（通信与信息系统专业论文）高速铁路环境下gsmr无线覆盖规划的研究.pdf

中文摘要 摘要：高速铁路的蓬勃发展给g s m r 带来了新的机遇，但同时高速铁路的高 可靠性要求对作为列控信息承载平台的g s m r 无线通信系统提出了严峻挑战。无 线接入部分是g s m r 系统中的薄弱环节，因此无线部分的可靠性将决定整个系统 的可靠性。同时，列车的高速运动会导致频繁的越区切换，严重影响列控通信业 务的安全，需要对g s m r 系统进行合理的无线规划，以保证通信的持续性和可靠 性。 本文针对高速铁路的情况，分析对比了不同无线冗余覆盖方式的优劣。从满 足列控需求的角度，对小区覆盖和基站间距进行了规划，并对列车速度与重叠区 的关系进行了深入分析和仿真。 针对在高速铁路中广泛应用的三种无线冗余覆盖方案进行了深入分析，就不 同方式的系统可靠性、容灾性、频率利用效率、抗干扰能力和对越区切换的影响 进行了对比，为工程设计中无线冗余方案的选择提供了理论依据。 利用h a t a 模型对高速线路下的几种典型环境进行了路径损耗建模。从满足列 控通信电平覆盖需求出发，得出了不同基站天线高度时的小区覆盖半径。在此基 础上，推导出了重叠区长度计算公式，并重点研究了列车速度、切换带长度、切 换容限和切换时间对重叠区长度的影响，进行了性能仿真。计算出满足不同最高 设计时速时的重叠区长度，将之与根据载干比需求得出的结果进行对比，表明前 者在载干比性能上更佳。最后，对基站问距进行规划，并与列控通信无干扰周期 指标所要求的最小基站问距对比，得出中小城市环境不适宜开行高速列车的结论。 关键词：冗余覆盖；可靠性；小区覆盖半径；重叠区长度；列车速度 分类号：t n 9 2 9 5 2 ；u 2 8 5 2 1 a b s t r a c t a b s t r a c t ：t i l er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h - s p e e d r a i l w a y h a s b r o u g h tn e w o p p o r t u n i t i e st og s m - rb u tt h eh i g hr e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t so fh i g h s p e e dr a i l w a v p o s eas e v e r ec h a l l e n g et og s m - r ，w h i c hs e r v e sa st h ep l a t f o r mf o rc a r r y i n gt r a i n c o n t r o li n f o r m a t i o n w i r e l e s sa c c e s sp a r to fg s m rs y s t e mi s aw e a kl i n k s ot h e r e l i a b i l i t yo ft h ew i r e l e s sp a r tw i l ld e t e r m i n et h eo v e r a l ls y s t e mr e l i a b i l i t y a tt h es a m e t i m e , f a s tm o v e m e n to fh i g h s p e e dt r a i n sl e a d st of r e q u e n th a n d o v e rf a i l u r e ，w h i c hh a sa s e r i o u si m p a c to nt h ec o m m u n i c a t i o n ，s or a t i o n a lr a d i o p l a n n i n gi sn e e d e dt oe n s u r et h e c o n t i n u i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o n i n t h i sp a p a r , f o c u s e do nt h eh i g h s p e e dr a i l w a ys c e n a r i o ，t h e p r o sa n dc o n so ft h e d i f f e r e n tm e a n so fr a d i or e d u n d a n c yc o v e r a g es c h e m ea r ec o m p a r e d c e l lc o v e r a g e r a d i u sa n dd i s t a n c eb e t w e e nb