450 MHz无线列调覆盖范围与天线挂高预测的研究

陈荣超

(中铁第五勘察设计院集团有限公司郑州分院，郑州 450001)

1 概述

随着国内铁路建设步入“高速时代”，450 MHz列车无线调度通信系统功能单一、频率利用率低、容量有限、话音和数据业务争抢信道、传输可靠性低、数据传输能力差[1]等缺点越来越突出，中国铁路总公司开始逐步将既有普速铁路的450 MHz无线列调系统改建为GSM-R 系统。但目前采用450 MHz 无线列调系统的既有线路上的改建、接轨等工程，依然还需使用450 MHz 无线列调系统，并考虑为未来的G 网改造预留条件。

在实际工程项目中，450 MHz 无线列调系统的设计需预测天线挂高、铁塔高度等作为前期计算工程量及投资的依据。而目前在450 MHz 无线列调系统中对天线挂高的预测多通过以往项目经验，相关规范也并没有说明具体的预测方法，可参照完整、明晰的预测方法也几乎没有，往往会造成前期设计不能很好的完成后期实际工程应用。针对此类问题，依托接轨陇海线的某专用铁道工程，对450 MHz 无线列调覆盖范围与天线挂高预测进行研究，并制作一预测软件，能有效降低设计人员的工作量并提高预测的准确度，为今后此类工程提供设计经验。

2 工程概况

本项目位于江苏省连云港市境内，线路经过区地貌上属滨海冲积平原，总体上呈北高南低，地势较平坦，自然地面标高3.00 ～4.00 m，自然坡度小。

本项目专用铁道接轨于徐圩港区支线，徐圩港区支线接轨于陇海线云台山站，采用450 MHz 的B制式无线列调系统，纳入陇海线既有无线列调系统中。专用铁道行车方式为按行车办理，设中间站1处，该中间站距接轨站直线距离约7.4 km，如图1所示。接轨站既有挂高32 m 的定向天线，本项目拟在中间站使用定向天线。

图1 专用铁道布置示意图Fig.1 Schematic diagram of special railway layout

3 预测方法

电磁波的发射和接收都要通过天线来实现，基站的发射功率经过馈线到达天线，经天线放大发射出去，经过空间传播，再经机车台天线到达接收机。正常情况下，综合考虑到各种损耗等因素，车站台发射功率P 和机车台最小接收电平V 应满足公式（1）。

公式（1）中：

P 为车站台发射功率，dBμ。以应用较为广泛的鸿雁牌TW-42Uz 型车站台[2]为例，该车站台发射功率在同频单工下为5 W、双工和异频单工下为10 W，已知该铁路线使用450 MHz 无线列调系统的B 制式（大三角使用双工通信、小三角可使用双工、半双工、单工通信），则发射功率取10 W（设源阻抗为50 Ω，P=U2/R，则10 w=147 dBμ）。

L1为车站天线馈线损耗，dB。450 MHz 下：7/8 英寸馈线损耗为2.65 dB/100 m，1/2 馈线为4.75 dB/100 m，1/2 超柔馈线为7.59 dB/100 m，则L1=0.026 5×(hb+10)+0.047 5×10+0.075 9×10=0.026 5 hb+1.499。

L2为机车天线馈线损耗，dB。则L2=0.047 5 dB/m×7 m=0.332 5 dB。

Lb为传输损耗，dB。

G1为车站台天线增益，取8.5 dB。

G2为机车台天线增益，取0 dB。

△为其他损耗，取5 dB。其中每个连接接头损耗约0.05 dB，避雷器损耗约0.5 dB，一分二功分器损耗约3.5 dB。

M 为 储 备 量， 取6.5 dB。其中发射功率下降3 dB，接收机灵敏度恶化2 dB，失配损失1.5 dB。

3.1 传输损耗计算

在无线通信系统中，电波是在非规则、非单一的环境中传播，随着传播距离的增大，接收到的信号强度逐渐减小[3]。我国幅员辽阔，一条铁路干线通常会经历准光滑、丘陵和山地等地形地貌以及市区、郊区、开阔区、林区等人为环境，不同的地形地貌和人为环境都会造成衰减速率的不同，这就使得450 MHz 无线列调传播路径非常复杂。因此在估算传输损耗时，首先应针对铁路沿线不同的地形地貌和人为环境选择适合的无线传播模型来进行分析。

本工程地形的传输损耗可依据GB/T 14617.1-2012[4]中场强中值预测模式下的准光滑地形上乡村公路的基本传输损耗来预测，预测方法为公式（2）。

公式（2）中：

Lb为基本传输损耗，dB；

f 为频率，MHz；

hb为基台天线高度，m；

hm为移动台天线高度，m；

d 为移动台到基台的距离，km；

r 为远距离传播修正因子，计算方法见公式（3）：

a(hm)为移动台天线高度增益因子，dB。计算方法见公式（4）。

GB/T 14617.1-2012 中的基本传输损耗预测公式是根据大量的实测数据，统计、分析、总结得到的经验公式，严格适用范围为：150 MHz ≤f ≤1 500 MHz、30 m ≤hb≤200 m、1 m ≤hm≤10 m、1 km ≤d ≤100 km。

3.2 机车电台接收电平中值预测

TB 1876-87[5]1.2 规 定：“450 MHz 频 段 最 小可用接收电平在一个调度区段内按95%或90%的地点和时间概率。机车电台接收机输出端的电压信比不低于20 dB 的条件下，其最小接收电平应不小于0 dBμ(1μV)。”

