《電子技術(shù)應(yīng)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(shù)應(yīng)用2012年第2期
肖 蒙,,劉佳佳,,林俊亭, 李翠然
蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院, 甘肅 蘭州730070
摘要: 為了提高在鐵路沿線復(fù)雜地形環(huán)境下的Hata模型準(zhǔn)確度,在研究GSM-R系統(tǒng)中的電波傳播預(yù)測(cè)Hata模型的基礎(chǔ)上,提出了一種對(duì)Hata傳播模型的校正方法。結(jié)合鄭西實(shí)測(cè)線路數(shù)據(jù)對(duì)市郊、平原和山區(qū)三種地形環(huán)境下進(jìn)行校正,得到了不同地形下的Hata校正模型,。通過對(duì)校正前后模型的誤差對(duì)比,校正后的Hata傳播模型準(zhǔn)確度有顯著提高,。
中圖分類號(hào): TN929
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 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(dòng)通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱,,是專門為鐵路調(diào)度、運(yùn)營(yíng),、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(guó)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(guó)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)
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[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.

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