a s es t a t i o n sa r ep l a n n e d m e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so ft r a i n c o n t r 0 1 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt r a i ns p e e da n dt h eo v e r l a pz o n ei s a n a l y z e dw i t h p e r f o r m a n c es i m u l a t i o n t h r e et y p e so fw i d e l yu s e dr a d i or e d u n d a n c yc o v e r a g es c h e m e sa r et h o r o u g h h ， i n s p e c t e d i nt e r m so fs y s t e m r e l i a b i l i t y , d i s a s t e rr e c o v e r y ,f r e q u e n c yu t i l i z a t i o n e f f i c i e n c y ,a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t ya n dt h ei m p a c to nh a n d o v e r t l l i sc o m p a r i s o n p r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o re n g i n e e r i n gd e s i g ni nt h ec h o i c eo far e d u n d a n c y s c h e m e p a t hl o s sm o d e l i n gf o rs e v e r a lt y p i c a le n v i r o n m e n t si sd o n eu s i n gh a t am o d e li n h i g h s p e e ds c e n a r i o c e l lc o v e r a g er a d i u s e sa r ec a l c u l a t e dw i t hd i f f e r e n tb a s es t a t i o n a n t e n n ah e i g h ts a t i s f y i n gt r a i nc o n t r o ln e e d s o nt h i sb a s i s ，t h ef o r m u l af o rc a l c u l a t i n g t h el e n g t ho f o v e r l a pz o n ei sd e r i v e d ，w h i c hp r o v i d e saw a yt or e s e a r c ht h ei m p a e to f t r a i ns p e e d ，l e n g t ho fh a n d o v e rz o n e ，h a n d o v e rm a r g i na n dh a n d o v e rt i m eo nt h e o v e r l a pz o n e l e n g t h so fo v e r l a pd e s i g n e df o rd i f f e r e n tm a x i m u ms p e e d sa r ee o m p a r e d w i t hr e s u l t sd e r i v e df r o mc ir e q u i r e m e n t ，p r o v e st h ef o r m e ri sb e t t e r i nc ir a t i o f i n a l l y , t h ed i s t a n c eb e t w e e nt h eb a s es t a t i o n si sp l a n n e da n dc o m p a r e dw i t ht h e r e q u i r e dm i n i m u md i s t a n c ei m p o s e db yt h ee r r o rf r e ep e r i o d ( q o sp a r a m e t e r ) ，w h i c h l e a d st ot h ec o n c l u s i o nt h a ts m a l la n dm e d i