《電子技術應用》
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高速鐵路的GSM-R無線傳播模型校正
來源：電子技術應用2012年第2期
肖 蒙，劉佳佳，林俊亭， 李翠然
蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院, 甘肅 蘭州730070
摘要： 為了提高在鐵路沿線復雜地形環(huán)境下的Hata模型準確度，在研究GSM-R系統(tǒng)中的電波傳播預測Hata模型的基礎上，提出了一種對Hata傳播模型的校正方法。結合鄭西實測線路數(shù)據(jù)對市郊、平原和山區(qū)三種地形環(huán)境下進行校正，得到了不同地形下的Hata校正模型。通過對校正前后模型的誤差對比，校正后的Hata傳播模型準確度有顯著提高。
中圖分類號： TN929
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)02-0113-04
The adjustment of GSM-R wireless propagation model in high speed railway
Xiao Meng, Liu Jiajia, Lin Junting, Li Cuiran
School of Automatization and Electric Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070,China
Abstract： To improve the Hata propagation model’s accuracy in complicated environment of high speed railway, the Hata model in GSM-R is investigated, and an adjustment method is proposed. With the measured data of GSM-R network in Zhengzhou-Xi’an high speed railway, the wireless path loss in four different terrains of suburban, plain and mountain is computed and modeled, and an adjusted Hata model is achieved. By comparing the deviations of pre-and post-adjustment, it shows that the prediction accuracy of adjusted Hata model has been improved obviously.
Key words : GSM-R; Hata propagation model; Zhengzhou-Xi’an high speed railway; propagation model adjustment

    GSM-R（GSM for Railway)系統(tǒng)是鐵路綜合調(diào)度移動通信系統(tǒng)的簡稱，是專門為鐵路調(diào)度、運營、維護和列車控制提供語音和數(shù)據(jù)通信服務的專用移動通信系統(tǒng)[1]。2008年鐵道部啟動了《中國高速列車自主創(chuàng)新聯(lián)合行動計劃》，研制時速350 km以上的高速動車組和基于GSM-R的列車運行控制系統(tǒng)。隨著武廣、鄭西高鐵的開通，到2012年我國還會相繼開通京廣、京滬、哈大等多條高鐵線路。

    在GSM-R系統(tǒng)中，由于其覆蓋區(qū)域是沿鐵路線路的帶狀區(qū)域和高達350 km/h的高速運行環(huán)境，這就決定了對無線覆蓋的完整性和信號冗余度要求較一般公眾移動通信高得多，因此鐵路無線覆蓋需要根據(jù)不同地形特征進行討論。目前，針對不同鐵路環(huán)境下的電波傳播特性的研究成果還比較少。
    HATTORI T等研究了未來高速鐵路25 GHz頻段的電波傳播特性，把鐵路沿線環(huán)境分成三類，對于每種環(huán)境建立不同的電波傳播模型[2]；參考文獻[3]通過模擬測試數(shù)據(jù)的分析，總結出兩種可供高速鐵路覆蓋設計參考的覆蓋傳播模型，即自由空間附加損耗模型和衰減因子傳播模型；參考文獻[4]根據(jù)無線信道特性和高速鐵路場景，建立了高速鐵路GSM-R系統(tǒng)無線信道小尺度衰落模型。
1 GSM-R無線傳播模型
    GSM-R系統(tǒng)中常用的電波傳播模型是Hata模型。它是一個基于大量實驗的經(jīng)驗公式。Hata模型對不同類型的環(huán)境（大城市、中小城市、郊區(qū)、鄉(xiāng)村準開放地區(qū)、鄉(xiāng)村開放地區(qū)）進行了修正，延伸了其使用范圍，尤其對中小城市、郊區(qū)、鄉(xiāng)村環(huán)境的預測較為準確。



