城市軌道交通車(chē)場(chǎng)無(wú)線信號(hào)覆蓋分析

袁 松

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

目前，國(guó)內(nèi)城市軌道交通正處在一個(gè)高速發(fā)展的特殊時(shí)期，專(zhuān)用無(wú)線通信作為城市軌道交通正常運(yùn)營(yíng)不可缺少的通信支撐系統(tǒng)，起著至關(guān)重要的作用，通過(guò)它能滿(mǎn)足列車(chē)司機(jī)和控制中心調(diào)度員的直接通信，對(duì)保證調(diào)度及時(shí)執(zhí)行、危險(xiǎn)及災(zāi)難情況下的緊急處理提供可能。

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)軌道交通建設(shè)的現(xiàn)狀，列車(chē)調(diào)度專(zhuān)用無(wú)線系統(tǒng)均采用800?MHz集群頻段（上行為 806 ～ 821?MHz，下行為 851 ～ 866?MHz）的TETRA系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)備主要有MOTOROLA的DIMETRA?IP和歐洲宇航（EADS）的DXTiP系統(tǒng)。專(zhuān)用無(wú)線通信是通過(guò)射頻無(wú)線對(duì)列車(chē)沿線及車(chē)場(chǎng)的全覆蓋來(lái)保證無(wú)線通話的可靠性。

地鐵專(zhuān)用無(wú)線信號(hào)的覆蓋主要分為區(qū)間、車(chē)站和車(chē)場(chǎng)（車(chē)輛段或停車(chē)場(chǎng)）3部分。

地鐵區(qū)間都是鏈狀區(qū)域，其信號(hào)覆蓋基本是通過(guò)漏泄同軸電纜（LCX）進(jìn)行覆蓋，這種覆蓋方式簡(jiǎn)單，信號(hào)均勻，可以有效避免信號(hào)盲區(qū)，保證切換的重疊區(qū)；車(chē)站的覆蓋主要是通過(guò)吸頂小天線進(jìn)行。這兩種覆蓋方式，覆蓋目標(biāo)距離信號(hào)發(fā)射點(diǎn)（漏纜及吸頂小天線）的距離比較小，覆蓋預(yù)測(cè)簡(jiǎn)單，鏈路計(jì)算相對(duì)容易。

而車(chē)場(chǎng)一般是片狀區(qū)域，其信號(hào)覆蓋通常是通過(guò)鐵塔天線空間波進(jìn)行覆蓋，覆蓋距離通常在1?km左右，部分車(chē)場(chǎng)還需要考慮出入段線的覆蓋，覆蓋距離會(huì)進(jìn)一步增大。同時(shí)，在車(chē)場(chǎng)內(nèi)有各個(gè)單體建筑，通常包括停車(chē)列檢庫(kù)、月檢庫(kù)、信號(hào)樓、綜合樓及司機(jī)公寓等，部分大型車(chē)場(chǎng)還設(shè)有車(chē)輛維修基地。因此，車(chē)場(chǎng)的覆蓋相對(duì)來(lái)說(shuō)，比較復(fù)雜，需要對(duì)空間波覆蓋進(jìn)行詳細(xì)分析及覆蓋預(yù)測(cè)，進(jìn)行合理計(jì)算，并最終在實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上確認(rèn)覆蓋效果。

1 空間波電波傳播損耗的幾個(gè)主要因素

空間電波傳送損耗主要由3方面組成：空間距離引起的路徑損耗；時(shí)間和地點(diǎn)引起的慢衰落損耗；環(huán)境噪聲、多徑效應(yīng)引起的快衰落損耗。

1.1 路徑損耗

信號(hào)幅射源發(fā)出的信號(hào)在傳播過(guò)程中，隨著信號(hào)的發(fā)散，在離開(kāi)信號(hào)源一定距離的位置收到的信號(hào)功率密度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信號(hào)源處的功率密度，天線接收的信號(hào)也會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，在數(shù)值上體現(xiàn)出發(fā)射和接收信號(hào)功率的差值，這個(gè)差值就是路徑傳播損耗。路徑損耗受收發(fā)天線距離的影響，距離越大、損耗越大。同時(shí)，路徑損耗還受到信號(hào)傳播的環(huán)境，特別是地形地貌的影響，所以在計(jì)算路徑損耗時(shí)，通常需要確定路徑損耗預(yù)測(cè)模型，根據(jù)損耗預(yù)測(cè)模型進(jìn)行路徑損耗的計(jì)算和預(yù)測(cè)。

1.2 慢衰落

慢衰落是信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)中值隨著時(shí)間和地點(diǎn)變化而引起的信號(hào)強(qiáng)度的隨機(jī)變化。