u m s i z e dc i t yi sn o ta s u i t a b l ee n v i r o n m e n t f o rh i g h s p e e dt r a i n s k e y w o r d s ：r e d u n d a n c yc o v e r a g e ；r e l i a b i l i t y ；c e l lr a d i u s ；o v e r l a pz o n e ；t r a i ns p e e d c l a s s n o ：t n 9 2 9 5 2 ：u 2 8 5 2 1 图表目录 表1 1 高速铁路在各国的发展概况2 表1 2 高速铁路在中国的发展概况3 表1 3g s m r 在各国的发展概况4 表2 1 各型列车的衰耗【引l o 图2 1多普勒效应示意图l1 图2 2 多普勒效应对移动通信系统的影响1 2 表2 2 典型情况下的最大多普勒频移值1 2 图2 3 基站与轨道位置关系图1 3 表2 3 远离轨道基站优劣对比1 3 表2 4 解调b s i c 以及m s 切换时间内火车移动的距离1 6 表2 5 不同速度下的误码率结果1 7 表2 6 最小可用接收电平i1 1 】。l8 表2 7g s m r 网络列控类数据业务q o s 指标【l o l 18 表3 1 采用不同冗余覆盖方式的高速线路2 l 表3 2e t c s 2 3 对g s m r 无线业务可用度的要求2 l 图3 1单层交织冗余覆盖示意图2 2 图3 2 双层共站址覆盖示意图2 3 图3 3 交织双层覆盖示意图2 3 图3 4 单小区单方向覆盖示意图2 6 图3 5 单小区双方向覆盖示意图2 7 表3 3 单层交织覆盖频率分组2 8 表3 4 同站址双层覆盖频率分组2 8 图3 6 单层交织覆盖可靠性模型2 9 图3 7 交织双层覆盖可靠性模型。3 0 图3 8 双层共站址覆盖可靠性模型3 0 表3 5 华为无线设备可用度3 1 表3 6 三种冗余覆盖的可用度3 1 图3 9 频率复用度和频率利用率的关系3 2 表3 7 三种冗余覆盖的频率复用度3 2 图3 1 0 频率复用度对比3 3 图3 1 1 不同覆盖方式抗干扰能力3 4 表3 8 三种冗余覆盖的对比。3 6 表4 1 各种传播模型的对比3 9 表4 2 路径损耗修正模型4 0 表4 3 移动终端分类【9 】4 1 表4 4 不同环境下的路径损耗4 1 图4 1 不同环境下的路径损耗4 2 表4 5 机车台设计保护余量4 3 表4 6 满足机车台通信的小区半径4 4 图4 2 重叠区示意图4 5 图4 3 切换带长度与重叠区长度关系4 6 图4 4 切换容限与重叠区长度关系4 7 表4 7 不同切换容限时的重叠区长度4 8 表4 8 不同切换容限时的重叠区长度及重叠比例4 8 图4 5 中小城市环境下列车速度与重叠区长度关系4 9 表4 9 中小城市环境不同速度时的重叠区长度5 0 图4 6 郊区环境下列车速度与重叠区长度关系5 l 表4 1 0 郊区环境不同速度时的重叠区长度5 l 图4 7 乡村准开放环境下列车速度与重叠区长度关系5 2 表4 1 1 乡村准开放环境不同速度时的重叠区长度。5 3 图4 8 乡村开放环境下列车速度与重叠区长度关系5 4 表4 1 2 乡村开放环境不同速度时的重叠区长度。5 4 图4 9 切换时间与重叠区长度关系5 5 表4 1 3 不同切换时间下的重叠区长度5 6 图4 1 0 重叠区示意图5 6 图4 1 1 载干比与重叠区长度关系5 7 表4 1 4 三小区复用时依据载干比计算重叠区长度。5 8 表4 1 5 五小区复用时依据载干比计算重叠区长度。5 8 表4 1 6 两种计算方式重叠区长度对比5 9 图4 1 2 不同计算方式下重叠区长度对比。6 0 图4 1 3 两种计算方式的载干比对比6 0 表4 1 7 两种计算方式重叠区长度对比( 满足非列控业务需求) 6 0 图4 1 4 不同计算方式下重叠区长度对比( 非列控) 6 1 图4 1 5 两种计算方式的载干比对比( 非列控) 6 l 图4 1 6 切换中断对传输的干扰6 3 表4 1 8 不同速度下的最小基站间距6 3 表4 1 9 中小城市环境不同速度下最小基站间距6 4 表4 2 0 郊区环境不同速度下最小基站间距一6 4 表4 2 1 乡村准开放环境不同速度下最小基站间距6 4 表4 2 2 乡村开放环境不同速度下最小基站间距6 5 表1 1 数据集页7 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：了让磋 导师签名： 签字日期k c 【年月f 珀 锄椰k 答字日期：1 “月7 日 | 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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了谢意。 