基于实地模型的GSM-R仿真系统研究

赵一颖,姜志威

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 研究背景及意义

铁路数字移动通信系统(GSM-R)是一种铁路专用的无线通信制式[1]，主要用于承载列车调度通信、列车控制数据传输、车次号传输、区间移动公务通信、应急指挥通信等功能。相比于公众网络GSM制式采用的面状覆盖，GSM-R制式采用的则是符合铁路特点线状覆盖，并且在组网架构、占用带宽等方面也存在较大差异。可见，在方案研究、工程设计、项目审批、施工建设、运维管理等各阶段做好GSM-R仿真分析，对铁路安全生产具有重要的意义。

目前，通信行业常用的几种无线网规划优化仿真软件有英国AIRCOM公司的Enterprise ASSET[2]、法国FORSK公司的Atoll[3]，中国百林的网络规划软件NeST等。设备厂商一般也会有自己仿真系统软件，如爱立信公司的TCPU、诺基亚公司的Totem Suite、华为公司的GENEX、阿尔卡特朗讯公司的Ocelot等。然而，这些无线网络规划软件均不能直接支持GSM-R仿真[4]。尽管通过繁琐的参数配置仍可利用上述软件实现GSM-R仿真的部分功能，但使用商业软件处理高精度铁路沿线实地模型却存在信息安全隐患。因此，研究基于实地模型的GSM-R仿真系统对我国铁路行业是必要和迫切的。

2 系统功能设计

GSM-R仿真系统的功能设计应贴合铁路行业的实际应用需求，重点关注切换、干扰[5]、冗余覆盖等关键性问题。根据TB10088—2015《铁路移动通信系统(GSM-R)设计规范》[6]中规定的无线覆盖要求和特性指标，确定基于实地模型的GSM-R仿真系统需具备以下功能。

(1)无线场强覆盖分析功能

铁路沿线实现GSM-R无线信号的有效覆盖是一项基本要求[7]，无线通信系统设计方案应满足接收机天线输入端射频信号最小可用接收电平不低于规范中要求的数值。例如，当列车设计速度超过280 km/h时，在时间、地点统计概率95%的条件下，列控类业务要求最小可用接收电平应不低于-92 dBm，而话音及非列控类业务则要求不低于-98 dBm。通过仿真系统无线场强覆盖分析功能，可以核查铁路沿线区域是否存在GSM-R信号最小可用接收电平不满足规范要求的情况[8]。

(2)C/I指标分析功能

GSM-R系统的工作频率带宽为4 MHz，采用等间隔配置方法划分为19个频点[9]，频点间隔仅有200 kHz。无线通信系统设计时，主要应避免同频和邻频干扰，干扰会引起误码增加、话音质量下降、数据传输差错率上升，影响行车安全[10]。C/I指标即载干比，定义为接收到的有用信号电平与所有非有用信号电平的比值[11]。设计规范中要求同频C/I值不小于-12 dB，邻频C/I值不小于-6 dB。通过仿真系统的C/I指标分析功能，就可以直接分析GSM-R系统自身的信号干扰特性，或者结合无线场强测试结果，分析GSM-R系统在实地环境中的信号干扰特性。

(3)重叠覆盖分析功能

随着高速铁路列车控制系统的不断革新，对于GSM-R无线通信的技术要求也在同步提升。目前国内高速铁路广泛采用的CTCS-3级列控系统，在列车运行控制区段、机车同步操控区段，以及与其他等级列控线路之间的转换区段等，均应进行冗余无线覆盖[12]。通过仿真系统的重叠覆盖分析功能，不仅可以核查出铁路沿线区域是否存在GSM-R信号未实现冗余覆盖的情况，而且也能用于复杂线路区段的多信号覆盖特性研究[13]。

3 无线仿真原理

传播模型是分析无线信号覆盖特性的理论基础，也是实现计算机无线仿真的数学原理[14]。在铁路GSM-R无线仿真中，主要研究信号受到传播路径上的障碍物遮挡后，所产生的空间大尺度衰落变化，所以通常采用修正的Okumura-Hata模型作为传播模型进行计算[15]。

Okumura-Hata模型的城市市区基本传播损耗Lb的中值公式如下

Lb=69.55+26.16lgf-13.82lghb+

(44.9-6.55lghb)lgd-α(hm)

(1)

