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高速铁路隧道无线传播损耗模型校正 余 晨辉 中国移 动 集 团福建 有限 公 司宁德 分公 司 摘要 文章 通 过 分 析 隧道 无 线 传播 环 境 对 I r U R建 议 的 隧道 无 线 传播 损 耗 模型 进 行 校 正 得到 了一 套 高 速铁 路 隧 道 的 无 线 传 播损 耗 模 型 同 时 对不 同弯 曲半 径 的 隧道 进 行 无 线 信 号损 耗 测 试 得 出 了不 同弯 曲半 径 隧 道 对 无 线 信 号 的 影 响 规 律 关 键 词 隧 道 传 播 模 型 C W 测 试 1 引言 高速公 路 高 速铁路 隧道 无线 信 号覆 盖 的研 究一直 是 业界热点及难 点 目前 关 于隧道 的覆盖主要结合 交通线路 的覆盖 进行 H u a w e i Si e me n s 等公 司分别 对隧道 的一 些 覆盖手段进行 了探讨 各运营商也在网络建设 中进行相关 覆盖方式的对 比 但主要都集中于工程实施方案及解决手 段方面 缺 乏理 论及覆盖特性上 的研 究 即没 有从 隧道无线 环境 的测 试分 析得 出实 际可 用 的链路 预算 和传 播模 型 以 对工程建设进行理论和数据支持 这就导致工程实施方案 及解决手段只能适应特定 场景 无法普遍 适用 本 文结 合宁 德高速铁路覆盖 工程实例 介 绍隧道 内 C W 测试方法及 无线 传播损 耗模 型 的校正 结果 对 不 同覆盖 要 求和 物理特 性 的 隧道 进行 归纳 和分 析 以为同 类工程 提供 借鉴 和参 考 2 项 目背景 正在福建境 内施工的温福铁路北起浙江温州 南至福 建福州 全 长 2 9 8 4公里 总投资 1 7 4 8 亿元 是我 国 目前 已 动 工的建设标准最高 的铁路 之一 又是地质 条件最复杂 施 收 稿 日期 2 0 0 7 年 1 1 月 1 6日 责任 编 辑 林菊 j a s ini n e 1i n 1 2 6 C O rn 工难度最大 的铁路之一 其 中 福建段全长 2 2 9 1 4公里 桥 隧 占线路总长 的 7 8 8 4 桥 隧比重居全 国现有及 在建铁 路 之最 温福铁 路在 宁德境 内的里程 占了近三分之二 其 中霞 浦隧道是温福铁路线上最长的隧道 全长 1 3 1 2公里 位于 霞浦县竹 下村 设计 中的温福高速铁 路火车时速要 求 2 0 0公 里 小 时 以上 采用 双轨单 孔设 计 复 杂的无 线信号 传播 环境 无疑 给高 速铁 路 的信号 覆盖 带来 了很大 的 困难 为 了正 确指 导 高速铁 路 隧道覆 盖规 划设 计 需 要对 隧 道 内的无线 传播环境 进行研究 根据 C W 测试校正 无线 传播 损耗 模型 得 到一 套适 合 宁德地 区 高速铁 路 隧道 的纵 向及 横 向无线 传播 损耗 模型 3 隧道内无线信号传播的方式及传播模型 隧道 内的无线 信号主要经直射 反射 散射 才到达 接 收机 隧道墙壁对 无线电波有屏蔽 吸收和散射作用 理论 上 隧道是超大尺寸的非理想波导 频率只有高于其截止频 率的波才能在其中传播 大多数隧道的截止频率约为几十 兆赫 兹 目前移动通 信采用的频段远高 于几十兆赫兹 这个 频 段 的信号 在 隧道 中传 播时近 区场 为多模 传播 各 个模式 的损耗 与其 阶数 的平方 成正 比 如 图 1 所示 20 07 2 I 圈 1 维普资讯 图 l 隧道内无线信号传播示意图 根据菲涅耳区域理论 电磁波在隧道中传播时 可将隧 道分 为近 区和远 区两 个传 播 区域 波在 近 区主 要 为多模 传 播 而在 远区 波 的传播 方式主要是稳定 的引导传播 两个 传播 区域 的转折 点可 通过 该理论 来 确定 隧 道 中两种 传 播 区域 的界面为发射天线到转折点的最大距离 即 h W Ma x i mu m 其中 h为隧道 的高度 为隧道 的宽度 为电磁波 的波 长 可 见 与 隧 道 的高 或 宽 的平 方成 正 比 与波 长 成反比 温福铁路 宁德段隧道 为圆弧形截 面 高 9米 宽 1 3 4米 拱 形 截 面 可近 似 认 为 与矩 形 截 面 相 同 对 应 于 9 0 0 MHz 和 2 G Hz电磁波 的边 界分 别为 5 4 0米 I 2 0 0米 根据分析 隧道的传播空间分为两个区域 在传播距离 小于 的近区 导 引传播 尚未建立起来 电磁 波的主 要传 播方式是 多模传播 与波在 自由空间的传播类似 因此 可 以用 自由空间的传播模型来计算传播损耗 即 P d B 3 2 5 2 0 l o g MHz 2 0 1 o