基于Atoll的GSM-R無線場強覆蓋仿真研究

姜志威

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 研究背景和必要性分析

隨著中國鐵路建設的快速發展，鐵路數字移動通信系統(GSM-R)的應用逐漸增多[1]，相應的審批和管理要求也在不斷加強。2016年5月，北京鐵路通信技術中心發布“關于GSM-R網絡數據管理系統上線試運行以及加強GSM-R網絡數據管理工作的通知”，要求各路局提報的工程GSM-R網絡數據申請材料中，應包含工程沿線基站位置圖及無線網絡場強分布示意圖。因此，研究利用公網無線規劃軟件Atoll實現GSM-R無線場強覆蓋仿真的方法，對于鐵路無線通信設計具有迫切的需求和重要的意義。

Atoll軟件由法國FORSK公司開發，是一款全面的、基于Windows的、支持2G/3G/4G多種技術并兼容5G的無線網絡規劃軟件，能夠在整個網絡生命周期中支持移動運營商的無線網絡規劃任務。該軟件提供的功能包括業務規劃、話務分析與規劃、鄰小區規劃、自動頻率規劃等等[2]。然而，雖然Atoll軟件具有強大的功能和兼容性，但是并沒有提供對鐵路行業GSM-R系統的直接支持。

GSM-R系統是在GSM技術基礎之上，增加了鐵路調度通信功能和適合高速移動環境下使用的通信系統[3]。GSM-R系統包括移動交換子系統(SSS)、移動智能網(IN)子系統、通用分組無線業務(GPRS)子系統、無線子系統(BSS)、無線終端、運營與支撐子系統(OSS)等部分。

與公共無線通信網絡所采用的GSM網絡相比，GSM-R網絡的主要區別體現在頻率資源和覆蓋方式兩方面。第一，GSM-R僅有4MHz頻率帶寬、遠少于公網，頻率規劃時要避免同頻及鄰頻干擾。第二，GSM-R網絡采用沿鐵路線路的線狀網絡結構覆蓋，而公網則采用面狀網絡結構覆蓋。此外，因為GSM-R涉及列車安全和運行效率，所以鐵路無線通信設計中還將采用一些能夠提高網絡可靠性和可維護性的措施，如單網交織、同站址雙網等覆蓋方式。

2 基于Atoll的鐵路專網無線場強覆蓋仿真

將Atoll用于公網無線場強覆蓋仿真時，主要包括導入三維電子地圖、設置基站仿真參數、選定無線傳播模型、計算路徑損耗矩陣、生成場強信號覆蓋圖等步驟。而在鐵路GSM-R系統的仿真任務中，還應當增加配置GSM-R網絡參數和特殊地段仿真處理兩個步驟，整個流程如圖1所示。本節將以國內某條客運專線(以下簡稱樣例鐵路)的無線通信系統設計方案為例，介紹基于Atoll軟件的GSM-R無線場強覆蓋仿真方法。

圖1 基于Atoll的無線信號場強覆蓋仿真方法流程

2.1 三維電子地圖的模型信息導入

導入三維電子地圖前，需要在軟件中設定相應的數據投影系統參數[4]，例如，樣例鐵路的電子地圖采用UTM WGS 84投影系統，數據帶號為49N。然后，依次導入數字高程模型(Heights數據，以柵格形式描述地面高度變化，用于無線傳播模型的計算)、地面覆蓋模型(Clutter數據，以柵格形式描述地面覆蓋類型，用于無線傳播路徑損耗的計算)、線狀地物模型(Vector數據，以矢量數據形式描述線狀地物的平面分布與空間關系)、重點狀地物標注模型(Text數據，以矢量數據形式記錄主要線狀、面狀及點狀地物的名稱)等三維電子地圖信息。

2.2 GSM-R系統的網絡參數配置

Atoll軟件中沒有預置GSM-R系統的網絡參數，需要手工配置后才能用于鐵路無線系統的仿真計算。通過計算無線信道的鏈路預算可知，GSM-R系統在實際應用中是下行鏈路受限。因此，在使用Atoll軟件進行無線場強覆蓋仿真時，可以僅計算信道的下行方向鏈路。

GSM-R系統的下行工作頻段為930～934 MHz，頻道間隔為200 Hz。頻道配置采用等間隔配置方法，頻道序號為999～1 019(999和1 019這兩個頻道作為隔離保護使用)，同頻復用因子一般設為6[5]，設置界面如圖2所示。同時，頻率分組(Domains、Groups)和小區類型(Cell Type)也要針對GSM-R進行同步配置，用于后續設置基站發射機參數時使用。

圖2 Atoll軟件中的GSM-R下行頻段網絡參數設置界面

此外，Atoll軟件中也提供一些其他網絡參數的設置項，例如，基站識別碼(BSIC)、小區分層結構(HCS)、時隙分配(Timeslot)等等。因為這些參數僅在話務分析、鄰小區分配、自動頻率規劃等功能中才會被使用，所以此處不再贅述。

2.3 無線基站的仿真參數設置

Atoll軟件不僅提供將既有無線基站數據導入分析的功能，也提供從基站布放開始的網絡規劃功能。無線場強覆蓋仿真計算屬于前者，所需的既有數據主要指Sites(包括基站名稱和位置)和Transmitters(包括小區類型、發射機參數和天線參數等)信息。

Sites信息中，考慮到基站位置通常根據經緯度確定，所以需要將顯示系統設置為標準WGS 84坐標系，而不能采用投影系統的UTM坐標系?；镜暮０涡畔碾娮拥貓D中自動讀取，架設高度設置為0，代表天線鐵塔位于地面。

