中铁二院通号院 四川成都
摘要：铁路枢纽GSM-R系统是枢纽内各种移动业务的承载平台。对枢纽内GSM-R无线网络进行整体规划，可以有效的整合枢纽内GSM-R系统资源并提高其通信质量。软件仿真作为现代化无线通信网络规划手段，能够对无线网络性能进行较好的模拟。本文以重庆铁路枢纽东环线接轨渝贵铁路珞璜南站这一交叉并线区段为例，利用ATOLL无线网规仿真软件对该区段GSM-R无线网络规划方案进行验证，并利用仿真结果指导完成规划方案的优化。
关键词：ATOLL无线网规仿真软件；铁路枢纽；GSM-R系统；
铁路枢纽GSM-R系统是枢纽内各种移动业务的承载平台，按照铁路总公司中长期发展规划，以及枢纽总图规划的基本框架，紧密结合铁路运输生产的实际需要，对枢纽内GSM-R无线网络进行整体规划，可以有效的整合枢纽内GSM-R系统资源并提高其通信质量，为铁路移动业务提供高效可靠的移动通信平台。软件仿真作为现代化无线通信网络规划手段，能够对无线网络性能进行较好的模拟。利用仿真软件对铁路枢纽GSM-R无线网络规划方案进行验证，能够大大的提高规划方案的可靠性以及提高规划方案优化工作的效率。
一、铁路枢纽GSM-R无线网络规划
1、规划目的
（1）指导枢纽内新建铁路GSM-R系统和既有线改造GSM-R系统工程的实施，预留发展条件。
（2）通过对枢纽内GSM-R无线网络基站控制器（BSC）设置、基站（小区）布局、邻区关系、短号码编号的规划，实现各线路之间无线网络的合理衔接，优化通信基站设施资源配置，减少工程废弃和相互影响。
（3）合理配置枢纽内GSM-R无线网络频率，消除各线路无线网络之间的频率干扰，实现GSM-R无线网络资源共享，保障GSM-R系统服务质量。
（4）发挥投资效益，合理利用资源。
2、规划原则
（1）根据铁路中长期规划、铁路通信网规划和铁路局通信网规划，结合新线建设与既有普速铁路列车无线调度通信系统改造，按统一规划、分布实施、持续完善的原则进行。
（2）BSC设置地点及接入线路的规划，应结合高速、普速铁路运输组织方式和养护维修特点，兼顾运用和维护的需要。
（3）平衡容量、干扰、覆盖关系。
（4）根据各项目建设情况分步实施枢纽GSM-R工程。以既有和在建的GSM-R网络为基础，按照各线均装备GSM-R系统的要求进行规划。规划和建设时，应优先保障高等级线路运用，最大限度减少对既有无线网络设施的调整。
3、主要工作内容
铁路枢纽GSM-R无线网络规划主要包含以下工作内容：
（1）枢纽内BSC设置规划
（2）枢纽内重点区域无线覆盖规划
（3）枢纽内重点区域频率配置规划
（4）枢纽内CTCS-3等级与CTCS-2等级列控线路间转换区段无线覆盖规划
（5）枢纽内短号码设置规划
（6）枢纽内编组站无线覆盖规划
二、无线网规仿真软件FORSK ATOLL
目前在无线通信领域用于网络规划的软件主要有ATOLL，AIRCOM和PLANET等。由于ATOLL不仅具有强大的工程建设能力，本身也是一个开放的，灵活的技术信息系统，支持在线升级，可以方便地和其它IT系统搭配使用，其应用可以提高无线网络规划人员的工作效率。此外，ATOLL可以提供一个支持任何客户化需求的开放接口平台，并且可以帮助规划设计人员还原真实的无线网络环境。ATOLL软件具有以下主要特点：
① 专业的无线网络设计规划工具，完全支持GSM/GPRS/EDGE、UMTS/HSPA、CDMA2000 1xRTT/EV-DO、TD-SCDMA、WiMAX/BWA、Wi-Fi以及LTE等多种无线网络制式。
② Atoll真正实现规划设计的移动性，支持广泛的项目应用场景，既支持单机配置，亦支持基于企业服务器的网络配置。单机版无需连接外部数据库，用户仍可共享工程数据。
③ 现代化的软件结构，开放性的可扩展平台。
④ 模块化的结构，主要模块包括：基础核心模块、3G模块、测量模块、AFP模块、微波模块等。可以根据需要选择不同模块配置。
⑤ 友好的用户界面，无论是安装、操作、模型校准，还是报告生成，均简易方便。
⑥ Atoll支持中文的输入（如基站名称等），支持对中文地理数据库的中文实时显示。
