GSM-R无线通信系统在高速铁路中的应用

毕业论文

题 目: GSM-R 无线通信系统在高速铁路中的应用

系 别: 信息科学与技术

专 业: 自动化

姓 名: 梁 勇

西南交通大学

成人教育学院

院 系 成 教 院 专 业 自动化 年 级 2009 级 姓 名 梁 勇

题 目

指导教师

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指导教师 (签章)

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成 绩

答辩委员会主任 (签章)

年 月 日

诚信承诺

一、 本设计是本人独立完成；

二、 本设计没有任何抄袭行为；

三、若有不实，一经查出，请答辩委员会取消

本人答辩（评阅）资格。

承诺人（钢笔填写）： 年 月 日

摘 要

高速铁路的蓬勃发展给GSM-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GSM-R无线通信系统提出了严峻挑战。无线接入部分是GSM-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GSM-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。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。

本次设计共分为四章，第一章是绪论，第二章介绍高速对GSM-R无线网络的要求和影响，第三章主要介绍高速环境下的无线冗余覆盖，第四章介绍高速环境下的小区规划。

关键词：无线通信； 高速铁路； 冗余覆盖

目 录

摘 要 ............................................................................................................................................. III

第1章 绪 论 ................................................................................................................................. 6

1.1 国外高速铁路的发展 ....................................................................................................... 6

1.2 国内高速铁路的发展 ....................................................................................................... 6

1.3 GSM-R在高速铁路中的应用 .......................................................................................... 2

第2章 高速对GSM-R无线网络的要求和影响 ........................................................................ 3

2.1 高速对GSM-R无线网络的影响 .................................................................................... 3

2.1.1 对无线网络规划的影响 ......................................................................................... 3

2.1.2 对小区重选和越区切换的影响 ............................................................................. 3

2.1.3 对误码率的影响 ..................................................................................................... 4

2.1.4 对GSM-R网络同步性能的影响 .......................................................................... 5

2.2 高速列控对GSM-R系统的要求 .................................................................................... 5

第3章 高速环境下的无线冗余覆盖 ........................................................................................... 7

3.1 无线子系统冗余覆盖方案 ............................................................................................... 7

3.2 不同冗余方案的频率分配 ............................................................................................... 7

3.2.1 规划原则 ................................................................................................................. 7

3.2.2 同频复用距离 ......................................................................................................... 8

3.2.3 不同方案的频率分配 ............................................................................................. 9

3.3不同冗余方案的对比 ...................................................................................................... 10

3.3.1 无线子系统可靠性 ............................................................................................... 10

3.3.2 系统容灾能力 ....................................................................................................... 12

3.3.3 频率复用度 ........................................................................................................... 12

3.3.4 抗干扰能力 ........................................................................................................... 13

3.3.5 对越区切换的影响 ............................................................................................... 13

3.3.6 工程造价 ............................................................................................................... 13

第4章 高速环境下的小区规划 ................................................................................................. 14

4.1 小区类型 ......................................................................................................................... 14

4.1.1 宏小区 ................................................................................................................... 14

4.1.2 小区 ....................................................................................................................... 15

4.1.3 微小区 ................................................................................................................... 15

4.2 路径损耗 ......................................................................................................................... 15

4.2.1 常用传播模型 ....................................................................................................... 15

4.2.2 路径损耗建模 ....................................................................................................... 16

4.2.3 路径损耗计算 ....................................................................................................... 17

4.3 小区覆盖规划 ................................................................................................................. 18

4.4 重叠区规划 ..................................................................................................................... 18

4.4.1 重叠区定义 ........................................................................................................... 18

4.4.2 决定重叠区长度的因素 ..................................................................................... 19

4.4.3 依据载干比计算重叠区长度 ............................................................................... 20

4.5 基站间距规划 ................................................................................................................. 20

4.5.1 列控QoS指标对最小基站间距的限定 .............................................................. 20

4.5.2 不同环境下的基站间距 ....................................................................................... 21

结 论 ............................................................................................................................................. 22

致 谢 ............................................................................................................................................. 23

