面向下一代铁路无线通信的数字化协同设计研究.pdf
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1、收稿日期:20230531;修回日期:20230704基金项目:中铁工程设计咨询集团有限公司科技研究计划重大课题(研2023-数字-1)作者简介:姜志威(1986),男,高级工程师,2015 年毕业于清华大学信息与通信工程专业,工学博士,主要从事铁路通信工程设计与研究工作,E-mail:shineline 。第 67 卷 第 10 期2023 年 10 月铁 道 标 准 设 计RAILWAY STANDARD DESIGNVol.67 No.10Oct.2023文章编号:10042954(2023)10016308面向下一代铁路无线通信的数字化协同设计研究姜志威,赵一颖,任晓旋,胡金涛(中铁工
2、程设计咨询集团有限公司,北京 100055)摘 要:随着通信行业飞速发展,我国铁路无线通信系统即将迎来 5G-R 新时代,而伴随着技术的更新迭代,设计方法也向着更加先进的数字化协同设计发展。为实现下一代铁路无线通信的数字化协同设计,迫切需要在现有基站布点设计方法的基础上,研究并解决无线仿真技术、边界场强计算、动态过程检验、协同数据流转、BIM 快速布点5 个难题。首先通过有线和无线传播损耗的计算,研究对比 5G-R 和数字无线列调与 GSM-R 的无线覆盖特性差异。然后,利用分层设色法进行无线覆盖特性仿真,并绘制无线信号场强覆盖曲线、基站切换过程的动态特性分析曲线,提出针对前 3 个问题的解决
3、方案,简要分析了多普勒效应对下一代铁路无线通信的影响和解决思路。针对第4 个问题,利用集合空间理论证明了无线通信系统设计上、下序专业间数据流转的无损性。同时,在 BIM 设计空间中,构造出与设计里程相对应的通信铁塔模型姿态旋转矩阵,作为第 5 个问题的解决方案。最后,综合上述问题的解决方案,提出一种面向下一代铁路无线通信数字化协同设计的新方法,能够实现通信基站布点设计过程的可视化、数字化、动态化、协同化和高效化。关键词:铁路无线通信;数字化协同设计;5G-R;无线仿真;BIM;GSM-R中图分类号:U285;TN92 文献标识码:A DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.
4、202305310014Research on Digital Collaborative Design for Next Generation Railway Wireless CommunicationJIANG Zhiwei,ZHAO Yiying,REN Xiaoxuan,HU Jintao(China Railway Engineering Design and Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)Abstract:With the rapid development of communication industry,the
5、 wireless communication system of Chinese railway is about to enter a new era of 5G-R.Accompanied by the update iteration of technology,design methods are also developing in the more advanced direction of digital collaborative design.In order to realize the digital collaborative design of next gener
6、ation railway wireless communication,it is urgent to study and solve such five difficult problems,based on the existing base station layout design method,as wireless simulation technology,boundary field strength calculation,dynamic process inspection,collaborative data transfer,and rapid layout meth
7、od for BIM.At first,through the calculation of wired and wireless propagation loss,the differences in wireless coverage characteristics among 5G-R,digital wireless train scheduling and GSM-R are compared.The wireless coverage characteristic is simulated using layered coloring method,and the wireless
8、 signal field strength coverage curve and the dynamic characteristic analysis curve of base station handover process are drawn.Then,the solutions to the first three problems are put forward,and the influence and the solution ideas of Doppler effect on the next generation railway wireless communicati