g d k m 而在传播距离大于 的远区 高次模基本上已被衰减 掉 电磁波主要 以主模 的形式传播 与波在波导 中的传播类 似 因此这个区域的传播损耗可用波导传播模型来计算 但 由于波导传播模型计算繁复 基于 I T U R建议 根据相 关隧道模型校正结果可知 当传播距离大于 的远区时 可用以下传播模型来计算传播损耗 P d B 2 0 l o g IV I Hz n l o g d m 一A 4 隧道内 C W测试方法 本测 试采 用两 种信 号源 工具 第一 种信 源是 亚伦 信 号 发生器 GWMT 0 9 2 0 定 向板状 天线 定 向天线安 装于 隧道 一 侧 信号朝隧道 内辐射 接收机沿隧道 方向采集数据 模 拟目前常用的隧道口安装定向天线的设计方式 用于长隧 田 高速铁路隧道无线传播损耗模型校正 道无 线传 播损 耗模 型校正 测试 第 二种信 源是 爱立信 模拟 发射手机 将 手机 安装于隧道 内一侧 信号 向四周 辐射 接 收机沿径向在接收机两端采集数据 模拟泄露电缆在隧道 内辐射 的方式 用 于短隧道 无线传播 损耗 模型测试 如 图 2 所 示 发射 天线 接收 天线 图2 C W测试数据采集原理图 搭 建测试 平 台 定 向发射天 线 固定 于 3 米 支撑架 上 放 置于隧道 口一侧的排水 沟 高 l 米 上 离地 4米 天线 朝 隧道 内部 辐射 天线 水平方 向与 隧道壁 呈 l 0度夹 角 下 倾 角为 0度 利 用接 收机 进行 清频 检查 测试 区域是 否 有其他 强 信号源 测试频点底噪大于 一l 0 0 d B m即判断有干扰 如 果 有干 扰 则根 据扫 频结 果选取 其他 未 受干扰 的频点 作 为 信 号源 发射频 点 正确连接发射设 备 开启设备 发射机 发射 功率设置 为 l 7 d B m 频 率 设 置 为 9 5 4 0 2 旧 z 移动 下 行 9 5 号频 点 2 0 k H z 测量驻波比 VS WR 工程要求V S WR 1 4 确 认发射 系统 工作正 常后 利 用功率计 测试进 天线 口的功率 测试 手机 竖 直置 于车 顶 正确 连 接接收 机 以及测 试 用 电脑 开 启测试软件 确 定测试手机 处于正 常工作状 态 打开 T E MS I n v e s t i g a t i o n 5 0 选择测试方式为 F r e q u e n c y S c a n ni n g 设 置为 不进 行 B C C I I 解调 每 2 0个测试采样输出一个报告 车辆沿隧道直线行驶 离发射天线 l 0 0米每 5 米记录 一 次数据 每次记录时间为 1 秒 接收电平值低于 一1 0 0 d B m 时停 止测试 采 用模 拟发 射手 机作 为信 号源 时 测 试方 法可 参照 以 上步骤 进 行 5 隧道无线传播损耗模型校正结果 测试结束后 对每个采样点的数据进行算术平均 减少 快衰落对数据点的影响 进而对数据进行分析 滤除异常样 点 将得到的与距离有关的采样点接收电平测试值代入待 校正的模型 分别对距离因子 力和常数项 A进行迭代计算 责任 编 辑 林 菊 j a s ini n e 1 in 1 2 6 O O m 维普资讯 速铁路隧道 无线肯播损耗模型校正 直至得出符合要求的 力 A值 校正 后得 到 的直通 长隧 道传播 模 型为 d B 2 0 l o g MH z 2 0 2 8 1 o g d m 一2 8 4 8 测试值与校正后模型预测值的距离因子标准差为 2 0 7 d B 常数项 标准 差为 4 9 5 d B 本次直通长隧道 C W测试采集 5 0 0个平均化处理的样 点 滤除异常样点 7 6个 共取得有效样点4 2 4个 代入待 校正模型 尸 d B 2 0 l o g MI I z 门l o g d m A 妇 A的初始值取 2 0 一2 8 得到校正后 的距离 因子及 常数 项 标准偏差符合校正要求 从图 3 可看出 校正后模型预 测值与测试值吻合程度高 该模型符合预测要求 1 20 1 00 8 0 6 0 4 0 一 I r 0 50 0 10 00 1 500 2 000 250 0 3 00 一 预测值一 实测值 距离 m 图 3 直通长隧道模型预测及测试偏差 图 校 正 后得到 的直 通短 隧道 传播 模型 为 尸 d B 2 0 l o gf MH z 1 4 0 4 l o g d k r n 3 2 8 9 测试值与校正后模型预测值的距离因子标准差为 5 0 2 d B 常数项标 准差 为 4 3 6 d B 本 次 直通 短 隧道 C W 测试 采 集 1 5 0个 平均 化 处理 的样 点 均为有效样点 代入待校正模型 