参考文献 ....................................................................................................................................... 24

第1章 绪 论

根据国际铁路联盟(UIC)的定义，凡是新建线路运营速度超过250km/h或者既有改造线路运营速度超过200km/h的均可称为高速铁路。

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，下面分别予以介绍。 1964年，世界第一条高速铁路在日本东京至大贩建成通车，全长515.4公里，投入运营后，列车运行速度达210km/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。

法国于1981年建成TGV巴黎东南线(巴黎至里昂，全长417公里)，其列车最高运行时速达270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。在2007年四月，TGV创造了当前轮轨列车所能达到的最高时速：574.8km/h。目前法国高速铁路总里程达到1700公里。

德国高速铁路称为ICE(Inter City Express)，其发展晚于法国TGV，起始于80年代，但是发展很快。1991年6月汉诺威至维尔茨堡线(长327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1992年6月建成了曼海姆至斯图加特线(长105公里)。1999年，德国的第三代ICE线路的实际运营速度己经可以达到330km/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1290公里。

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2004年三月在上海引进了磁悬浮列车，其最高时速达430 km/h；2007年四月开始了常规高速铁路运营，2008年正式开通的京津城际时速可达350km/h，是目前世界上运营速度最快的城际高速铁路。

2005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2020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12000公里的高速铁路网络，时速超过200km/h，成为世界上最大的高速铁路网络。

1.3 GSM-R在高速铁路中的应用

GSM-R是铁路行业的国际无线通信标准，同时也是ERTMS(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EIRENE- MORANE规范，GSM-R可满足列车在最高500km/h时速下的列控无线通信需求。伴随着高速铁路在世界范围内的蓬勃发展，GSM-R也必然在高速铁路环境中获得广泛应用。

GSM-R基于GSM，充分利用GSM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，GSM-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。GSM-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VGCS，VBS，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GSM-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GSM-R是由已标准化的设备改进而成，GSM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。现在已经有38个国家和地区选择采用GSM-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，GSM-R受到了世界各国高速铁路行业的青睐。

我国从2005年起高速铁路客运专线GSM-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2008年开通，采用的是GSM-R系统。正在建设的武广、郑西和京沪等长达7000km的高速线路都已决定采用GSM-R系统，GSM-R在中国高速铁路有巨大的发展空间。

第2章 高速对GSM-R无线网络的要求和影响

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 高速对GSM-R无线网络的影响

2.1.1 对无线网络规划的影响

高速铁路网络规划主要涉及到小区切换带、切换关系、重叠区规划、容量估算、冗余设计、隧道覆盖和位置区规划等。总的来说，高铁无线规划最终要达到比公用GSM更好的覆盖和信号接收概率。

对于越区切换的规划要尤其注意。为了减少在小区边界的切换次数，可以使用两根180度覆盖天线对一个小区进行覆盖，相比全向天线来说，这样将使得切换次数减少一半左右，并且能够扩大覆盖范围。由于列车的高速运动，对于切换带和重叠区的设计要尤其仔细，重叠区域的设置会对越区切换的影响很大。如果重叠区太小，可能会出现弱场，导致切换中接收不到信息而通信中断；如果重叠区太大，同频干扰增大，切换时间会很长，不易控制，因此要想解决好铁路沿线的切换问题，需要合理设计重叠区域的大小。

同时无线基站的选址也要与地面应答器等信号设备以及无线闭塞中心等设备协调考虑，比如不能让切换发生在RBC交接处等，这就更增加了无线网络规划的难度。

对于大型车站及普通车站，其频率规划及天线架设等也与轨道环境有很大的不同，也要合理设置，避免列车在车站环境产生信道拥塞或者频繁切换。

综上可见，满足列控通信的高速线路无线网络规划与普速线路和公用网络有很大的不同，如何建设高可靠的无线网络将成为高速线路GSM-R网络建设中至关重要的一环。

2.1.2 对小区重选和越区切换的影响

移动通信系统需要一定的时间对无线信道资源进行测量、平均、判决、执行等，随着用户移动速度的加快，一项流程从发起到完成(如切换、呼叫等)，无线环境往往已经发生了很大的变化，这将给网络业务的正常进行带来一些新的问题。