其中，f为无线信号的工作频率，由于GSM-R为下行受限系统，下行频段930～934 MHz，故可将f取值为932 MHz；hb为基站天线有效高度，m，定义为基站天线与移动台天线之间的高度差，根据铁路工程中基站天线通常挂设在距铁塔顶2 m的一层平台上，hb的计算方法为基站与移动台位置的海拔高度差加上铁塔高度再减去2 m；d为传播距离，km，定义为基站与接收机之间的直线距离，可根据二者坐标位置计算；α(hm)为移动台天线高度因子，计算公式视城市规模而不同；hm为移动台天线有效高度，m，GSM-R手持终端可取值为1.5 m，GSM-R车载终端可取值为10 m。考虑到高速铁路的明区间通常不会穿越大型城市，故应选取适用于中小城市的计算公式，具体如下

α(hm)=(1.11lgf-0.7)hm-(1.56lgf-0.8)

(2)

此外，还可根据铁路线路区段具体地形地貌，附加郊区、开阔地、准开阔地、农村、丘陵地等校正因子，以修正传播损耗Lb的计算结果[16]。

根据基站与移动台之间传播损耗计算结果，即可对前文所述的3种分析功能进行仿真计算。

(1)无线场强覆盖分析功能

无线场强覆盖分析需要利用基站布点方案，分别计算出各基站在铁路沿线各位置处的无线信号场强值，并将各处的信号场强最大值以分层设色法的形式进行绘图展示。

(2)C/I指标分析功能

根据C/I指标的定义，计算一个位置的C/I指标需要先计算出该处的载波信号场强值与干扰信号场强值。考虑到非枢纽地区GSM-R无线信号通常为线状覆盖，并且采用高电平切换的方式[17]，可将该处场强值最大的信号判定为载波信号，其余信号判定为干扰信号，则按照公式(3)即可计算出该处的C/I指标，并以分层设色法的形式进行绘图展示。

(3)

式中，Lp(i)表示位置p处接收到的第i个无线信号的场强值；imax表示场强值最大的无线信号序号。

需要说明的是，根据GSM-R制式的线状覆盖特点，19个频点可以划分成6个三频点小组，按照冗余覆盖方式下基站间隔约3.5 km、每个基站占用1个三频点小组，于是非枢纽地区的频点复用距离可以达到6×3.5 km=21 km。因此，在非枢纽地区场景下，才可对GSM-R系统内的同频干扰忽略不计，进行前文所述的C/I指标分析。

(3)重叠覆盖分析功能

重叠覆盖指标定义为一个位置可接收到有用电平的数量，需要对该位置接收到的所有无线信号先判断是否达到预设的电平门限值，然后再进行计数统计，最后以分层设色法的形式进行绘图展示。本文将电平门限值设定为-70 dBm。

(4)分布式基站共小区的处理方法

在许多既有线GSM-R改造工程中，经常采用分布式基站(RRU)共小区组网的方式[18]，即多个不同址的基站虽然分别设有发射机，但基站之间可以共用频点、不发生切换，等效为一个小区[19]。对于前文所述的3种无线仿真功能，只有C/I指标分析功能需对采用共小区方式组网的基站进行特殊处理。尽管共小区内非主用发射机的信号与主用信号同频，但是RRU可通过自适应均衡技术消除此类干扰，故计算公式(3)中干扰信号场强值时，应去除共小区内的非主用信号。

4 数据接口处理

GSM-R仿真系统所需的输入数据主要为提供地理信息的三维电子地图，以及提供基站信息的GSM-R系统设计方案。系统开发前，需要对上述数据与系统功能之间的接口进行设计。

4.1 三维电子地图数据接口

(4)

(5)

式中，X为中央子午线弧长；N为卯酉圈曲率半径；t=tanB；l=L-L0为经度L与该位置中央子午线经度L0之差；ρ=180×3 600/π，rad·s；η2=e′2cos2B；e′为地球椭球第二偏心率。

4.2 GSM-R系统方案数据接口

为了实现仿真计算，GSM-R系统设计方案需采用数据格式表达。该格式根据软件开发的具体需求制定，并且尽量与成熟商业软件的数据输入形式保持一致，以提供最大化的数据兼容条件和批量导入的数据基础。

本文提出的GSM-R仿真系统采用EXCEL软件标准的xlsx格式存储GSM-R系统的发射站数据，包括基站、直放站和分布式基站等，数据组织形式为“9列×N行”，每个发射站占用1行，9列数据的内容要求如下。