学位论文作者签名：亏t 谁 签字日期： 卜0 1 l 年月i s 日 致谢 本论文的工作是在我的导师钟章队教授的悉心指导下完成的，钟章队教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 钟章队老师对我的关心和指导。 钟章队教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向钟章队老师表示衷心的谢意。同时也对实验室 朱刚教授、李旭教授、张小津副教授、蒋文怡、丁建文和许荣涛老师表示感谢。 在实验室的工作及撰写论文期间，六捷科技有限公司的诸位师兄给予了我很 多的指导和帮助，在此向他们表达我的感激之情。也感谢实验室的各位同学，大 家一起创造了良好的学习和成长氛围。 最后，要感谢远在他方的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成 学k 。 1 引言 1 1 课题背景 根据国际铁路联盟( u i c ) 的定义，凡是新建线路运营速度超过2 5 0k i n & 或 者既有改造线路运营速度超过2 0 0 k m h 的均可称为高速铁路。 1 1 1 国外高速铁路的发展 国外高速铁路发展较早，主要以日本、法国和德国为代表【l 】，下面分别予以介 绍。 日本：1 9 6 4 年，世界第一条高速铁路在日本东京至大贩建成通车，该线始建 于1 9 5 9 年，全长5 1 5 4 公里，称为东海道新干线，该线投入运营后，列车运行速 度达2 1 0 k m h 。这条专门用于客运的电气化、标准轨距的双线铁路，代表了当时世 界第一流的铁路高速技术水平，并标志着世界高速铁路试验阶段跨入了商业运营 阶段。从此，世界铁路高速化揭开了序幕。此后，日本又修筑了山阳新干线等多 条高速线路，截至目前，日本的高速铁路总长达2 4 5 9 公里，运营时速达到3 0 0 k m h 。 法国：法国于1 9 8 1 年建成t g v 巴黎东南线( 巴黎至里昂，全长4 1 7 公里) ，其 列车最高运行时速达2 7 0 公里。法国东南线的成功运营，证明高速铁路也完全适 合欧洲环境，高速列车是一种具有竞争力的现代交通工具。从1 9 8 9 年开始，法国 又陆续建成了巴黎至勒芒与图尔的大西洋线( t g va t l a n ti g u e ) ，加莱至比利时边界 的北欧线和地中海至马赛等高速线路。在2 0 0 7 年四月，t g v 创造了当前轮轨列车 所能达到的最高时速t5 7 4 8 k m h 。目前法国高速铁路总里程达到1 7 0 0 公里。 德国：德国高速铁路称为i c e ( i n t e rc i t ye x p r e s s ) ，其发展晚于法国t g v ，起 始于8 0 年代，但是发展很快。最初的i c e 是试验段，但当时就已经创下了时速 4 0 0 k m h 的记录。1 9 9 1 年6 月汉诺威至维尔茨堡线( 长3 2 7 公里) 正式通车，成为德 国第一条正式运营的高速铁路。此后于1 9 9 2 年6 月建成了曼海姆至斯图加特线( 长 1 0 5 公里1 。1 9 9 9 年，德国的第三代i c e 线路的实际运营速度已经可以达到3 3 0 k m h 。 目前，法国已有科隆至法兰克福，汉诺威至柏林和卡尔斯鲁厄至巴塞尔等多条高 速线路，总里程达1 2 9 0 公里。 表1 1 是目前高速铁路在世界范围内的发展概况。 表1 1 高速铁路在各国的发展概况 t a b l e l 1t h ed e v e l o p m e n to f h i g h - s p i 剐r a i l w a yi nd i f f e r e n tc o u n t r i e s 国家 总里程( 1 【m )运营时速( k i n h )最高速度记录( k m h ) 4 3 0( 磁悬浮) 5 0 2 ( 磁悬浮) 中国 6 0 0 3 3 5 0 ，3 0 0 ，2 5 0 ，2 0 0 ( 常规线路)3 9 4 ( 常规线路) 法国 1 7 0 03 2 0 ，3 0 0 ，2 8 0 。2 i 05 7 4 5 5 0 ( 磁悬浮) 德国 1 2 9 03 0 0 ，2 8 0 ，2 5 0 ，2 3 0 4 0 6 ( 常规线路) 5 8 1 ( 磁悬浮) 日本 2 4 5 93 0 0 ，2 7 5 ，2 6 0 4 4 3 ( 常规线路) 意大利 8 1 43 0 0 ，2 6 0 ，2 0 03 6 8 俄罗斯 6 4 9 2 1 02 6 0 西班牙 1 2 7 23 5 0 ，3 0 0 ，2 5 04 0 4 比利时 3 2 63 0 0 ，2 5 03 4 7 1 1 2 国内高速铁路的发展 与国外相比，我国高速铁路起步较晚，但是近年发展迅速。