在空闲模式下，MS会连续监测BA(BCCH分配)列表中所有载频的电平情况，对电平进行平均处理的时间是：Max{5，((5 N+6)/7)XBS一PA一MFRMS/4}。其中，N是BA表中载频的数量。按网络的通常设置，BA表中的载频就是邻区的BCCH频点，在GSM-R

网络中由于邻小区较少，因此N的最大值取6。 BSPAMFRMS表示小区中的寻呼信道被分配成的寻呼子信道数，包含于信息单元“控制信道描述”中，在每个小区广播的系统消息中传送，取值范围为2~9，该值的大小取决于寻呼负载，本处取4(GSM-R网络中话务量较少)。可计算得出最大的平均处理时延为5s。

专用模式下，MS每隔480ms向BTS上报一次6个最佳邻小区，至少每隔105解调1次小区列表中的BSIC(基站识别码)，如果是新出现在小区列表中的小区，则需在55内解调BSIC。对于无法解调BSIC的小区，其信号强度是不会上报的，这样就会出现一种情况：当服务小区信号强度快速衰落时，邻小区虽然信号强度很好，但是由于无法及时解调出BSIC，造成无法切换而导致通信中断。

从切换请求发起到切换完成释放源小区资源，跨MSC切换一般需要5s，BSC内小区间切换时间为3s。因此从测量、判决到完成切换，这段时间的典型值是BSC内小区间切换为7s，对于跨MSC的切换，这个时间将达到9s。

假设列车运行速度为350km/h，那么一个小区从进入邻区列表、解调BSIC、测量、触发切换，到切换完成，至少需要5+4+3=12s(对于BSC内切换)，火车对应移动的距离是1166m，在这段距离内，服务小区必须保证信号不发生快速衰落导致通信中断，则电平值需不低于-95dBm，才能保证呼叫的正常进行。

2.1.3 对误码率的影响

由于高速移动所带来的多普勒频移以及信道快速变化等因素的影响，高速环

境下的误码率高于普通速度下的误码率。表2-1是来自Morane项目在法国铁路线上在不同列车速度下测试得到的误码率结果。

表2-1 不同速度下误码率

从表2-1可见，对于表中三种传输方式，列车速度均对误码率产生了显著影响。

2.1.4 对GSM-R网络同步性能的影响

高速运动情况下保持基站和移动台之间的同步问题，主要体现在GSM时间提前量(TA)这个参数的解码能力上。在呼叫进行期间，移动台发送给基站的测量报告报头上携带着移动台测量的时延值，而基站必须监视呼叫到达时的时间，并在下行SACCH的系统消息上以每两秒一次的频率向移动台发出指令，随着移动台离开基站的距离的变化，逐步指示移动台应该提前的发送的时间。

可见移动台测量的时延值发送的频率为每480ms一次，而基站每两秒向移动台发一次指令，也就是说GSM-R系统1人的最快的调整为每2s调整一个码元，可以推导出其可支持的最大速率为：3.7*10-6*3*108*3600/(2*2)=999km/h。故在目前TA机制完全能够支持到500km/h。

2.2 高速列控对GSM-R系统的要求

为了确保高速环境下的列控的需求，国内外的相关机构都制定了严格的标准，GSM-R只有达到这些标准，才能确保列控通信的可靠性。

ERTMS规定了GSM-R要达到以下指标：GSM-R要能够支持列车最高时速500 km/h，平均运营速度350 km/h的下的列控通信，误码率要小于10-4，在传输列控数据时最小接收电平要高于-85dBm。

为了保证高速列车安全运行，实现列车自动控制，要求列车与地面之间进行双向、大量信息传输，这些信息包括：列车状态、列车速度、列车位置、列控信息、线路数据信息、桥隧信息和环境信息等。下表就是应用于CTCS3级列控GSM- R无线子系统所需具备的无线覆盖及Qos指标。无线场强覆盖以最小可用接收电平表示，并应符合下表的规定：

