基于CBTC地鐵隧道車-地無線信道的建模與仿真

米根鎖，羅耀云，孔德龍

蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院，蘭州 730070

基于CBTC地鐵隧道車-地無線信道的建模與仿真

米根鎖，羅耀云，孔德龍

蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院，蘭州 730070

1 引言

近年來，由于各大城市交通的需要，大量地興建地鐵。城市中地鐵列車大多數在隧道中運行，隧道中環境復雜，此環境下無線信道與地面的無線信道有所區別，對地鐵無線車-地通信提出了新的要求[1-2]。長期以來，地鐵無線信道的傳播特性是地鐵車-地通信網絡規劃和覆蓋范圍預測的重要研究內容。無線信道的優劣直接影響地鐵車-地無線通信的質量，所以分析地鐵中隧道環境下的車-地無線通信信道特性，仿真列車不同速度下的衰落特性，可為地鐵隧道中無線接入點的布置提供設計依據。近些年來研究者們致力于研究無線信道的特性，目前完善的適用于地鐵隧道的無線信道傳播模型還沒有建立。文獻[3]提出了服從萊斯分布的寬帶信道統計模型，對空直隧道中無線信道進行仿真。沒有考慮隧道存在彎道的情況。文獻[4]利用射線跟蹤技術建立了電波在矩形隧道中的多徑預測模型，但是不能預測定點的電平強度。

2 CBTC系統車-地通信

CBTC（Communication-Based Train Control，基于通信的列車控制）系統采用高精度的列車定位，并連續雙向大容量地傳遞車-地通信數據，對列車實現連續自動控制。CBTC系統利用無線移動信道傳遞車-地通信數據[5]。通過仿真與CBTC信道特點相符的信道模型，分析車-地通信的通信質量，可提高無線信道傳遞數據的可靠性。本文主要分析地鐵隧道中基于2.4 GHz的無線局域網的無線信道。

在CBTC系統中，車載設備將位置信息通過無線局域網的無線信道發送到ZC（Zone Controller，軌旁區域控制器），ZC負責追蹤線路所有的列車并為列車計算移動授權，形成列車的移動閉塞區間，并防止任何其他列車進入[6-7]。圖1是CBTC系統車-地通信的基本結構原理。圖中AP（Access Point，無線接入點）與車載設備的通信是靠無線局域網實現。

無線局域網是指以無線信道作為傳輸介質的局域網，它是相當便利的數據傳輸系統，取代雙絞銅線所構成的局域網絡，具有以下幾大特點：具有抗干擾性強、安全性能強、移動性高、吞吐量大、擴展能力強、建網容易、管理方便、開發運營成本低、受災害影響較小。

圖1 CBTC系統車-地通信的基本結構原理

3 地鐵隧道中無線信道模型

在城市中地鐵列車大多數的情況下都運行在地下的隧道中。理論上可以認為隧道是一個超大尺寸的非理想波導，頻率高于其截止頻率的電磁波才可以傳播。目前通信采用的頻段遠高于幾十兆赫茲，這個頻段的信號在隧道中傳播時必為多模傳播，各個模式損耗與其階數的平方成正比。實際應用中，有圓形、矩形和拱形這些不同類型的隧道橫截面，其面積的大小也不相同，隧道的這些特性在很大程度上都影響著電磁波在隧道中的傳播特性，考慮矩形隧道橫截面這一情況，隧道的截止頻率如式（1）所示[8-9]。

其中，c是光速，a是隧道的寬，b是隧道的高，m′和n′為0、1、2、3、…（m′和n′不可同時為0，兩者均為波模的階次）。

選取上海地鐵某號線隧道為研究地點，寬為6.8 m，高為5.2 m，由式（1）計算可得隧道的截止頻率約為幾十兆赫茲。故2.4 GHz的電磁波可在此隧道中傳播。

3.1 矩形隧道路徑損耗模型

在實際的應用中，為了使問題簡化，在近似情況下，隧道可以認為是規則矩形。利用Fresnel區域理論，可將隧道分為近區和遠區兩個部分，近區和遠區兩個部分的分界點由式（2）可以計算，即

其中，λ是波長。

由式（2）計算可得2.4 GHz電磁波在此隧道的邊界為370 m。則在地鐵隧道中，距發射天線的距離小于370 m的部分屬于近區，而大于這一距離的部分屬于遠區。在近區電波的傳播模型和自由空間中的傳播模型相同，在遠區電波的傳播模型利用波導傳播模型。

當電波的波長遠小于隧道橫截面的幾何尺寸時，就假想為電波像光線一樣在隧道中傳播，利用射線跟蹤的方法確定多徑信道中每一條路徑。接收信號由N條射線組成，其中包括直射路徑、隧道四壁反射來的各次射線（每一側壁均有Μ條路徑），則N=4Μ+1。隧道空間傳輸損耗如式（3）所示[10-11]。