我国于2 0 0 4 年三 月在上海引进了磁悬浮列车，其最高时速达4 3 0 k m h ：2 0 0 7 年四月开始了常规高 速铁路运营，2 0 0 8 年正式开通的京津城际时速可达3 5 0 k m h ，是目前世界上运营 速度最快的城际高速铁路。 2 0 0 5 年年初国务院常务会议讨论并原则通过了中长期铁路网规划，明确了 我国铁路网中长期建设目标和任务，描绘了铁路网至2 0 2 0 年的宏伟蓝图，这标志 着我国铁路新一轮大规模建设即将展开。根据规划，我国将修建全长达到1 2 0 0 0 公里的高速铁路网络，时速超过2 0 0 k m h ，成为世界上最大的高速铁路网络。 按照u i c 的标准，中国高速铁路分为三种类型： 1 ) 客运专线：客运专线时速超过2 0 0 k m h ，根据规划，我国将修建四横四 纵总长达7 0 0 0 k m 的客运专线网络。在我国，客运专线按照时 速又分为两级： 2 0 0 - 2 5 0 1 m h 级：该种类型线路目前实际为客货两运，但根据规划，一旦 货运线路建成，只进行客运，则该型线路可以升级到时速 3 0 0 k m h ： 2 3 5 0 k m h 级：运营速度在3 0 0 k m h 以上，最高达3 5 0 k m h ，只进行客运。 2 ) 城际高速：在大城市之间开行，最高速度在2 0 0 2 5 0 k m h ； 3 ) 既有升级线路：对于既有干线的改造升级后的线路，时速可达2 0 0 k m h 。 表1 2 是目前中国已建或者计划建设的高速线路的不完全统计。 表1 2 高速铁路在中国的发展概况 t a b l e l 2t h ed e v e l o p m e n to fh i g h s p e e dr a i l w a yi nc h i n a 线路名称长度( k m )设计时速( k i n h )始建日期运营日期 秦皇岛一沈阳 4 0 4 2 0 0 1 9 9 9 0 8 1 62 0 0 3 1 0 1 2 北京一天津 1 1 53 5 02 0 0 5 0 7 0 42 0 0 8 0 7 0 1 济南一青岛 3 6 42 0 02 0 0 7 0 1 2 82 0 0 8 1 2 2 0 石家庄一太原 1 9 02 0 02 0 0 5 0 6 1 12 0 0 9 0 4 o l 合j v , - 武汉 3 5 l2 0 02 0 0 5 0 8 0 12 0 0 9 0 4 0 1 武汉一广州 9 8 93 5 02 0 0 5 0 9 0 12 0 0 9 1 2 0 1 郑州一西安 4 5 53 5 02 0 0 5 0 9 0 12 0 0 9 1 2 2 8 广州一深圳 1 0 53 5 02 0 0 5 1 2 1 82 0 1 0 0 1 0 1 北京一石家庄 2 8 13 0 02 0 0 8 1 0 0 82 0 1 2 1 0 o l 石家庄一武汉 8 3 83 0 02 0 0 8 1 0 1 52 0 1 2 1 0 0 1 哈尔滨一火连 9 0 42 0 02 0 0 7 0 8 。2 32 0 1 3 0 2 o l 北京一上海1 3 1 83 5 02 0 0 8 0 4 1 82 0 1 3 0 3 0 1 由上表可见，武汉广州和郑州西安线将成为国内最先开通的具备时速 3 5 0 k m h 的客运专线，而预计于2 0 1 1 年开通的北京- 上海( 京沪高速铁路) 线，全长 约1 3 1 8 k m ，届时将成为世界上运营速度最快且单线罩程最长的高速铁路。 1 1 3g s m r 在高速铁路中的应用 g s m r 是铁路行业的国际无线通信标准，同时也是e r t m s ( 欧洲铁路运输管 理系统) 的一部分，主要用于列车与地面控制中心的通信。根据e i r e n e m o r a n e 规范，g s m r 可满足列车在最高5 0 0 k m h 时速下的列控无线通信需求。目前，欧 盟和中国都已分别确定g s m r 作为e t c s ( 欧洲列控系统) 和c t c s 3 ( 中国第三 代列控系统) 的列控信息传输平台，可见，伴随着高速铁路在世界范围内的蓬勃 发展，g s m r 也必然在高速铁路环境中获得广泛应用。 g s m r 基于g s m ，充分利用g s m 技术的规模效应和成熟性，来实现经济高 效且具有高度互操作性的数字移动通信系统，从而取代现有的各种互不兼容的轨 道电缆和模拟通信系统。作为一个具有高度独立性和互操作性的通信平台，g s m r 可将控制命令直接传输给列车驾驶员，从而允许列车以更高的速度行驶并具有更 高的安全性。g s m r 是一个可靠的语音和数据通信平台，可以为铁路运营工作人 员，司机，调度员和维护人员等提供通信服务。