实现成功的GSM-R无线电计划

欧洲和世界其他地区的铁路正在用一种名为GSM-R的数字系统取代模拟操作无线电通信网络。这是非常成功的公共蜂窝无线电标准GSM(全球移动通信系统)的改进版本，GSM有额外的功能，以满足专业移动无线电(PMR)通信的特定要求，其中包括铁路通信。

设计GSM-R设计无线电计划的任何人都需要避免假设可以应用于标准GSM网络的相同规则和标准的陷阱。特定的铁路环境和对操作的苛刻要求意味着需要一种新的无线电规划方法。一旦GSM-R在欧洲使用作为列车控制系统（TCS）的无线电承载，这变得更加重要。

为什么GSM-R无线电规划是不同的

GSM- r是一种类似GSM的蜂窝无线网络，它的覆盖是通过一系列相邻和重叠的小覆盖区域或小区实现的。这种类型的网络的优点是它允许无线电覆盖到特定的区域。在公共蜂窝网络的情况下，通常需要覆盖一个地理区域，从而形成一个二维蜂窝模式(见图1)。每个基站信道或频率用不同的字母表示。由于频率的数量是有限的资源，模式以相同频率上的细胞之间有一个分离距离的方式重复使用，以避免干扰。

对于铁路GSM-R网络，得到的元胞模式是线性的，而不是二维的(见图2)。
规划这种类型的网络的规则不同，特别是因为GSM-R运算符与商业运营商相比，GSM-R运算符具有相当较少的频率。这不是太多阻碍，因为铁路GSM-R网络通常是线性的。在铁路网络的大多数部分中，无线电站点是不可能看到除了两个站点之外的任何一方以外的任何一方，在主要的传动中都是如此，其中通常许多铁路线会聚到中心意味着频率重用在相邻线之间可能是不可能的，图案非常难以实现。

GSM-R无线电计划成功的关键要素

从无线电传播的角度来看，铁路环境要求专家无线电规划专业知识，以考虑以下功能，例如：

• 岩屑
• 堤防
• 隧道
• 桥梁（下面和顶部）
• 弯道
• 火车站
• 分流区域

公共运营商通常有机会通过在不同角度射击的无线电网站来覆盖难以达到的区域。由于GSM-R网络本质上是线性的，通常与位于铁路地上的无线电站点，因此特别难以在沿线的所有点处提供足够的覆盖率。

铁路运营的限制也将在很大程度上影响无线电计划的制定。GSM-R的主要应用之一是在列车司机和负责一段或多段列车运行的控制器之间提供始终可用的安全通信。GSM-R允许位置依赖寻址，这意味着列车司机不需要知道负责线路某一段的控制器的电话号码。调用将自动路由到相关的控制器，基于列车发起调用的起始单元。这样做的好处是，不管火车在哪里，司机只需按一个按钮，就可以接通相关的控制器。为了使其工作，无线电单元边界需要与控制器边界紧密对齐。

图3显示了铁路信号的存在是如何需要对无线单元进行仔细规划的，以便在信号所在区域的两个单元之间能够进行切换，确保列车司机发起的呼叫能够正确路由。

这些限制构成了铁路操作程序的一部分，需要在无线电规划开始之前由铁路运营商定义。必须在规划过程开始之前最终确定这些和其他输入，因为任何更改都会对许多无线电站点产生影响。至少，所需的输入是：

• 铁路线路的确切位置和铁路用地的边界
• 应考虑作为潜在GSM-R站点的现有结构的精确位置
• 所有车站、隧道、路口、分流区、控制边界及附近第三方铁路的精确位置
• 铁路上各点所需的无线电通信能力
• 铁路各部分的线速度，方向和线路数量
• 哪些线路将采用ETCS(如适用)的定义
• 铁路紧急呼叫的地理边界(已启动的GSM-R铁路紧急呼叫将包括预定义区域内的所有列车以及负责该段线路的控制人员。为尽量减低对铁路运作的影响，这些地区须谨慎界定。)

所使用的无线电预测工具需要一个或多个传播模型以及地形和杂波数据库才能进行计算。为了准确预测，使用的模型必须根据铁路环境进行校准。这包括在无线电规划开始之前，在不同类型的铁路环境中运行试验列车，并从位于铁路关键点的测试发射机进行车载无线电测量。一旦采集了足够数量的样本，就可以通过比较规划工具的预测和测量结果来校准模型。如果使用半确定性模型，就不需要进行测量来验证最终的无线电计划。然而，如果使用经验模型，则需要使用测试列车对60%到80%的站点进行测量，以确保GSM-R在最终投入运行后能够正常工作。

地形和杂乱图数据库的选择也是确保高效准确的无线电计划的关键。有两种方法：使用低分辨率映射（相对便宜）并且在规划过程中包括额外的无线电裕度，或者使用高分辨率映射（其自然更昂贵），这意味着不需要额外的边距。通过将一些“脂肪”添加到无线电计划中，它变得保守意义，即预测将显示比现实更糟糕的结果。实际上，与使用高分辨率映射相比，这可能导致无线电站数量增加。对于GSM-R规划，50米被认为是低分辨率和5米的高分辨率。图4以并排的两个分辨率显示。

图5显示了使用高分辨率地图数据时半确定性模型的准确性。

图5中的图表显示了火车沿铁路线行驶时信号强度的变化。当列车接近无线电发射场时，信号增强。蓝线表示使用半确定性模型预测的信号强度。红线表示测试列车接收到的实际测量信号强度。这两条线非常吻合。这种预测的置信水平意味着需要使用测试列车的验证测量要少得多，并且结果在使用概率为50%的预测和铁路环境中所需的90%预期结果之间的差距更小。由于3db的差异代表了两倍的功率，与更精确的规划模型相比，这导致了更多的站点。

结论

GSM-R的无线电规划要求仔细解决每个应用程序的服务质量水平，并在开始之前在线基础定义操作程序要求。预测工具必须足够灵活，可以根据铁路线的特定地形受益于数据库的可变精度。无线电规划需要允许专家铁路运营技能和传播专业知识的组合，以便它具有成本效益和准确。根据铁路的尺寸和复杂性，GSM-R网络总成本中最大的元素涉及无线位点的部署。低效的无线电计划可能会导致可用的GSM-R系统，但最终可能超过最初刨的成本。如果完成，通常在无线电规划上的总体项目成本的大约1-5％，这可能是一个主要的GSM-R项目的最佳成本控制形式。

图1：2-D蜂窝网络

图2:线性GSM-R网络

图3:将无线单元边界与控制器边界对齐

图4:数据库分辨率比较(左50m，右5m)

图5:预测覆盖率(蓝色)和测量值(红色)的比较