d B 3 2 5 2 0 l o g Mt 王 z 2 0 l o g d k r n 校正后距离因子和常数项标准 偏 差符 合校正要求 从 图 4可看 出 校正后模 型预测值与测 试 值吻合 程度 高 该模 型符 合预 测要 求 图 4 直通短隧道模型预 测及 测试偏差图 校 正后 得到 的弯 曲长 隧道 传播模 型 为 d B 2 0 l o g MH z 2 0 9 7 1 o g m 一2 8 0 2 责任 编辑 林 菊 j a s min e 1i n 1 2 6 c o m 图5 弯曲长隧道模型预测及测试偏差图 测试值与校正后 模型预测值的距离因子标准差为1 7 1 d B 常数项标准差为 5 0 0 d B 本次弯曲长隧道 C W 测试采集 4 0 0个平均化处理的样 点 滤除异常样点 1 9 个 共取得有效样点 3 8 1 个 代入待 校正模型P d B 2 0 l o g Mt t z nl o g d m 一A 7 A的初 始值 取 2 0 一2 8 得到校正 后的距离 因子及常数 项 标准偏差符合校正要求 从图5可看出 校正后模型预 测值与测试值吻合程度高 该模型符合预测要求 校正后得到的弯曲短隧道传播模型为 d B 2 0 1 o g MH z 5 5 4 1 o g d k m 3 1 5 4 测试值与校正后模型预测值的距离因子标准差为6 5 l d B 常数项 标 准差 为 4 8 7 d B 本 次直 通 短隧 道 C W 测试 采集 1 5 0个平 均化 处 理 的样 点 均为有效样点 代入待校正模型 尸 d B 3 2 5 2 0 l o g MH z 2 0 1 o g d k m 校正后 距离因子和常数项 标准偏差符 合校 正要 求 从图 6可看 出 校正后模 型预 测值 与测试值吻合程度高 该模型符合预测要求 图 6 弯 曲短隧道模型预测及测试偏 差图 校正后得到的横向传播模型型为 d B 2 0 l o g H z 6 8 3 1 o g d k m 3 2 2 1 测试值与校正后模型预测值的距离因子标准差为1 6 8 d B 常数项标准差为 4 2 l d B 横向传播模型的 C W测试主要是模拟泄露电缆信号在 隧道内的传播方式 根据隧道实际情况 采用模拟发射手机 2 00 7 2届 1 维普资讯 作为信号发生器 固定于隧道一侧 离发射天线水平距离每 隔 0 3米处进行一次数据采样 如图7所示 图 7 横 向传播模型预测与测试偏差图 横向传播模型 C W测试采集 2 5个平均化处理的样点 均 为有效样点 代入待校正模型 d B 3 2 5 2 0 l o g MHz 2 0 l o g d k m 校正后 距离因子和常数项标准 偏差符合校正要求 从图8可看出 校正后模型预测值与测 试值吻合程度高 该模型符合预测要求 图 8 横向传播模型 C W 测试路径图 6 隧道弯曲程度对无线信号传播的影响 从 弯 曲 程 度 看 研 究 的 隧 道 主 要 有 直 通 弯 曲 R 4 5 0 0 m 弯曲R 5 0 0 0 m 弯 曲R 5 8 0 0 m 弯 曲 6 0 0 0 m 五种类型 隧道弯曲半径越小 场强中值随距离变化的曲度 越大 对覆盖的影响越显著 设计时 应对不同弯曲半径的 隧道进行区别设计 提高设计的精度 图9 是针对直通隧道 弯 曲 4 5 0 0 m 弯 曲 5 8 0 0 m 三种类 型隧道 的测试 通 过 图 9 可 看出 不同弯 曲程度 的隧 道对信 号传 播的影 响 图9 不同弯曲半径隧道的路径损耗比较 臣 噬 高速铁路隧道无线传播损耗模型校正 为了便于设计取值 对不同弯曲程度隧道的测试数据 进行统计平均 传播损耗 弯曲月 5 8 0 0 m 一传播损耗 直 通 2 6 1 d B 传播损耗 弯曲R 4 5 0 0 m 一传播损耗 弯 曲月 5 8 0 0 m 4 6 4 d B 隧道弯曲半径越小 场强中值随 距离 变化 的 曲度越 大 7 结束语 隧道无线信道是无线电波传播的一个特殊环境 我们 通 过 C W 测 试校正无线传播 损耗模 型 得 到了适合宁德地 区 不 同高速 铁路 隧道 环境 的纵 向及 横 向传播 模型 校 正后模 型 的距 离 因子 和 常数 项 与测 试值 标 准偏 差 均在 8 d B以下 吻合 度较 高 同 时通过 对不 同 隧道 弯 曲程 度对 信号 传播 影 响的测试 有效 地指导隧道覆盖 的规 划与设计 并在 工程中 得到了良好的应用 由于 目前宁德境内的高速铁路隧道均 为统一 的 圆弧 形单 孔双轨 设 计 模型 仅适 用于 该类 型 隧道 环境 下的无线传播 损耗预测 对 于其 他类型的隧道 可参 照 本 文 C W 测