此外，它还可以提供像v g c s ， v b s ，基于位置寻址的呼叫以及增强多优先级强拆等业务，可以充分满足铁路环 境复杂多样的通信需求。 由于g s m r 可实现跨国界的高速和一般列车之间的通信，能将现有的铁路通 信应用融合到单一网络平台中，以减少集成和运行费用，而且g s m r 是由已标准 化的设备改进而成，g s m 平台上已经提供了大量的业务，因而引入铁路专用的功 能时，只需最低限度地改动，就能保证价格低廉、性能可靠地实现和运行。因此， g s m r 在欧洲取得了巨大成功，其标准于2 0 0 0 年最终确定，现在已经有3 8 个国 家和地区选择采用g s m r 标准，已广泛用于德国、瑞士、瑞典、意大利、西班牙、 英国、比利时、荷兰和芬兰等国以及亚洲和非洲等地区。可见，g s m r 受到了世 界各国高速铁路行业的青睐。 我国从2 0 0 5 年起高速铁路客运专线g s m r 网络建设进入实施阶段。作为奥 运重点建设项目的京津城际铁路已于2 0 0 8 年开通，采用的是g s m r 系统。正在 建设的武广、郑西和京沪等长达7 0 0 0 k m 的高速线路都已决定采用g s m r 系统， 可见g s m r 在中国高速铁路有巨大的发展空洲2 1 。 表1 3 是世界各国计划建设的g s m r 线路里程数： 表1 3g s m r 在各国的发展概况 t a b l e l 3t h ed e v e l o p m e n to fg s m - ri nd i f f e r e n tc o u n t r i e s 国家规划里程数 德国 3 2 0 0 0 k m 瑞十 3 0 0 0 k m 意人利 8 5 0 0 k m 英国 1 6 0 0 0 k m 法国 1 5 0 0 0 k m 两班牙 1 3 0 0 0 k m 比利时 3 0 0 0 k m 荷兰 3 1 0 0 k m 捷克2 5 0 0 k m 丹麦 2 5 0 0 k m 芬兰 5 0 0 0 k m 瑞典 9 9 0 0 k m 挪威 3 8 0 0 k m 匈牙利 3 8 0 0 k m 俄罗斯 2 5 0 0 0 k m 4 印度 1 9 0 0 0 k m 哈萨克斯坦 4 2 0 0 k m 七耳其 2 6 0 0 k m 1 1 4g s m r 无线网络规划 无线网络规划的目标就是在一定的成本下，在满足网络服务质量的前提下， 建设一个容量尽可能大，覆盖尽可能好的无线网络，并能适应未来网络发展和扩 容的要求。 铁路环境下的g s m r 无线规划又有其特殊之处。g s m r 是常规g s m 技术应 用到铁路系统的技术延伸，沿袭了g s m 基本功能。由于遵照g s m 制式，因而 g s m r 除了可以完成g s m 的基本功能外，还增加了一些集群调度功能，与传统 的g s m 网络规划相比，由于g s m r 服务于铁路系统中，必须考虑列车高速行驶 带来的信号快速衰落和频移现象，以及列车经过隧道和山谷等特殊地形下的覆盖， 同时尽可能减少切换次数以保证系统效率。g s m r 覆盖不同于公网覆盖，需要满 足快速切换和严格的电波覆盖需求。 目前国内通过青藏线和大秦线等线路的g s m r 网络建设和优化，对于铁路环 境下的无线规划已经积累了一些宝贵的实践经验和设计准则。但是上述线路都属 于低速线路，其列车运行速度大都在2 0 0 k m h 以下，而对于运营时速在3 0 0 k m h 左右的高速线路，国内目前尚无可供参考的实际运营线路，国外尽管有实际运营 的高速线路，但由于实际环境的不同也不可完全照搬。为了确保高速环境下列控 通信的可靠性，e r t m s 提出了严格的无线覆盖要求和q o s 指标，而如何针对这些 指标进行无线系统规划以满足这些需求尚无统一的理论和经验可循，因此，研究 高速环境下g s m r 的无线规划便成为工程设计中的迫切需要。 1 2 论文研究意义 目前，国内外高速铁路的建设方兴未艾，高速铁路运营速度更快，对于列控 无线通行的安全性和可靠性的要求也比普通铁路更为严格，针对这种情况，e r t m s 和c t c s 3 都对g s m r 无线通信系统提出了严格的覆盖以及q o s 指标，以期满足 高速列控通信的要求。 设计高速铁路环境下的g s m r 通信系统时，要充分考虑列车高速运动带来的 影响。文献【3 7 】表明，尽管高速环境与普速j 不境下的电波传播环境和特性有所不 同，但是通过采用改进的物理层处理技术，g s m r 可以消除或者减弱高速对无线 传输带来的影响，满足最高时速达5 0 0 k m f h 时的列控通信需求。因此，如何进行 无线规划就成为高速环境下g s m r 通信系统建设的关键问题。 目前，国内已有很多科研工作者就高速环境下的无线规划问题进行了相关研 究。