文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)02-0113-04
GSM-R（GSM for Railway)系統是鐵路綜合調度移動通信系統的簡稱，是專門為鐵路調度、運營、維護和列車控制提供語音和數據通信服務的專用移動通信系統[1]。2008年鐵道部啟動了《中國高速列車自主創新聯合行動計劃》，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。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系統中，由于其覆蓋區域是沿鐵路線路的帶狀區域和高達350 km/h的高速運行環境，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不同地形特征進行討論。目前，針對不同鐵路環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，把鐵路沿線環境分成三類，對于每種環境建立不同的電波傳播模型[2]；參考文獻[3]通過模擬測試數據的分析，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]根據無線信道特性和高速鐵路場景，建立了高速鐵路GSM-R系統無線信道小尺度衰落模型。
1 GSM-R無線傳播模型
GSM-R系統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驗公式。Hata模型對不同類型的環境（大城市、中小城市、郊區、鄉村準開放地區、鄉村開放地區）進行了修正，延伸了其使用范圍，尤其對中小城市、郊區、鄉村環境的預測較為準確。
3 模型校正前后的誤差分析
由鄭西高鐵實測數據可以看出，路徑損耗隨著收發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、山區傳播環境下的實測值均小于預測值，且其誤差較大。經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據的擬合程度時通常用到了MES、RMS、STD統計分析值。其中，MES表示預測值和實際路測值的統計平均值，RMS表示預測值和路測數據的均方差，STD表示預測值和路測數據的標準差。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。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據的擬合程度，這種擬合程度用校正后的RMS這一參數來評估。參考文獻[6]指出：當RMS＜8 dB時，說明所校模型是貼合實際環境的，可以作為網絡規劃的依據；當RMS＞8 dB時，說明所校正模型和實際環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)預測值與路測數據統計平均誤差MES<1 dB；
(2)預測值與路測數據統計標準偏差RMS<8 dB。
表1給出了不同傳播環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據的誤差較小，根據判斷準則，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境的實測數據進行模型的校正，得到該模型在不同地形下的最優化參數，校正后模型準確度有較大提高，為GSM-R系統中的無線電波傳播建模和模型校正提供了理論依據。
隨著高速鐵路的建設，GSM-R網絡系統的應用將會越來越多。在無線網絡規劃中，選擇合適的無線傳播模型非常重要。由于鐵路環境的復雜多變使得GSM-R系統中常用的Hata模型誤差較大，對其進行參數的校正是很有必要的。此外，隨著高速鐵路的飛速發展，鐵路業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.鐵路數字移動通信系統(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’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移動通信系統設計指南[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. 認知無線電網絡的基于QoS的自適應頻譜分配策略[J]. 鐵道學報, 2010, 32(3): 61-65.