通俗地講，就是在同一個(gè)地點(diǎn)，連續(xù)不同時(shí)間測(cè)試同一信號(hào)，得到的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨機(jī)變化；同時(shí)，在同一個(gè)時(shí)間，在無(wú)線覆蓋區(qū)域內(nèi)的某一個(gè)路段上，同時(shí)測(cè)試同一個(gè)信號(hào)，得到的信號(hào)強(qiáng)度也不相同，表現(xiàn)出一個(gè)隨機(jī)變化的趨勢(shì)。

通過(guò)大量的實(shí)測(cè)表明，信號(hào)隨著時(shí)間和地點(diǎn)的隨機(jī)變化服從正態(tài)分布。

1.3 快衰落

移動(dòng)臺(tái)在通話過(guò)程中，會(huì)因?yàn)榄h(huán)境干擾和多徑效應(yīng)引起信號(hào)強(qiáng)度的降低，導(dǎo)致通話質(zhì)量下降，稱(chēng)之為快衰落。工程上，通常用信號(hào)惡化量來(lái)概括快衰落對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響。

惡化量大小與要求的話音質(zhì)量關(guān)系密切，針對(duì)TETRA系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，根據(jù)國(guó)際無(wú)線電咨詢(xún)委員會(huì)（CCIR）報(bào)告，3級(jí)話音質(zhì)量要求的惡化量通常在5～6?dB之間，4級(jí)話音質(zhì)量要求的惡化量在10～12?dB之間。

2 常用的空間波傳輸路徑損耗預(yù)測(cè)模型

目前，常用的空間波傳輸路徑損耗預(yù)測(cè)模型有Okumura-Hata模型及COST-231?Hata模型。

2.1 Okumura-Hata模型

Okumura-Hata模型是根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到的經(jīng)驗(yàn)公式，在市區(qū)，Okumura-Hata經(jīng)驗(yàn)公式如下。

式中，f是載波頻率；hte是發(fā)射天線有效高度；hre是接收天線有效高度；d是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離；a（hre）是移動(dòng)天線修正因子。

在郊區(qū)，Okumura-Hata經(jīng)驗(yàn)公式修正為：

在農(nóng)村，Okumura-Hata經(jīng)驗(yàn)公式修正為：

Okumura-Hata模型其適用頻率范圍是150?～1?500?MHz，適用于小區(qū)半徑大于 1?km 的宏蜂窩系統(tǒng)，移動(dòng)臺(tái)有效天線高度在1～10?m之間。

2.2 COST-231 Hata模型

COST-231?Hata模型路徑損耗的公式為：

Lm(d)=46.3+33.9?lg?f-13.82?lg?htea(hre)+(44.9-6.55?lg?hte)?lg?d+CM

式中，CM為大城市中心校正因子。在中等城市和郊區(qū)，CM=0?dB ；在市中心，CM=3?dB。

COST-231?Hata模型，其適用頻率范圍是1?500 ～ 2?300?MHz，適用于小區(qū)半徑大于 1?km 小于20?km的宏蜂窩系統(tǒng)，移動(dòng)臺(tái)有效天線高度在1～10?m 之間。

COST-231?Hata 模型和 Okumura-Hata模型主要的區(qū)別在于使用頻率范圍不同。另外，COST-231?Hata模型還增加了一個(gè)大城市中心衰減因子CM，大城市中心地區(qū)路徑損耗增加3?dB。

3 軌道交通車(chē)場(chǎng)信號(hào)覆蓋預(yù)測(cè)分析

根據(jù)目前各個(gè)城市地鐵建設(shè)情況，車(chē)場(chǎng)基本都建設(shè)在地面上，且基本都選址在郊區(qū)，極少部分大型城市由于線路走向的原因，將車(chē)場(chǎng)選址在市區(qū)。

城市地鐵車(chē)場(chǎng)建設(shè)通常呈長(zhǎng)方形，一般規(guī)模在長(zhǎng) 1?000 ～ 1?400?m、寬 200 ～ 400?m 之 間。專(zhuān)用無(wú)線信號(hào)應(yīng)滿(mǎn)足車(chē)場(chǎng)的全覆蓋和出入段（場(chǎng)）線地面區(qū)域（通常200～400?m）的無(wú)線覆蓋。

車(chē)場(chǎng)室外區(qū)域一般采用全向天線覆蓋，覆蓋區(qū)域呈圓形面狀。

3.1 信號(hào)覆蓋需要達(dá)到的目標(biāo)

在無(wú)線調(diào)度網(wǎng)內(nèi)的通話，話音質(zhì)量達(dá)到三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