文献 2 6 3 l 】就无线冗余覆盖方式进行了相关探讨，介绍了国内外高速线路的 覆盖方式，并就各种方式的特点进行了探讨，但未对各种方式的优劣就关键衡量 指标进行深入的理论分析，以提供足够的理论依据。文献 1 9 2 4 1 主要从g s m r 一 般业务需求和服务质量触发，就铁路环境下的小区覆盖和重叠区规划进行了研究， 但大都是针对低速或者一般情况下的研究，没有考虑高速运动和列控因素所带来 的新的影响，因此，其中的方法和结论已经不完全适用，需要新的研究。 本文正是针对前述情况，研究了高速环境下常用的冗余覆盖方式，重点就可 靠性、抗干扰能力和频率复用度等进行了深入理论分析。文中根据列控通信所要 求的覆盖指标，对不同环境下的路径损耗进行建模，然后计算出小区覆盖半径， 并在此基础上研究了列车速度、切换容限以及切换时间与重叠区长度的关系。本 文不但适用于高速g s m r 无线网络工程设计，对于公众g s m 网络在高速环境下 的覆盖设计也具有一定意义。 1 3 论文主要工作与结构 论文首先研究了高速环境下无线通信的特点，针对高速情况下的多谱勒频移 效应提出了解决措施，探讨了列车高速运动对g s m r 无线通信系统规划和业务实 现带来的影响，指出了列控对g s m r 系统的需求。对于适用于高速环境下的无线 冗余覆盖方式，针对各种方式的可靠性、抗干扰能力和频率复用度进行了深入理 论分析，为无线覆盖方式的选择提供了理论依据。最后从满足列控机车台最小接 收电平的需求出发，针对高速线路下的典型环境进行路径损耗建模，根据不同基 站天线高度计算出了相应的小区覆盖半径。在此基础上研究y y t 车速度、切换容 限及切换时问与重叠区长度的关系，并进行了性能分析。在上述基础上对基站间 距进行了规划。具体工作包括： 第一章：介绍了高速铁路的发展概况和g s m r 在高速铁路中的应用情况，以 及高速环境下的网络规划现状，并阐述了本文的研究意义及主要内 容； 第二章：总结了高速铁路环境下无线通信的特点，研究了多普勒频移效应及 其应对措施，分析了高速运动对g s m r 网络规划以及业务实现的影 响； 第三章：研究了适用于高速环境下的三种冗余覆盖方式，重点从各种方式的 可靠性、抗干扰能力和频率复用度等角度进行了理论分析，给出了 6 理论依据； 第四章：从满足列控通信覆盖的角度出发，通过对高速铁路环境下电波传播 损耗模型的研究，建立了典型环境下的路径损耗模型，据此计算出 了不同基站天线高度下的小区覆盖半径。重点研究了列车速度、切 换容限及切换时间与重叠区长度的关系，并对依据上述关系计算出 的重叠区长度与依据载干比需求得到的结果进行了性能比较。在此 基础上，计算了不同环境下的典型基站间距值； 第五章：对论文的所有工作进行了总结，并指出了论文应进一步研究的方向。 7 2 高速对g s m r 无线网络的影响 经过2 0 0 7 年4 月第6 次大提速后，中国目前速度超过2 0 0 k m h 的铁路罩程有 6 0 0 0 多公里，其中速度超过2 5 0 k m h 的有8 4 6 k m ，规划中的京沪高速铁路速度将 达到3 5 0k r a a l ，上海磁悬浮列车速度更是高达4 3 0 k m h 。高速对无线通信系统提出 了更高的要求，如何确保高速环境下无线通信的可持续性和可靠性是移动运营商 和移动设备商需要共同面对的难题。在高速铁路的环境下，由于列车的高速行驶 和环境变化，使得高速下的无线通信面临着更大的挑战。 2 1 高速环境下无线通信的特点 2 1 1 多普勒效应 高速铁路的无线传播环境多为乡村开放环埘5 1 ，反射体较少，直射路径占优， 多普勒效应比较严重，对移动终端和基站的性能有较大影响。多普勒频移会给基 站解调信号造成较大困难，导致误码率的上升，对通信的可靠性造成不利影响。 对于9 0 0 m h z 频段，当列车速度为3 0 0 k m h 和5 0 0 k m h 时，最大多普勒频移分别可达 至t 2 5 0 h z 和417 h z 。 2 1 2 快速切换 在高速环境下，移动终端高速移动导致自身穿越切换区的时间变短。当终端 移动速度足够快以至于穿越切换区的时间小于系统处理切换的最小时延，则切换 流程无法完成，会导致通信中断，严重时可导致列车紧急制动，从而影响列车正 常运营。若g s m r d , 区覆盖还按照常规设计，则由于小区的切换带较小且距离基 站较近，将引发频繁的切换失败。 2 1 3 无线覆盖 铁路环境下的无线覆盖范围是沿铁轨的线状覆盖而不是面覆盖，这一点与公 网是不同的。在铁路环境下，列车要经常通过隧道、路靳和深沟，在这些环境下 的衰耗是非常大的，因此经常会在这些地带出现弱场区，容易导致通信中断现象 的发生。因此，能够解决弱场区覆盖，提供足够高的电平，对于无线通信的可靠 9 性有重大影响。 