表2-2 最小可用接收电平

为了保证无线场强覆盖设计不会越过相邻基站或直放站，无线覆盖还应满

足以下规定：

1)同频道干扰保护比：不小于12dB；

2)邻频道干扰保护比：不小于-6dB。

第3章 高速环境下的无线冗余覆盖

3.1 无线子系统冗余覆盖方案

高速铁路的GSM-R无线系统需要为列控系统提供电路数据业务，必须高度重视系统的可靠性，而无线部分是系统可靠性的关键所在，因此，必须引入冗余以提高整个系统的可用度。对于无线网络设计，从防止设备单点故障的角度出发，需要考虑以下情况：

l)对于有源通信设备，如果设备瘫痪，会使GSM-R系统部分或全部服务中断，应考虑故障后的备用手段，而且能够在极短时间内恢复业务。沿线有大量同类设备、维护不方便的设备，如基站、直放站、传输、电源设备等，应设计为自动恢复到备用工作方式；对于设备数量少、投资较大、但设置地点维护方便的设备，如BSC或者TRAU、MSC等，可采用具有较高MTBF(Mean Time Between Failures，即平均故障间隔时间)和较低MTTR(MeanTime To Repair，即平均恢复时间)的设备，有故障时可以做到自动切换到备用工作方式。

2)对于无源器件，比如漏缆，架设双条投资很高，考虑到客运专线}E常运营时不允许人员进入，因此只要管理维护得当，平时很少遭受人为破坏。设计中要完善对漏缆的监测，一旦性能劣化应自动告警，并及时维修。

3)对于基础设施，比如机房、铁塔，一旦倒塌、或遭受人为或者自然灾害而泞致站点的不可用，将直接导致GSM-R系统的服务中断。因此，在站址选取时应避免洪涝区和容易发生山体滑坡的区域，攀础设施的设计要保留一定余量，防雷接地及EMC系统设计完善，并加强对基础设施的监测和维护。GSM-R无线子系统是整个系统中的薄弱环节，因此，针对以上情况，日前有以下三种兀余覆盖方式：单层交织冗余覆盖，双层基站共址和双层基站交织覆盖。

3.2 不同冗余方案的频率分配

频率规划是GSM-R网络规划的重要环节，良好的频率规划是网络质量的基础。不同冗余方式有着不同的频率规划方案，因此导致了不同的频率利用效率、抗干扰能力、系统容量和扩容能力。本节将就上述三种冗余覆盖方式的频率规划方案的相关问题进行研究。

3.2.1 规划原则

1. 工作频段

GSM-R采用900MHz工作频段，885MHz~889MHz(上行)、930MHz~ 934MHz(下行)，共4MHz频率带宽，双工收发频率间隔45MHz，相邻频道间隔为200kHz。按等间隔频道配置的方法，共有21个载频。频道序号从999~1019，扣除底端999和高端1019做为隔离保护，实际可用频道19个，频道序号为1000~1018。频道序一号和频道标称中心频率的关系为：

fL(n)=890.000MHz+(n-1024)*0.200MHz(上行) (3-1)

fH(n)= fL(n)+45MHz(下行) (3-2)

n=999 ~1019

2．频率分配原则

频道分配应考虑同频道干扰、邻频道干扰和互调干扰等因素，并使载干比满

足以下要求：

同频道载干比：控制信道及列控业务信道C/I≧12dB，其他业务信道所在频率的C/I≧9dB；

邻频道载干比：C/I≧-6B；

偏离载波400kHz时的干扰保护比：C/ I≧一38dB。

3．频率规划基本原则

良好的网络结构是一个良好频率计划的基础。在进行一定区域内的频率规划时，一般采用地理分片的方式进行，但需要在分片交界处预留一定频点(频率足够使用时)或进行频点划分。交界处的选择尽量避开热点地区或组网复杂区。不管采用何种方式进行频率规划，一般需要遵循以下原则：同基站内不允许存在同频频点；同一小区内BCCH和TCH的频率间隔最好在400kHZ以上；没有采用跳频时，同一小区的TCH间的频率间隔最好在40kHz以上；非1×3复用方式下，直接邻近的基站避免同频(即使其天线主瓣方向不同，旁瓣及背瓣的影响也会因天线及坏境的原因而难以预测)；考虑到天线挂高和传播环境的复杂性，距离较近的基站应尽量避免同频相对。