信號(hào)應(yīng)滿(mǎn)足在95%的時(shí)間及地點(diǎn)概率內(nèi)的可靠通信，即時(shí)間地點(diǎn)概率≥95%。

3.2 信號(hào)覆蓋分析、預(yù)測(cè)及計(jì)算

3.2.1 設(shè)備參數(shù)及路徑損耗允許值計(jì)算

1）基站及終端設(shè)備接收靈敏度如表1?所示。

表1 基站及終端接受靈敏度

2）基站—車(chē)載臺(tái)、手持臺(tái)之間的信號(hào)鏈路預(yù)算如表2所示。

3）車(chē)載臺(tái)、手持臺(tái)—基站之間的信號(hào)鏈路預(yù)算如表3所示。

表2 下行鏈路預(yù)算

表3 上行鏈路預(yù)算

由以上設(shè)備參數(shù)計(jì)算出的路徑損耗中值可以看出，覆蓋受限主要是手持臺(tái)—基站的上行信號(hào)覆蓋，路徑損耗中值不能超過(guò)143.5?dB。

4）系統(tǒng)惡化量?jī)?chǔ)備

車(chē)場(chǎng)機(jī)車(chē)動(dòng)力通常采用牽引供電，存在環(huán)境干擾，同時(shí)信號(hào)的傳輸過(guò)程中也存在多徑效應(yīng)，因此需要考慮系統(tǒng)信號(hào)質(zhì)量的惡化儲(chǔ)備量。

根據(jù)YD/T?5034-2005《數(shù)字集群通信工程設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》，在無(wú)線調(diào)度網(wǎng)內(nèi)的通話，話音質(zhì)量達(dá)到三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的要求，根據(jù)CCIR報(bào)告，惡化量按5.5?dB 考慮。

5）系統(tǒng)可靠性考慮

由于系統(tǒng)要求在95%的時(shí)間及地點(diǎn)概率內(nèi)可靠通信，即要求信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)滿(mǎn)足95%的時(shí)間概率和95%的地點(diǎn)概率。

根據(jù)“陸地移動(dòng)業(yè)務(wù)傳播特性”?國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，地點(diǎn)和時(shí)間概率分別為95%的信號(hào)冗余量V為：V=?K(x1)σl+K(x2)σt

由于車(chē)場(chǎng)通常處在郊區(qū)，且（Δh/λ）≤3?000，?σl（dB）取值按下式計(jì)算：

σl＝ 6+0.69（Δh/λ）0.5+0.0063（Δh/λ）

其中，Δh為地形不規(guī)則度（m），λ為信號(hào)波長(zhǎng)，車(chē)場(chǎng)的地形不規(guī)則度一般不大于1?m，集群頻段信號(hào)波長(zhǎng)約為0.3?m。

由此可知 σl=7?dB

根據(jù)“陸地移動(dòng)業(yè)務(wù)傳播特性”國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，σt=2?dB。

則覆蓋區(qū)95%地形、95%時(shí)間的電波傳播損耗冗余量為：

綜合考慮路徑損耗中值、系統(tǒng)惡化儲(chǔ)備量及系統(tǒng)可靠性，則車(chē)場(chǎng)覆蓋范圍內(nèi)的信號(hào)路徑損耗值Lm≤123.3?dB,才能保證在95%時(shí)間及地點(diǎn)范圍內(nèi)的可靠無(wú)線調(diào)度通信。

3.2.2 鏈路損耗計(jì)算

地鐵調(diào)度無(wú)線通信采用的頻段范圍為上行：806 ～ 821?MHz；下行 ：851 ～ 866?MHz， 采 用Okumura-Hata參考模型進(jìn)行鏈路損耗預(yù)測(cè)計(jì)算。

由于車(chē)場(chǎng)一般建設(shè)在郊區(qū)，采用適用于郊區(qū)的Okumura-Hata參考模型公式：

Lm=64.15+26.16?lg?f-2?[lg(f/28)]2-

13.82 lg?(hte)-a(hre)+[44.9-6.55?lg(hte)]?lg?d

其中，f取 821?MHz；

車(chē)載臺(tái)天線高度，hre=3?m；

手持臺(tái)天線高度：hre=1?m；

車(chē)載臺(tái)方式 ：a(hre)=3.2?(lg?11.75hre)2-4.97?dB=?2.69

手持臺(tái)方式 ：a(hre)=3.2?(lg?11.75hre)2-4.97?dB=?-1.3

根據(jù)相關(guān)參數(shù)及最大路徑損耗值，可以得到一個(gè)覆蓋距離d和基站天線高度hte的二元相關(guān)函數(shù)：

13.82 lg(hte)-[44.9-6.55lg(hte)]?lg?d=10.1（車(chē)載臺(tái)二元函數(shù)）???????????????（1）

