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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 ITU-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 CW 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,Huawei、Siemens 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 CW 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。工难度最大的铁路之一。其中,福建段全长 229.14 公里,桥隧占线路总长的 78.84,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 13.12 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 200 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 CW 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,南至福收机沿径向在接收机两端采集数据,模拟泄露电内辐射的方式,用于短隧道无线传播损耗模型测试所示:图 1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,即图 2CW 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 米放置于隧道口一侧的排水沟(高 1 米)上,离地 4朝隧道内部辐射,天线水平方向与隧道壁呈 10 度倾角为 0 度。d =Maximum()3NF利用接收机进行清频,检查测试区域是否其中,h 为隧道的高度,w 为隧道的宽度,为电磁波信号源(测试频点底噪大于 -100dBm 即判断有干的波长。可见,d 与隧道的高或宽的平方成正比,与波果有干扰,则根据扫频结果选取其他未受干扰的NF长成反比。温福铁路宁德段隧道为圆弧形截面,高 9 米,宽13.4 米,拱形截面可近似认为与矩形截面相同,对应于900MHz 和 2GHz 电磁波的边界分别为 540 米、1200 米2。 根据分析,隧道的传播空间分为两个区域。在传播距离信号源发射频点。正确连接发射设备,开启设备,发射机发射为 17dBm, 频率设置为 954.02MHz(移动下行 9+20kHz),测量驻波比(VSWR),工程要求 VSWR 认发射系统工作正常后,利用功率计测试进天线小于 d 的近区,导引传播尚未建立起来,电磁波的主要传NF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,即测试手机竖直置于车顶,正确连接接收机用电脑,开启测试软件,确定测试手机处于正常P ( dB) =32.5+20logf( MHz) +20logd( km)打开 TEMS Investigation 5.0,选择测L而在传播距离大于 d 的远区,高次模基本上已被衰减Frequency Scanning,设置为“不进行 BCCH 解NF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 ITU R 建议,根据相20 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 100 米每一次数据,每次记录时间为 1 秒,接收电平值低于关隧道模型校正结果可知,当传播距离大于 d 的远区时,时停止测试。NF可用以下传播模型来计算传播损耗:采用模拟发射手机作为信号源时,测试方法P ( dB) =20log f( MHz) +nlogd( m) A上步骤进行。L4隧道内 CW 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发生器 GWMT0920+ 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,模快衰落对数据点的影响,进而对数据进行分析,滤点;将得到的与距离有关的采样点接收电平测试直至得出符合要求的 n、A 值。校正后得到的直通长隧道传播模型为:P (dB)=20log f(MHz)+20.28log d(m) 28.48L测试值与校正后模型预测值的距离因子标准差为 2.07dB, 常数项标准差为 4.95dB。本次直通长隧道 CW 测试采集 500 个平均化处理的样点,滤除异常样点 76 个,共取得有效样点 424 个,代入待图 5弯曲长隧道模型预测及测试偏差图校正模型 P ( dB) =20log f( MHz) +nlog d( m) A,Ln,A 的初始值取 20,-28,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。测试值与校正后,模型预测值的距离因子标准差为 1.71dB,常数项标准差为 5.00dB。本次弯曲长隧道 CW 测试采集 400 个平均化处理的样 点,滤除异常样点 19 个,共取得有效样点 381 个,代入待校正模型 P (dB)=20log f(MHz)+nlog d(m) A,Ln,A 的初始值取 20,-28,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:P (dB)=20log f(MHz)+5.54log d(km) 31.54L测试值与校正后模型预测值的距离因子标准差为 6.51dB,图 3直通长隧道模型预测及测试偏差图常数项标准差为 4.87dB。本次直通短隧道 CW 测试采集 150 个平均化处理的样 点,均为有效样点,代入待校正模型 P (dB)=32.5 20logLf(MHz)+20log d (km),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。校正后得到的直通短隧道传播模型为:P (dB)=20log f(MHz)+14.04log d(km) 32.89L测试值与校正后模型预测值的距离因子标准差为 5.02dB, 常数项标准差为 4.36dB。本次直通短隧道 CW 测试采集 150 个平均化处理的样点,均为有效样点,代入待校正模型 P (dB)=32.5+20logLf(MHz)+20log d (km),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 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:P (dB)=20log f(MHz)+6.83log d(km) 32.21L通)=2.61dB,传播损耗(弯曲 R=4500m)- 传播曲 R=5800m)=4.64dB。隧道弯曲半径越小,场 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通过 CW 测试校正无线传播损耗模型,得到了适合不同高速铁路隧道环境的纵向及横向传播模型,图 7横向传播模型预测与测试偏差图型的距离因子和常数项与测试值标准偏差均在吻合度较高。同时通过对不同隧道弯曲程度对信横向传播模型 CW 测试采集 25 个平均化处理的样点,均响的测试,有效地指导隧道覆盖的规划与设计,并为有效样点,代入待校正模型 P (dB)=32.5 20log fL(MHz)+20log d(km),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。得到了良好的应用。由于目前宁德境内的高速铁为统一的圆弧形单孔双轨设计,模型仅适用于该环境下的无线传播损耗预测,对于其他类型的隧道本文 CW 测试方法对无线传播损耗模型进行校正参考文献【1 】张跃平,张文梅,郑国莘 等预测隧道中传播混合模型J电子学报,2001(9)【2】武桦,贾怀义隧道中 UHF 电波传播特性的分 北京交通大学学报,2006,30(2 )图 8横向传播模型 CW 测试路径图【3】A G Emahe, R L Lagace, P F Strong. Thethe Propagation of UHF Radio Waves iMineTunnelsJ.IEEETrans,An Propagation, 1975,23(2): 192-2056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=4500m、弯曲 R=5000m、弯曲 R=5800m、弯曲 R=6000m 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

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