3 模型校正前后的誤差分析
    由鄭西高鐵實測數(shù)據(jù)可以看出，路徑損耗隨著收發(fā)天線距離的增大而增大。在不同的傳播地形下其損耗增加的速度也不同，平原、市郊、山區(qū)的路徑損耗增長速度依次增大。實測路徑損耗值與Hata模型的預測值相比，平原、市郊、山區(qū)傳播環(huán)境下的實測值均小于預測值，且其誤差較大。經(jīng)過非線性擬合得到該傳播地形條件下的模型，其準確度較校正前有較大提高。
    在分析校正后模型與實測數(shù)據(jù)的擬合程度時通常用到了MES、RMS、STD統(tǒng)計分析值。其中，MES表示預測值和實際路測值的統(tǒng)計平均值，RMS表示預測值和路測數(shù)據(jù)的均方差，STD表示預測值和路測數(shù)據(jù)的標準差。它們分別定義如下:

其中，Pi是實測損耗值，Pi是預測值，N是采樣點數(shù)。當MES為零時，RMS=STD。模型校正的結果就是要使RMS和STD的值達到最小，并由此來判斷模型的結果與實際環(huán)境的擬合情況。通常所說的模型的準確度是指校正所得的模型與實際測試數(shù)據(jù)的擬合程度，這種擬合程度用校正后的RMS這一參數(shù)來評估。參考文獻[6]指出：當RMS＜8 dB時，說明所校模型是貼合實際環(huán)境的，可以作為網(wǎng)絡規(guī)劃的依據(jù)；當RMS＞8 dB時，說明所校正模型和實際環(huán)境之間存在較大偏差。目前常用的模型校正結果準確度的判斷準則有兩個:
    (1)預測值與路測數(shù)據(jù)統(tǒng)計平均誤差MES<1 dB；
    (2)預測值與路測數(shù)據(jù)統(tǒng)計標準偏差RMS<8 dB。
    表1給出了不同傳播環(huán)境下校正后的模型表達式及模型校正前后誤差對比。


    由表1可看出：校正后的模型與實測數(shù)據(jù)的誤差較小，根據(jù)判斷準則，校正后Hata模型的MES、RMS、STD均達到了要求。
    本文通過選取鄭西高鐵的不同地形傳播環(huán)境的實測數(shù)據(jù)進行模型的校正，得到該模型在不同地形下的最優(yōu)化參數(shù)，校正后模型準確度有較大提高，為GSM-R系統(tǒng)中的無線電波傳播建模和模型校正提供了理論依據(jù)。
    隨著高速鐵路的建設，GSM-R網(wǎng)絡系統(tǒng)的應用將會越來越多。在無線網(wǎng)絡規(guī)劃中，選擇合適的無線傳播模型非常重要。由于鐵路環(huán)境的復雜多變使得GSM-R系統(tǒng)中常用的Hata模型誤差較大，對其進行參數(shù)的校正是很有必要的。此外，隨著高速鐵路的飛速發(fā)展，鐵路業(yè)務的多樣化將使無線頻譜資源變得越來越擁擠。通過認知無線電CR（Cognitive radio）技術可以高效地利用頻譜資源，從而能夠更好地拓寬鐵路特色業(yè)務的應用范圍[7-8]。
參考文獻
[1] 鐘章隊,艾渤,劉秋妍,等.鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)(GSM-R)應用基礎理論[M].北京:清華大學出版社, 2009.
[2] HATTORI T, ABE K. Analysis of propagation characteristics in future railway communication systems using 25 GHz  band radio[C]. In Proceedings of IEEE VTC&rsquo;99, 1999: 2288-2292.
[3] 陳雄穎,蘇華鴻. 高鐵覆蓋傳播模型的探討[J].郵電設計技術, 2009(6):17-20.
[4] 熊磊,路曉彤,鐘章隊,等.高速鐵路GSM-R無線信道特性仿真[J].中國鐵道科學, 2010,31(5):84-89.
[5] 鐵道部工程設計鑒定中心. 中國鐵路GSM-R移動通信系統(tǒng)設計指南[M].北京:中國鐵道出版社,2009.
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[7] Li Cuiran, Xie Jianli. Spectrum borrowing balancing-based spectrum management in cognitive radio[J]. IEEE Trans.on Consumer Electronics, 2010,56(2):441-446.
[8] 李翠然, 趙佳穎. 認知無線電網(wǎng)絡的基于QoS的自適應頻譜分配策略[J]. 鐵道學報, 2010, 32(3): 61-65.

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