13.82 lg(hte)-[44.9-6.55lg(hte)]?lg?d=14.1（手持臺(tái)二元函數(shù)）???????????????（2）

根據(jù)上述二元函數(shù),可以得到天線掛高和覆蓋距離的對(duì)應(yīng)值,如表4、5所示。

表4 車(chē)載臺(tái)通信（hte、d）

表5 手持臺(tái)通信（hte、d）

以上預(yù)測(cè)是在不考慮基站天線分集接收的情況下，通常，為了增強(qiáng)覆蓋效果，車(chē)場(chǎng)天線均采用3分集接收方式，等效信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)增益 Gm=10?lg?3?dB=?4.8?dB。

在考慮基站接收天線分集情況下，結(jié)合公式（1）、（2）可以得到天線掛高和覆蓋距離的二元函數(shù)。

13.82 lg(hte)-[44.9-6.55lg(hte)]?lg?d=5.3（車(chē)載臺(tái)二元函數(shù)）???????????????（3）

13.82 lg(hte)-[44.9-6.55lg(hte)]?lg?d=9.3（手持臺(tái)二元函數(shù)）???????????????（4）

根據(jù)上述二元函數(shù)可以得到天線掛高和覆蓋距離的對(duì)應(yīng)值如表6、7所示。

表6 車(chē)載臺(tái)通信（hte、d）

表7 手持臺(tái)通信（hte、d）

通過(guò)上面相關(guān)分析，可以得出如下結(jié)論。

1）車(chē)場(chǎng)基站應(yīng)盡量按3分集接收配置。

2）基站下行覆蓋半徑遠(yuǎn)大于上述表格中的上行覆蓋半徑。

3）在室外全向天線掛高30?m時(shí)，可以覆蓋半徑為2.1?km的片狀區(qū)域，完全滿(mǎn)足對(duì)車(chē)場(chǎng)區(qū)域、出入段線的全覆蓋，并能保證信號(hào)的可靠性。

4）對(duì)于大部分車(chē)場(chǎng)，天線掛高20?m時(shí)，即可滿(mǎn)足覆蓋要求。

5）車(chē)場(chǎng)與出入段線總長(zhǎng)不超過(guò)1.5?km時(shí)，天線掛高15?m即可以滿(mǎn)足覆蓋要求。

6）對(duì)于室外天線設(shè)置位置在車(chē)場(chǎng)中部區(qū)域時(shí)，目標(biāo)覆蓋半徑通常為1?km左右，天線掛高15?m時(shí)完全滿(mǎn)足對(duì)車(chē)場(chǎng)的全覆蓋。

7）車(chē)場(chǎng)室外天線掛高原則不應(yīng)超過(guò)30?m，對(duì)于出入段場(chǎng)線較短，附近存在其他線地面、高架車(chē)站及區(qū)間的，天線掛高應(yīng)嚴(yán)格控制。否則，會(huì)導(dǎo)致同頻干擾。

3.2.3 其他相關(guān)事項(xiàng)

上述計(jì)算沒(méi)有考慮車(chē)場(chǎng)停車(chē)列檢庫(kù)、月檢庫(kù)等室內(nèi)通信，信號(hào)受到庫(kù)頂、庫(kù)墻阻擋引起的穿透損耗，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，在考慮天線掛高的情況下，還得考慮信號(hào)穿透建筑單體結(jié)構(gòu)的附加損耗。對(duì)于天線掛高受到嚴(yán)格限制的城市，如北京市無(wú)線電管理委員會(huì)要求市區(qū)內(nèi)車(chē)場(chǎng)天線掛高不能超過(guò)15?m，為保證庫(kù)內(nèi)的可靠通信，通常需要在庫(kù)內(nèi)增加光纖直放站來(lái)加強(qiáng)對(duì)庫(kù)內(nèi)無(wú)線信號(hào)的覆蓋。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)選用合適的信號(hào)傳輸損耗模型，對(duì)車(chē)場(chǎng)無(wú)線信號(hào)覆蓋進(jìn)行預(yù)測(cè)，并指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)、天線掛高設(shè)置及天線位置選址，也可有效避免因?yàn)樘炀€掛高設(shè)置的不合理導(dǎo)致的同頻干擾。但理論計(jì)算僅僅是一種輔助手段，條件許可時(shí)，應(yīng)通過(guò)搭建模擬環(huán)境來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證及修正；在工程實(shí)施之后，還應(yīng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果調(diào)整基站參數(shù)、天線設(shè)置，以達(dá)到最優(yōu)效果。

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