理想自由空间情况，即使考虑到经过理想地面反 射以后的平坦地面路径损耗，也只是能得出总的路径衰减在4 0 d b 1 0 倍程的变化 范围，无法比较准确的获得实际环境下的路径损耗，在2 0 世纪5 0 年代杨( w r y o u n g ) d o 】和6 0 年代奥村( yo k u m u r a ) 及其同事就通过大量的实地测量， 完成了2 0 0 到1 9 2 0 m h z 频率范围内的六个不同频点的广泛的路径衰减测量工 作，并且把统计分析的结果以曲线图的形式发表在文献【3 1 1 中。由于奥村的结果 多是曲线的形式，难以用于系统设计，后来羽田( h a t a ) 给出了根据奥村曲线做 出的经验公式，可以得到精确的计算结果，这个公式就是著名的o k u m u r a h a t a 模型公式。o k u m u r a h a t a 模型在城区中值路径损耗公式【3 2 1 为 z u r b 。( d b ) = 6 9 5 5 + 2 6 1 6 1 9 f c 一1 3 8 2 l g h b a ( h 。) + ( 4 4 9 6 5 5 1 9 h b ) l g d 椭( 3 - 1 ) 公式中，厶砌。指城区中的路径损耗，单位d b ；z 是发射机工作频率，单位m h z ， 适用范围1 5 0 1 5 0 0 m h z ；h b 是基站发射机的有效天线高度，单位米，适用范围 3 0 2 0 0 米；h 。是移动台的有效天线高度，单位米，适用范围1 1 0 米；