文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2012)02-0113-04
GSM-R（GSM for Railway)系統(tǒng)是鐵路綜合調(diào)度移動(dòng)通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，是專門為鐵路調(diào)度、運(yùn)營、維護(hù)和列車控制提供語音和數(shù)據(jù)通信服務(wù)的專用移動(dòng)通信系統(tǒng)[1]。2008年鐵道部啟動(dòng)了《中國高速列車自主創(chuàng)新聯(lián)合行動(dòng)計(jì)劃》，研制時(shí)速350 km以上的高速動(dòng)車組和基于GSM-R的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)。隨著武廣、鄭西高鐵的開通，到2012年我國還會(huì)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(dá)350 km/h的高速運(yùn)行環(huán)境，這就決定了對(duì)無線覆蓋的完整性和信號(hào)冗余度要求較一般公眾移動(dòng)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(jìn)行討論。目前，針對(duì)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(duì)于每種環(huán)境建立不同的電波傳播模型[2]；參考文獻(xiàn)[3]通過模擬測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)出兩種可供高速鐵路覆蓋設(shè)計(jì)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(xiàn)[4]根據(jù)無線信道特性和高速鐵路場(chǎng)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(gè)基于大量實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)公式。Hata模型對(duì)不同類型的環(huán)境（大城市、中小城市、郊區(qū)、鄉(xiāng)村準(zhǔn)開放地區(qū)、鄉(xiāng)村開放地區(qū)）進(jìn)行了修正，延伸了其使用范圍，尤其對(duì)中小城市、郊區(qū)、鄉(xiāng)村環(huán)境的預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確。
3 模型校正前后的誤差分析
由鄭西高鐵實(shí)測(cè)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(zhǎng)速度依次增大。實(shí)測(cè)路徑損耗值與Hata模型的預(yù)測(cè)值相比，平原、市郊、山區(qū)傳播環(huán)境下的實(shí)測(cè)值均小于預(yù)測(cè)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(zhǔn)確度較校正前有較大提高。
在分析校正后模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合程度時(shí)通常用到了MES、RMS、STD統(tǒng)計(jì)分析值。其中，MES表示預(yù)測(cè)值和實(shí)際路測(cè)值的統(tǒng)計(jì)平均值，RMS表示預(yù)測(cè)值和路測(cè)數(shù)據(jù)的均方差，STD表示預(yù)測(cè)值和路測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。它們分別定義如下:
其中，Pi是實(shí)測(cè)損耗值，Pi是預(yù)測(cè)值，N是采樣點(diǎn)數(shù)。當(dāng)MES為零時(shí)，RMS=STD。模型校正的結(jié)果就是要使RMS和STD的值達(dá)到最小，并由此來判斷模型的結(jié)果與實(shí)際環(huán)境的擬合情況。通常所說的模型的準(zhǔn)確度是指校正所得的模型與實(shí)際測(cè)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(píng)估。參考文獻(xiàn)[6]指出：當(dāng)RMS＜8 dB時(shí)，說明所校模型是貼合實(shí)際環(huán)境的，可以作為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的依據(jù)；當(dāng)RMS＞8 dB時(shí)，說明所校正模型和實(shí)際環(huán)境之間存在較大偏差。目前常用的模型校正結(jié)果準(zhǔn)確度的判斷準(zhǔn)則有兩個(gè):
(1)預(yù)測(cè)值與路測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平均誤差MES<1 dB；
(2)預(yù)測(cè)值與路測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(dá)式及模型校正前后誤差對(duì)比。
由表1可看出：校正后的模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差較小，根據(jù)判斷準(zhǔn)則，校正后Hata模型的MES、RMS、STD均達(dá)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhǔn)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(shè)，GSM-R網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用將會(huì)越來越多。在無線網(wǎng)絡(luò)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(fù)雜多變使得GSM-R系統(tǒng)中常用的Hata模型誤差較大，對(duì)其進(jìn)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(wù)的多樣化將使無線頻譜資源變得越來越擁擠。通過認(rèn)知無線電CR（Cognitive radio）技術(shù)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(wù)的應(yīng)用范圍[7-8]。
參考文獻(xiàn)
[1] 鐘章隊(duì),艾渤,劉秋妍,等.鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM-R)應(yīng)用基礎(chǔ)理論[M].北京:清華大學(xué)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’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(shè)計(jì)技術(shù), 2009(6):17-20.
[4] 熊磊,路曉彤,鐘章隊(duì),等.高速鐵路GSM-R無線信道特性仿真[J].中國鐵道科學(xué), 2010,31(5):84-89.
[5] 鐵道部工程設(shè)計(jì)鑒定中心. 中國鐵路GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南[M].北京:中國鐵道出版社,2009.
[6] Wu Jianhui, Yuan Dongfeng. Propagation measurements and modeling in jinan city[C].In Proceedings of IEEE PIMRC’ 98, 1998(3):1157-1159.
[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(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的基于QoS的自適應(yīng)頻譜分配策略[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2010, 32(3): 61-65.