第1列为发射站名称：要求采用北京铁路通信技术中心规定的GSM-R数据编号方案标准命名方法，如QingHe、QH-SH01、BeiJingBeiA/R1。

第2列为发射站经度：要求采用度分秒格式，即xx°xx′xx″，秒级的xx可以为小数或整数，也兼容北京铁路通信技术中心要求的度分格式，即xx°xx′，分级的xx可以为小数或整数。

第3列为发射站纬度：要求采用度分秒格式，即xx°xx′xx″，秒级的xx可以为小数或整数，也兼容北京铁路通信技术中心要求的度分格式，即xx°xx′，分级的xx可以为小数或整数。

第4列为发射站天线挂高：要求填写天线安装位置距离地面的高度。

第5列为发射站发射功率：要求填写从发射站天线实际发射的无线信号功率，单位为dBm。

第6～9列为天线方向角：最多支持4面天线的配置，要求顺序填写天线的挂设方向角，方向角度以正北方向作为0°、以顺时针为正方向，当天线数量不足4面时，可做留空处理。

5 系统开发与测试

将MATLAB作为GSM-R仿真系统的开发平台，按照前述仿真原理编写代码，然后测试软件的各项功能，并与线路实际测试结果相对照，验证软件输出结果的准确性。以京张高铁工程中无线环境较为复杂的新八达岭隧道出口至东花园北站区段与延庆支线组成的三岔口区域作为样例[20]，进行测试说明与结果分析。

5.1 系统流程

GSM-R仿真系统的流程为单序列形式，各项功能按顺序逐个执行，如图1所示。

图1 GSM-R仿真系统流程

5.2 无线场强覆盖分析功能测试

测试区域的无线场强覆盖分析计算结果如图2所示，图2中各基站/直放站覆盖的目标区域内没有出现低于-95 dBm的弱场情况，满足设计规范中对于最小可用接收电平值的要求。

图2 无线场强覆盖分析功能测试结果

5.3 C/I指标分析功能测试

测试区域C/I指标分析的仿真计算结果如图3所示，图3中铁路沿线的无线信号C/I值均满足规范中邻频不小于-6 dB的要求，并且临站之间的切换区位置在图中也可清晰分辨。此外，图中所示红色区域的C/I值小于-6 dB，虽然该区域距线路还有一段距离，但实际网络优化中也应重点关注该区域，避免干扰信号范围扩大，影响线路上的无线覆盖质量。

图3 C/I指标分析功能测试结果

5.4 重叠覆盖分析功能测试

测试区域重叠覆盖分析的仿真计算结果如图4所示，铁路沿线各处的重叠覆盖指标均不低于2，即图中蓝色和黄色所示区域，这与京张高铁无线通信设计方案采用单网交织的冗余覆盖方式相吻合。

图4 重叠覆盖分析功能测试结果

5.5 仿真结果与实测结果对比分析

图5为本文选取的样例测试区域现场实测结果，图表数据来自于京张高铁工程联调联试阶段时的动检车无线测试系统截图。通过对比分析仿真结果与实测结果，可以得到如下结论。

图5 京张高铁样例测试区域的现场实测结果

(1)该区域无线信号接收电平均在-70 dBm以上，并且在基站BDLXXLS-DHYB03附近因处于东花园隧道进口区域而出现一定的信号衰落，与图2所示的无线场强覆盖仿真分析结果一致。

(2)该区域内临站之间的实际切换位置与图3通过C/I指标仿真分析得到的切换位置一致。

(3)该区域内超过门限电平-70 dBm的GSM-R无线信号数量也与图4通过重叠覆盖仿真分析得到的统计结果一致。

综上所述，本文提出的基于实地模型的GSM-R仿真系统在测试样例上输出结果与现场实测结果一致，证明了该系统方案的有效性。

6 结论与展望

近年来，GSM-R无线通信系统已经成为新建铁路的标准配置，而采用无线列车调度系统的既有铁路也在逐步开展GSM-R升级改造，基于实地模型的无线通信(用于GSM-R)仿真设计系统作为一项具有铁路行业专业性的研究课题，能够通过分层设色的形式直观展示出发射站无线场强、C/I指标及重叠覆盖等信息，为管理人员审查方案提供保障，为设计人员优化方案提供依据，为施工人员执行方案提供便利。

在后续研究工作中，一方面应当充分利用设计图纸、GIS资料现场实测数据等附加信息，进一步提高GSM-R仿真系统的计算精度；另一方面，也应当积极关注铁路行业的无线技术革新，探索未来5G-R系统的仿真新方法，并打造铁路专网无线覆盖贯穿规划、设计、管理、施工、验收、运营、维护、改造全生命周期的数字孪生体。