但是高速铁路环境对于无线通信也有有利的一面，主要是路径弯曲程度比普 通铁路要小，环境更为开阔，而且列车的行驶路径也是提前可预知的，这些都是 对无线规划有利的一面。 2 1 4 高衰耗 高速列车的车体有金属车窗和面板组成，由于高速行驶的要求，使得车体必 须完全封闭。这样一个封闭的车厢可以看作一个法拉第金属盒，这将导致额外的 路径损耗，大约2 0 d b 。这样大的额外路径损耗对于一般的通信系统来说是不能满 足要求的。因此在高铁无线网络设计中，首先要对各列车类型做相关的穿透损耗 测试，以穿透损耗最大的车种作为设计基础，来确保在各种车型中都可以获得正 常的电平值。 表2 1各型列车的衰耗【8 】 t a b l e 2 1a t t e n u a t i o ni nd i f f e r e n tk i n do fc a r r i a g e s 车型普通车厢( d b )卧铺车厢( d b )播音室中间综合考虑的 过道( d b )衰减值( d b ) t 型列：乍 1 21 61 2 k 型列车 1 31 41 61 4 庞巴迪列车 2 42 4 c r h 2 列车 1 01 0 专网设计采用值2 4 2 1 5 无线信道特征 目前，国内外对于铁路环境下的电波传播研究较少。对于铁路环境下无线传 播的预测主要还是根据常见的电波传播模型来进行的。 根据国外相关文献【跏对高速铁路环境下的无线电波传播的研究，在9 0 0 m h z 下的测试结果表明铁路无线信道具有以下典型特征： 多径效应要弱于公众g s m 网络； 较低的延迟扩展； 存在占主导地位的视距路径； l o 隧道中的莱斯参数在1 0 d b - - 2 0d b ； 隧道对于无线传输比较有利，具有明显的波导效应。 上述特征表明高速铁路对于无线电波的传输有其有利的一面。 2 2 多普勒频移效应 高速运动的移动台会发生多普勒频移现象，这是因为移动台在高速运动时接 收和发送信号，将导致信号频率将发生偏移而引起干扰【1 4 1 。 2 2 1 多普勒频移数学模型 多普勒频移的数学计算公式如下( 2 1 ) 所示： t j = 吾y c o s o ( 2 1 ) l b t s 蓦 虱 h i l 1 一 ， 一一，- 。i 图2 1多普勒效应示意图 f i g2 1 t h ed o p p i e re f f e c t 其中： 0 为终端移动方向和信号传播方向的角度； 1 ) 是终端运动速度： c 为电磁波传播速度； f 为载波频率。 从公式( 2 1 ) 可以看出，用户移动方向和电磁波传播的方向相同时，多普勒 频移最大；完全垂直时，没有多普勒频移。 叁二一u e 频率锁定主服气一叁 图2 2多普勒效应对移动通信系统的影响 f i g2 2 t h ed o p p l e re f f e c to rm o b i l ec o m m u n i c a a t i o ns y s t e m 表2 2 为典型情况下的最大多普勒频移( 即假设用户移动方向和电磁波传播的 方向相同，即0 - 0 ) 。 表2 2 典型情况下的最大多普勒频移值 t a b l e 2 2m a x i m u md o p p l e ro f f s e ti nc e r t a i nc i r c u m s t a n c e s 速度( k i n h )速度( i s ) f d ( h z ) ，f o = 9 0 0 姗i z 2 0 05 5 61 6 6 7 2 5 06 9 42 0 8 3 3 0 08 3 32 5 0 0 4 0 01 1 1 - 13 3 3 3 4 5 01 2 5 03 7 5 0 5 0 01 3 8 94 1 6 7 由于多普勒频移对移动通信系统的影响最大是2 f d ，因此当列车速度达到 5 0 0 k m h ，频移的最大影响是8 3 3 4 h z ( 中心频率为9 0 0 m h z ) 。 2 2 2 多普勒效应的应对措施 2 2 2 i 影响多普勒效应的因素 根据多普勒频移的计算公式，从接收机侧观察到的多谱勒频移取决于如下两 个因素： 1 ) 终端移动速度： m s 与b t s 的相对速度； 2 ) 环境因素： m s 与b t s 的距离； 1 2 b t s 与轨道间的距离 从上面两个因素可以得出如下结论： 最大的多普勒频移出现在小区边界处； 最大的多普勒频移与环境因素密切相关，b t s 距离铁轨越近频移越大； 高速运动中的列车会频繁改变与基站之间的距离，频移现象比较严重，必 须采取有效方式降低干扰。 2 2 2 2 多普勒效应的应对措施 1 ) 选择基站位置距轨道较远，以此减缓基站和列车之间的相对运动速率 l 一s 一 图2 3 基站与轨道位置关系图 f i g2 3 t h er e l a t i v el o c a t i o no f b a s es t a t i o na n dt r