故接下来将采用ATOLL无线网规仿真软件对铁路枢纽GSM-R无线网络规划方案进行验证。
三、无线网络仿真
无线网络仿真是结合数字电子地图、无线传播模型、设备站点参数信息等，对已规划完成的无线网络进行模拟，进而对规划方案进行验证。根据仿真结果合理调整规划方案中的设备站点参数信息，如设备站址经纬度、设备发射功率、天线高度、天线方向角等，能够有效的对规划方案进行优化。利用ATOLL无线网规仿真软件进行无线网络仿真的主要步骤如下：
1、仿真用数字电子地图的选择
为了在ATOLL下进行无线网络规划及仿真工作，需要使用ATOLL专用的数字电子地图。电子地图高程基准采用“1985 国家高程基准”，高程计量单位为米。地图供应商提供地图坐标系基础信息。地图还应包括如下模型数据：
（1）数字高程模型（HEIGHTS数据）
HEIGHTS数据用栅格数据形式描述地面高度变化。HEIGHTS数据采样间隔为20米。
1) 铁路范围区域以建成后的铁路面的高程计；
2) 非铁路范围区域以实际地面高程计。
（2）地面覆盖模型（CLUTTER数据）
CLUTTER数据用栅格数据形式描述地面覆盖类型。CLUTTER数据采样间隔为20米（1个象元）。大于5*5个象元的地物即应独立表示。当建筑物和周围物体的高差大于30米时，无论占象元数多少，均应作为一个独立图斑表示（属性为高层建筑群）。
根据无线电磁波传播过程中各种地面覆盖类型的影响以及对铁路设施覆盖范围，DOM数据应主要包括内陆水域、湿地、绿地、林地、市区开阔地、乡村开阔地、高层建筑群、一般规则建筑群、平行规则建筑群、郊区村庄、铁路高层建筑群、铁路一般规则建筑群、铁路平行规则建筑群、铁路桥梁、铁路路基、铁路路堑、铁路隧道等基本覆盖类型。
（3）线状地物模型（VECTOR数据）
LDM数据用矢量数据形式描述线状地物的平面分布与空间关系，它应主要包括高速公路、国道线、道路、街道、高架桥、轻轨、既有铁路、在建铁路、铁路联络线、铁路桥梁、铁路路基、铁路路堑、铁路隧道，铁路动车走行线、水系边界线、行政边界等线状地物。
（4）重要地物文字标注（TEXT数据）
TEXT数据主要记录主要线状、面状及点状地物的名称。采用矢量数据结构。它应主要包括行政驻地、火车站、铁路桥梁、铁路路堑、铁路隧道、铁路建筑物等地物标注。其中每座桥梁、路堑和隧道的起止点以及火车站、铁路建筑物的中心点需加注铁路里程标，整个铁路线每500m加注铁路的公里标。
2、无线传播模型的选择
ATOLL提供多个无线传播模型以供使用，其中包括有Okuruma-Hata，Cost-Hata，SPM（Standard Propagation Model），ITU370，ITU526，ITU 529，Longley-Rice和WLL模型。
GSM-R系统工作频段为上行885MHz～889MHz，下行930MHz～934MHz。Okuruma-Hata模型适用频率范围为150MHz～1000MHz，适用覆盖距离范围为d＜20km，故该模型适合于使用在ATOLL中进行的GSM-R无线网络规划及仿真。Okuruma-Hata模型中共包含5个不同的无线传播路径损耗公式用于描述中小城市、大城市、郊区、农村（近似空旷）、农村（空旷）这5种不同的场景类型。无线网络仿真时，需根据铁路枢纽的实际地形条件合理的选择路径损耗公式。
此外，由于无线电磁波传播路径衰耗根据地形不同差异较大，电磁波传播本身具有快衰落和慢衰落特性，加之移动通信的多径效应，使接收电平具有极大的不确定性。由于传播模型是基于大量测试数据形成的统计模型，这就决定了在进行无线网络仿真前，为了提高仿真结果的准确性，还需根据不同的地形地貌和地理环境进行传播模型校正工作。在ATOLL中利用模拟场强测试（通常采用Continuous Wave测试）中，接收机接收电平测量值、接收电平测量的所在位置（经纬度）、发射机的有效辐射功率（EiRP）、发射机天线的有效高度、接收机天线的有效高度，就可以计算出实际的传播损耗，用于传播模型的校正。
3、设备站点参数信息的设置