Transmitters信息中，天線類型一般選擇系統自帶的“65deg 17dBi 0Tilt 900MHz”選項，而Height(掛高)、Azimuth(方位角)、Mechanical Down Tilt(機械下傾角)、Secondary Antenna(附加天線)，以及Power(發射機功率)等參數可根據實際的設計方案確定。其中，方向角亦可在電子地圖界面中用鼠標直接點選。此外，根據GSM-R的“上下行鏈路預算表”[6]，Transmission Loss(傳輸損耗)應設為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)按照典型值設為5 dB，其他與仿真計算精度相關的參數可根據實際需要進行配置，如Main Calculation Radius(主計算半徑)、Main Resolution(主分辨率)等。

2.4 特殊區段的無線仿真處理

鐵路GSM-R無線場強覆蓋仿真計算中，特殊區段主要指采用漏泄同軸電纜(以下簡稱“漏纜”)或直放站、RRU等設備進行無線覆蓋的區域。

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線覆蓋場景，如隧道[7-8]、公鐵兩用橋(鐵路位于公路下方)[9]等。在無線場強覆蓋仿真中，考慮到漏纜信號覆蓋一般比較均勻的特點，可以認為區域中不存在弱場，不需要對此類區段進行仿真計算。

直放站和RRU設備屬于無線信號中繼設備，用于延伸基站設備的無線覆蓋范圍，達到在不增加基站數量的前提下保證網絡覆蓋的目的[10]。在無線場強覆蓋仿真中，因為主要考慮信號的傳播特性，所以只要仿照基站參數的設置方式，按照直放站或RRU設備的實際參數進行設置即可，并不會影響后續傳播模型的仿真計算結果。

此外，對于工程中涉及與其他鐵路線路發生并行[11-13，15]、交叉[14-15]，或者是引入鐵路樞紐地區[16-17]的情況，可以先利用既有無線設備的位置和參數，在本工程中一并進行無線場強覆蓋仿真計算，再通過直觀地分析既有基站的場強覆蓋特點，完成上述區段的無線設計方案優化。同時，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行參數自定義。

2.5 信號場強覆蓋圖的生成

信號場強覆蓋圖的生成包括選定無線傳播模型、計算路徑損耗矩陣、生成信號場強覆蓋圖三個步驟。

首先，移動通信領域中有許多經典的無線傳播模型，在Atoll軟件中已經預置好它們的計算公式， Okumura-Hata模型(準開闊地區)的公式編輯形式如圖3所示。其中，Lu為中間變量；a(Hr)為移動臺天線高度修正因子；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為移動臺與基站之間的距離；Hr為移動臺天線有效高度。由于Okumura-Hata模型屬于經驗模型，并且計算結果在GSM-R工程中比較接近實測結果[6]，故在鐵路GSM-R無線場強覆蓋仿真中應選用該模型。

其次，在電子地圖界面中繪制出需要進行仿真計算的區域以后，才可以計算路徑損耗矩陣。該過程將在計算半徑之內，計算出從每個扇區至計算區域邊界的路徑上的損耗值，其精度與Transmitters中設定的發射機計算精度相同。

圖3 Okumura-Hata模型(準開闊地區)的公式編輯形式

最后，Atoll軟件利用生成的路徑損耗矩陣進行預測計算，軟件中提供了13種預測類型模板，在僅考慮下行鏈路的仿真計算中，應選用“Coverage by Signal Level(DL)”模板，繪制出的樣例鐵路典型區段的信號場強覆蓋如圖4所示。從圖4可以看到，線路北側主要為城市區域且地形較平坦，故無線信號場強覆蓋均勻、形狀也與所用天線的理想輻射特性相符；而線路南側主要為山區且地形崎嶇，故無線信號場強覆蓋受到約束、形狀也與產生阻擋的山勢相符。總之，各個基站覆蓋的目標區域內沒有出現低于-95 dBm的弱場情況，滿足設計規范中對于列車速度不高于280 km/h鐵路的最小可用接收電平值的要求[18]。因此，通過無線場強覆蓋的仿真計算可以驗證，該設計方案具備理論可行性。如果實踐中遇到不滿足無線場強覆蓋要求的情形，也可以利用仿真結果來分析問題產生的原因，并提出合理的修正方案[19]。

圖4 樣例鐵路的無線信號場強覆蓋仿真結果(典型區段)

3 后續工作與展望

無線信號場強覆蓋的仿真結果既是無線通信主管部門的審查材料，也是優化GSM-R設計方案的參考依據，其準確性將直接影響到基站設置的合理性。盡管Okumura-Hata模型在經驗上適用于GSM-R系統的無線傳播計算，但是在實際工程環境中仍然存在一定的誤差[20]。因此，在后續研究工作中，應當充分利用網絡優化階段所采集到的實際場強測試數據，校正Okumura-Hata模型中的公式參數，并且補償不同地理環境對無線傳輸所帶來的附加損耗或增益，進而達到提高仿真計算結果準確性的目的。

4 結語

縱觀我國鐵路行業無線通信的發展歷程，GSM-R技術從2013年作為既有無線列調通信的換代產品開

始全面引進以來，一直保持著高速發展的態勢。目前，全路GSM-R核心網建設已達19個節點，能夠實現主要節點間的互聯互通，以及與全路跨局語音呼叫、數據通信的互聯互通。因此，在電磁環境日益復雜和業務量需求巨大的雙重壓力下，應當全面落實北京鐵路通信技術中心關于無線網絡數據管理的要求、做好沿線基站的無線網絡場強覆蓋仿真工作，這將能夠有效保障無線通信業務的運營穩定性，提升我國鐵路行業的整體服務水平。

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