3.2.2 同频复用距离

蜂窝系统容量受无线带宽的限制，频率必须进行复用刁 能满足一定区域内的容量需求。在同等区域内，频率复用距离越宽松，同邻频干扰越小，但容量也小；频率复用越紧密，虽然容量得到一定的提升，但随之带来了同邻频干扰的上升。控制复用频点的相互干扰是频率规划中的关键。频率复用距离可根据GSM-R系统的载干比要求进行分析计算。

假设C是信号有用功率，I是干扰信号的功率，在一个系统中，同频干扰可能有多个，先假设共有K个干扰源，每个干扰用IK表示，K的取值从l~K，那么同频信号的载干比就可以表示为：

K

C/I C/ Ik (3-3)

k 0

按照无线信号传播理论，信号在空间按照接收位置到发射位置的幂指数下降，假设天线的辐射功率为PT，在距离发射天线位置d处接收到平均信号功率Pd可以由下面公式表示

Pd=PTA/dn (3-4)

A为一个常数；n为传播指数，取值范围在2~4之间，随着环境不同取值不同。服务基站的干扰l都是其余同频基站信号的总和，在PT取值都一定的情况下，式(3)中干扰信号强度Ik都可用式(5)表示：

I Ik PTA/dn (3-5)

k 0k 0KK

而服务基站服务范围有用信号应该以服务小区半径边缘来表示，即C可以表示为：

C= PTA/dn (3-6)

根据以上分析C/工可以用距离参数进行归一化表示：

C/I R n/ (dk) n (3-7)

k 0K

根据GSM-R小区线状覆盖的不同方案可根据式（7）导出不同的计算公式。

3.2.3 不同方案的频率分配

1．单层交织覆盖

单层交织冗余覆盖网络所需的小区数在原有的单层网络上增加了一倍，使原先使用2x2频率复用模式的变为4x2的复用模式，因此对GSM一R的19个频点可做如表1所示的分组，共分8组，由于实际应用中可能有一些特殊站型和特殊环境的应用，预留三个频点1001、1010、和1017号频点作为整个网络调整使用。

表3-1 单层交织覆盖频率分组

频率分配的秩序可以按1、3、5、7、2、4、6、8的秩序进行，其每小区的最大配置为2载频，可保证同一小区和邻小区的频点不相邻，如重叠覆盖小区实行负荷分担，则等

效每小区的最大容量为4载频。

2．同站址双层网络

同站址无线双层网络的频率分配可在表3频率分组的基础上，对频率分组进行重新组合，见表3-2所示.

表3-2同站址双层覆盖频率分组

同站址两个基站的频率配置(网络A，网络B)可按秩序(l，3)、(5，7)、(2，4)、(6，8)进行，其等效的最大小区配置仍为四载频。

3．交织双层覆盖

交织双侧网络的频率规划既可按单网交织冗余覆盖网络方式进行，也可按同

站址无线双层网络的方式进行，其等效的最大小区配置也是四载频。

3.3不同冗余方案的对比

上述三种无线冗余覆盖方案，都在某种程度上提高了系统的可靠性，但它们在可靠性程度、频率规划与扩容能力、抗干扰能力、小区切换和工程造价等方面还存在不同，一卜面就针对这几个方面对这三种冗余方式进行比较。

3.3.1 无线子系统可靠性

l．系统可靠性基本准则

对于串联结构，无线系统的可用度是各单元可用度的乘积：

Asys=ПAi (3-8)

其中Asys为串联结构系统的可用度，Ai为各个单元的可用度

对于并联结构，系统的可用度通过不可用度间接计算，不可用度为：

Usys=ПUi (3-9)

则并联系统的可用度为：

Asys=1-ПUi (3-10)