在ATOLL中进行电子地图无线网络规划仿真时，无线网络相关参数的设置是以设备站点参数信息设置为基础进行的。设备站点主要包括基站站点、直放站站点、拉远天线站点等。在完成铁路枢纽GSM-R无线网络覆盖及频率配置规划方案后，将各规划参数信息，如设备站址经纬度、设备的发射功率、天线的型号、天线的高度、天线的俯仰角及方向角、馈线的损耗、功分器/合路器的损耗等，依次设置在ATOLL中的设备站点参数信息表中，即可进行枢纽内GSM-R无线网络仿真工作。
四、规划方案验证及优化
铁路枢纽作为新建或既有铁路线路的汇聚点，不可避免出现交叉交汇并线区段。铁路枢纽GSM-R无线网络规划工作将重点关注这些区域。根据铁路枢纽GSM-R无线网络规划工作内容，结合ATOLL无线网规仿真软件的特点，以下将以重庆铁路枢纽东环线接轨渝贵铁路珞璜南站这一交叉并线区段为例，进行无线覆盖及频率配置规划方案的仿真、验证及优化。
1、规划方案的仿真结果
在铁路线位图上完成的该区段GSM-R无线网络小区关系的规划如下图1：
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图1 小区关系规划示意图
根据该区段无线覆盖规划方案，在ATOLL中完成的小区无线覆盖仿真结果如下图2：
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图2 小区无线覆盖仿真图
根据该区段无线覆盖规划方案，在ATOLL中完成的该区段总体无线覆盖仿真结果如下图3：
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图3 总体无线覆盖仿真图
根据该区段频率配置规划方案，在ATOLL中完成的该区段干扰预测仿真结果如下图4：
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图4 干扰预测仿真图
2、基于仿真结果的验证及优化
对比图1与图2，可以看出仿真结果大体与该区段的无线覆盖规划方案相符。但根据图2提供的仿真结果可以看出，粉色区域明显过大，该小区无线信号已影响到该区段规划方案中川黔线基站与渝黔线基站（珞璜南）的正常小区切换。通过对粉色小区的基站站点参数信息进行调整，如降低天线高度，增加天线下倾角，减少基站发射功率等方法，可以对原规划方案进行优化。此外，在进行无线覆盖规划方案优化时，还需考虑图3提供的仿真结果，使得铁路枢纽内GSM-R无线覆盖场强满足下表：
表1 GSM-R系统接收机天线输入端射频信号最小可用接收电平
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图4为该区段干扰预测仿真图，该仿真结果显示该区段无线信号频率干扰控制较好，频率配置规划方案达到了设计规范要求，即GSM-R基站频率规划方案应满足同频C/I值大于12dB、邻频C/I值大于-6dB、偏离载波400kHz时C/I值大于-38dB的要求，并在最大程度上保证同小区、相邻小区话音信道频道间隔不小于400kHz、控制信道频道间隔不小于600kHz。如在仿真结果中发现了某区域干扰情况不满足设计规范要求，可以通过调整该区域基站站点的BCCH及TCH的频点对频率配置规划方案进行优化。
五、该验证方法的不足
基于ATOLL无线网规仿真软件的铁路枢纽GSM-R无线网络规划方案验证，提高了规划方案的可靠性以及规划方案优化工作的效率，但仍存在以下的不足：（1）该验证方法由于软件本身的限制，仅仅能够对铁路枢纽GSM-R无线网络规划中，无线覆盖及频率配置规划方案进行验证并指导优化。（2）由于软件缺乏隧道内无线传播模型，无法对隧道内无线网络规划方案进行仿真及验证。（3）由于铁路沿线地形千差万别，虽然软件已包含常用的无线传输模型，并支持对传播模型进行校正，但在针对具体场景进行仿真时，仿真结果仍显得不够准确。
参考文献：
[1]中国铁路总公司.高速铁路通信技术-铁路数字移动通信系统（GSM-R）.北京：中国铁道出版社，2014
[2]铁道部工程设计鉴定中心，北京全路通信信号研究设计院.中国铁路GSM-R移动通信系统设计指南.北京：中国铁道出版社，2011