9、on are briefly analyzed.Aiming at the fourth problem,the lossless property of transferring data between the upper-order and lower-order specialties in wireless communication system design is proved using the theory of set spaces.Meanwhile,in the BIM design space,the attitude rotation matrix of the c
10、ommunication tower model corresponding to the design mileage is constructed as a solution to the fifth problem.Finally,based on the solutions to the above five problems,a new method for the digital collaborative design of next generation railway wireless communication is proposed,which can realize t
11、he visualization,digitalization,dynamics,collaboration and high efficiency of the communication base station layout design process.Key words:railway wireless communication;digital collaborative design;5G-R;wireless simulation;BIM;GSM-R引言2000 年底,铁路数字移动通信系统(GSM-R)被原铁道部正式确定为我国铁路无线专用通信系统制式,至今已有二十多年。该制式相
12、比于同期公网 2G通信的 GSM 制式,主要增加了语音组呼业务(VGCS)、语音广播业务(VBS)、增强的多优先级和强拆(eM-LPP)三项功能,用于服务行车调度指挥通信和保障列车安全运行1。随着 5G 通信时代的到来,不仅 GSM-R 设备厂商陆续停供停服,而且落后三代的无线通信技术也难以适应中国高铁飞速发展的步伐2-3。2022 年 11 月,国铁集团印发铁路 5G 专用移动通信(5G-R)系统总体技术要求(暂行)(铁科信2022133 号),为我国下一代铁路无线通信发展指明方向。同时,国铁集团也于 2023 年 3 月印发列车数字无线调度通信系统总体技术要求(暂行)(铁工电202333
13、号),为我国尚未完成 GSM-R 改造的铁路提供无线通信的过渡解决方案4-5。可见,铁路无线通信系统的全国大改造已经近在咫尺,设计单位也迫切需要具备应对新形势的数字化协同设计能力,为下一代铁路无线通信建设提供高质量、高效率的勘察设计服务保障。1 数字化协同设计的难点问题由于 5G-R 系统拟采用的工作频段为 2 155 2 165 MHz(下行)/1 965 1 975 MHz(上行),列车数字无线调度通信(以下简称“数字无线列调”)系统采用的工作频段为型 413.2 414.2 MHz(下行)/403.2404.2 MHz(上行)、型422.7423.5 MHz(下行)/412.7413.5
14、 MHz(上行),均与 GSM-R 系统所采用的 930934 MHz(下行)/885889 MHz(上行)工作频段差异很大,导致无线信号场强覆盖特性不同,从而基站布点方式也会不同,这是面向下一代铁路无线通信设计的关键问题之一。铁路无线信号覆盖具有跟随线路位置的带状分布特性,通信专业设计人员根据设计规范要求,通过链路预算分析、覆盖半径估算、基站位置选定等步骤6,构造出满足需求的基站布点方案,完成系统中无线接入部分的设计任务。实际工程设计中,通信专业的基站布点不仅与线路专业提供的平纵断面、行车专业提供的设计速度等密切相关,同时也影响着建筑专业的场坪放坡、电力专业的箱变负载平衡,以及路基、桥梁和隧
15、道专业的引下和过轨条件预留,还有后续的铁路用地报批等。因此,在面向下一代铁路无线通信的数字化协同设计中,亟需针对基站布点设计解决以下难点问题。(1)无线仿真技术问题:无线信号不可观、不可感,影响设计人员的直观分析;下一代铁路无线通信设计需要利用计算机的可视化技术,展示出无线信号分布情况,辅助设计人员分析基站布点方案的合理性。(2)边界场强计算问题:GSM-R 基站的间距一般按照 34 km(用于 CTCS-3 的交织网络覆盖场景)进行控制,主要凭借设计人员的主观经验完成基站布点;下一代铁路无线通信设计需要利用计算机的高速运算能力,精确计算无线信号边界场强值,用以验证 5G-R系统对边缘吞吐率的
16、新要求7-8。(3)动态过程检验问题:无线通信系统需要适配列车高速运行的场景,GSM-R 系统设计通常只做单点的静态验证分析,如场强分析、C/I 指标分析等,实际应用中存在相邻通信基站无线切换失败的风险;下一代铁路无线通信设计需要实现对列车动态运行过程中的无线信号检验,按照列车以最大旅行速度运行的状态,绘制出其接收到的无线信号场强变化曲线,设计人员可根据设计规范要求,分析相邻基站间的切换可行性。(4)协同数据流转问题:GSM-R 系统设计依赖设计人员被动接收上序专业技术资料、开展系统设计工作、向下序专业提出技术资料,存在专业之间耦合关系差、配合效率低的问题;下一代铁路无线通信设计需要具备主动衔
17、接专业间设计接口的能力9-10,利用映射思想打破设计空间与仿真空间的数据转换壁垒,并证明数据在不同空间流转的无损性,为该环节实现数据级协同设计奠定基础。(5)BIM 快速布点问题:GSM-R 基站选址设计直接在线路专业提供的平纵断面图上进行,即点代表基站、直线代表传播方向、圆圈代表覆盖范围,还停留在传统的平面 CAD 设计模式,缺乏对空间信息的利用和表达;下一代铁路无线通信设计需要支持空间维度上461铁 道 标 准 设 计第 67 卷的 BIM 正向设计模式11-12,不仅要建立达到指定精度的三维模型构件,还要提供基于空间姿态的快速布点方法13,为下一代铁路无线通信的 BIM 设计赋能,助力铁