根据上述规定， 本项目时间及地点概率都取95%，并且取机车电台最小接收电平Vmin(95%,95%)=0 dBμ。 但GB/T 14617.1-2012 给 出的基本传输损耗预测公式是在时间及地点概率都为50%的情况下预测，这就需要根据Vmin(95%,95%)等效推出Vmin(50%,50%)（时间及地点概率都取50%时机车电台最小接收电平）。

目前450 MHz 机车台天线多采用加感垂直接地振子天线。根据场强的定义，若被研究点上接收天线方向与电场强度E(V/m)平行，则有效长度为le(m)的天线端感应的电压e=E×le[6]，可得到接收机接收电平与该处场强的关系式（5）：

同一根天线根据公式（5）可得：ΔE=E(50%,50%)－E(95%,95%)=V(50%,50%)－V(95%,95%)=ΔV，即时间及地点概率分别取95%与50%时，最小接收电平的差值ΔV与场强的差值ΔE 相等，从而可根据ΔE 计算出Vmin(50%,50%)。

3.3 空间和时间域内的衰落深度计算

依据GB/T 14617.1-2012 的7.1，时间及地点概率都取95%的业务场强（即在接收点所收到的有用信号的场强）可用公式（6）计算。

公式（6）中：

L 为地点概率，%；T 为时间概率，%。

Ed(L,T)为预测地点概率和时间概率分别为L%和T%的业务场强，dB(μV/m)。

σLd、σTd为业务场强随地点和时间的变化的标准偏差，dB。σLd可由本文3.3.1 确定，σTd可由本文

3.3.2 确定。

k(L)为与地点概率有关的一个常数，k(T)为与时间概率有关的一个常数，可用公式（7）来计算，式中erf-1（ζ）为误差函数的逆函数。

k(L)σLd和k(T)σTd可分别代表空间和时间域内的衰落深度，两者之和即为ΔE。将L=T=95、k(95)=1.645、f=450、Δh=0.8 m、d ≤50 km 代入公式（6）：Vmin(50%,50%)=Vmin(95%,95%)+k(L)σLd+k(T)σTd=0 dBμ+14.391 dB=14.391 dBμ。

3.3.1 场强随地点变化的标准偏差σL

σL：场强随地点变化的标准偏差，dB。

对于农村开阔区域：

对于平坦市区（100 MHz

对于50 km 以上的任意地形：

以上公式中：

Δh 为地形不规则度，单位m。即移动台到基台方向10 km 范围内10%与90%的地形高度值的差，可以用地形剖面数据中剖面路径、剖面高度的最大值和最小值之差的80%来简化计算。

λ 为波长，单位m。λ=300/f。

3.3.2 场强随时间变化的标准偏差σT

σT：场强随时间变化的标准偏差，dB。

对于f<300 MHz：

3.4 天线挂高及覆盖范围预测

450 MHz 无线列调系统场强覆盖应符合TB 10086-2009[7]3.3.3 规定：

1）两相邻车站电台场强应连续覆盖。

2）车站电台场强覆盖范围应为站距的50%～70%，且不得小于5 km；小于5 km 的区间应覆盖到邻站；

3）两相邻车站电台场强覆盖应有500 m 以上的重叠区。

4）站间有局间交界处时，车站电台的场强应连续覆盖至局界。”

将f=450、hm=4 及以上计算的各类相关参数代入公式（1），可得出适合本项目的天线挂高和覆盖范围的关系公式（13）：

当hb=20 m 时，d ≤6.24 km，当hb=25 m 时，d ≤6.96 km，当hb=30 m 时，d ≤7.63 km，结合本项目实际情况及上述规范规定，当天线挂高25 m 时即可满足本项目无线覆盖需求。由于陇海线正在进行G 网改造，依据铁总运[2013]189 号文[8]的相关规定，建议将新设铁塔高度及规格与G 网改造标准一致，新设车站调度交换机应预留接入GSM-R 系统的条件，在保证现有无线列调正常运行的情况下，为将来的改造预留条件。

4 预测软件制作

以上预测过程参数多、公式繁琐，本文使用Viusal C++6 软件开发制作了一套预测软件，软件界面如图2 所示。该软件基于Windows 的微软基础类库框架，创建对话框并添加各类控件，将各种地形地貌及人为环境的基本传输损耗预测公式及各类参数编写到该软件中。设计人员只需在界面中输入或导入各类相关参数，就能通过该软件自动分析并预测出天线挂高和覆盖范围，能有效降低设计人员的工作量并提高预测的准确度。

5 结语

本文对准光滑地形上类似乡村公路的人为环境下非电气化区段的天线安装高度与场强覆盖范围做了细致、完整的研究，从以上推导过程可以看出，450 MHz 无线列调天线安装高度与场强覆盖范围，除了受车站台、天线、接收机本身的性能影响外，与是否电气化区段、所处地形地貌和人为环境也有很大关系。其他如丘陵和山区等地形地貌、城区和开阔地等人为环境，也都可以结合本文推导过程并依据GB/T 14617.1-2012 给出的基本传输损耗预测公式来很好的预测。但本文是以国标给出的经验公式为依据，与实际工程情况会存在误差，所以预测结果可作为工程前期计算工程量及投资较可靠的依据，后期等招标完厂家并确定出产品参数后，需进一步做深化设计，以及在工程安装完成后根据实际测量结果，通过调整天线安装角度等措施使场强覆盖达到最优。

图2 预测软件界面Fig.2 Prediction software interface