18、路工程全生命周期管理。2 无线仿真技术及信号覆盖特性研究考虑铁路无线通信系统具有下行受限的特点,信号场强覆盖只需计算下行链路即可,主要涉及两部分,一部分是有线传播损耗,即从基站射频输出端口至天线向外辐射电磁波之间的信号功率衰减;另一部分是无线传播损耗,即从天线向外辐射电磁波至现场设备射频输入端口之间的信号功率衰减。(1)有线传播损耗计算本文按照铁路无线通信系统的设备典型连接方式计算。室内部分,基站设备使用总长度约为 10 m 的1/2馈线连接 3 dB 功分器将信号馈入避雷器输入端口;室外部分,避雷器输出端口使用长度约为 90 m 的7/8馈线将信号馈入天线,经过天线增益放大后,以电磁波形式向
19、外辐射。针对 GSM-R、数字无线列调和5G-R 三种制式,分别计算有线传播损耗和天线馈出功率,结果对比如表 1 所示。通过表 1 可知,GSM-R系统天线馈出功率与 5G-R 系统相近,但与数字无线列调系统相差较大,主要原因是 400 MHz 频段天线的增益相对较小14。表 1 三种制式有线传播损耗Table 1 Wired propagation loss of the three systems制式GSM-R数字无线列调5G-R计算频率/MHz93241421601/2馈线损耗/(dB/10 m)0.70.51.17/8馈线损耗/(dB/10 m)0.40.30.6基站输出功率/dBm4
20、74548功分器损耗/dB555接头跳线损耗/dB0.50.50.5馈线总损耗/dB4.33.26.5天线放大增益/dBi17717天线馈出功率/dBm54.243.353(2)无线传播损耗计算无线传播损耗计算需要借助无线传播模型,GSM-R 制式通常采用修正 Okumura-Hata 模型,即Lb=69.55+26.16lgf-13.82lghb+(44.9-6.55lghb)lgd-(hm)(1)式中,f 为无线通信制式计算频率;hb为基站天线有效高度,计算方法为基站天线离地面高度加上基站与移动台之间的海拔高度差;d 为基站与移动台之间的直线传输距离;(hm)为移动台天线高度修正因子,根据
21、具体场景选用相应的计算公式,文中可按忽略不计考虑。需要注意的是,Okumura-Hata 模型适用的频率范围为 150 1 500 MHz,符合数字无线列调系统的400 MHz 频段,但不符合 5G-R 系统的 2 100 MHz 频段。不过,在 Okumura-Hata 模型的基础上,只需要引入一些修正项,即可使频率适用范围从 1 500 MHz 扩展到 2 000 MHz,得到 COST231-Hata 模型15-16。尽管该模型没有直接覆盖到 2 100 MHz 频段,却仍然可以用于 5G-R 系统的无线传播损耗近似计算17,即Lb=46.3+33.9lgf-13.82lghb+(44.
22、9-6.55lghb)lgd-(hm)+Cm(2)式中,Cm为城市修正因子,由于高速铁路的开放区间主要位于市郊和乡村,取值按 0 考虑;其余符号同前。(3)无线信号场强覆盖仿真方法首先,根据三种制式的天线馈出功率和无线传播损耗,即可绘制出基站信号直线传输距离 d 与无线信号场强值 P 之间的关系曲线,如图 1 所示。不失一般性,可以假设基站与移动台位于同一海拔高度,并且按照通信铁塔高 45 m、天线有效高度 hb为 43 m 进行计算。图 1 三种制式的传输距离与信号场强值关系曲线Fig.1 Relationship curves of transmission distance and si
23、g-nal field strength of the three systems由于目前 5G-R 系统设计规范尚未发布,接收机允许最小电平值也未明确,可暂按 GSM-R 系统设计规范的相关要求开展无线场强覆盖仿真方法研究。这里按照接收机天线输入端射频信号最小可用电平-92 dBm(列控类业务,设计速度280 km/h)18控制,GSM-R、数字无线列调、5G-R 三种制式基站最远覆盖距离分别约为 4.257,3.835 km 和 1.739 km,与工程经验结果相符19。以京张高铁的 DHYB-HL01 基站为例,遍历计算基站附近每一个点的信号场强值,并以分层设色法进561第 10 期姜志
24、威,赵一颖,任晓旋,等面向下一代铁路无线通信的数字化协同设计研究行标记和显示20,即可将无线信号的覆盖特性可视化,解决无线仿真技术问题,如图 2 所示。图 2 基于分层设色法的无线信号场强覆盖示意Fig.2 Wireless signal field strength coverage indication based on layered coloring method(4)无线信号边界场强判定方法下面研究两个相邻通信基站的无线信号场强边界覆盖情况,以京张高铁的 DHYB-HL01 和 DHYB-HL02 基站为例,分别绘制两个通信基站之间“点到点”和“沿线路”两种路径下的无线信号场强值变化
25、曲线,即可将相邻通信基站的无线信号边界场强分布量化,用以判定边界覆盖是否满足设计规范中对于最小可用电平-92 dBm 的要求,解决边界场强计算问题,如图 3 所示。图 3 相邻通信基站的无线信号场强覆盖曲线Fig.3 Wireless signal field strength coverage curve of adja-cent communication base stations对比两条曲线可以看到,两种路径下的无线信号场强值分布虽有所差异,但整体态势相近,最小可用电平均在-81 dBm 以上,满足设计规范要求。(5)无线信号动态切换验证方法由于图 3 所示的无线信号场强覆盖曲线只能表
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