其中，PL是傳輸損耗（單位dB），k是衰減因子（隧道環境取值為1.8），L是傳播距離（單位km），f是工作頻率（單位MHz）。

3.2 矩形隧道小尺度衰落模型

假設s(t)為發射信號，信道建模為線性時變系統，并且具有低通等效響應特性c(τn(t)，t)。多徑效應導致輸出信號y(t)是多個衰落和延遲的輸入信號之和[12-13]，則：

其中，an(t)是在t時刻第n條路徑的接收信號的衰減系數，τn(t)是在t時刻第n條路徑的延遲。

根據上述的分析，由于信道的多徑衰落，則接收信號的模型可以表示為R(t)。接收信號是不同路徑信號之和，由中心極限定理可知R(t)是時間t的復高斯過程，任意時刻概率密度函數的實部和虛部都是高斯的。由于隧道內部隧道壁對信號的屏蔽、吸收和散射，導致信號多徑衰落嚴重。隧道中彎道的存在，導致電磁波在傳播過程中不存在直射路徑，即可以簡化為瑞利衰落過程。

設為正態隨機過程，即模型中用有限個正弦波疊加來逼近正態隨機過程，利用改進型Jakes仿真原理對瑞利信道進行仿真，新的正弦波疊加統計仿真模型的標準化低通衰落過程描述如下：

其中，ωc是載波角頻率，ωm是最大多普勒頻移，αn是第n條路徑的到達角，λc是載波波長，v是列車的速度。

θ，φ，ψn所對應的n是在[-π，π)上均勻分布的獨立隨機變量。由于引入的三個隨機變量θ，φ，ψn都具有隨機性，減小了同一路徑內同相分量和正交分量的相關性，更能體現信道的多徑隨機特性。

4 矩形隧道損耗衰落信道的仿真

4.1 矩形隧道信道仿真

選取上海地鐵某號線隧道為仿真地點，隧道寬為6.8 m，高為5.2 m，隧道中有彎道存在。利用式（3）和式（5）建立模型并進行編程仿真，分別取列車移動速度30 km/h，80 km/h，120 km/h，其中80 km/h為列車通常運行速度，120 km/h為列車最大運行速度。仿真時AP的間隔取400 m，發射功率為30 dBm，工作頻率為2.4 GHz，仿真所得如圖2～5所示。

4.2 仿真結果分析

圖2～4各圖中（a）為不存在直射路徑時的接收信號包絡，（b）為存在直射路徑時的接收信號包絡。將圖中仿真結果與文獻[14-15]中的現場測試值進行對比，現場400 m處所測得的電平強度為－55 dBm，仿真 圖中不存在直射路徑時接收電平強度在－50 dBm上下波動，且略高于測試結果。故建模仿真過程符合隧道環境下的信道特性。

圖2 列車速度（v=30 km/h）

圖3 列車速度（v=80 km/h）

圖4 列車速度（v=120 km/h）

圖5 傳輸損耗隨傳輸距離的變化圖

從圖中可以得出隧道中多徑傳播時不存在直射路徑接收電平強度要低于存在直射路徑接收電平強度。當設置AP間隔400 m，發射功率30 dBm，根據地鐵信號系統信號設備性能指標要求，此時信號強度要大于等于－70 dBm，才能滿足無線系統通信需求[15]。圖2～4中（a）（b）仿真結果可以看出不存在直射路徑和存在直射路徑接收信號強度都滿足信號設備的接收要求。

圖2～4通過對比，可以得知列車移動速度越快，衰落越嚴重。這是由于工作頻率2.4 GHz時，當v=30 km/h，多普勒頻移為66.67 Hz；當v=80 km/h，多普勒頻移為177.78 Hz；當v=120 km/h，多普勒頻移為266.68 Hz。由此可知速度越快多普勒頻移越大，造成小尺度衰落越嚴重。

圖5中可以看出離發射點越近，損耗速率越大；發射點越遠，損耗速率越小。但總體離發射點越遠損耗越大。這是由于在近區，隧道壁對波的反射次數多，每次路徑短，劇烈而頻繁，被外界吸收的能量多，故損耗速率大。

通過仿真可以得出400 m處的信號強度能夠滿足通信要求。為了在某一AP意外故障的情況下，仍然能夠保證列車的車-地通信，設計地面的AP間隔為200 m左右，這樣AP的覆蓋范圍為兩倍的AP間隔。在隧道彎道處分布間隔應小于200 m，布置時存在直射路徑更能提高可靠性。

5 結束語

本文從CBTC的無線通信原理出發，建立了地鐵環境下無線局域網的無線信道模型，通過仿真分析得出地鐵隧道環境下CBTC系統中2.4 GHz無線局域網無線信道的衰落特性曲線。從仿真結果可以看出離AP距離400 m處能夠滿足地鐵信號設備接收要求。當列車移動速度越快，造成的多普勒頻移越大，導致衰落越大。為了信息冗余覆蓋，應采取200 m左右設置一個AP，彎道處設置距離更短，一般以存在直射路徑為主。仿真結果定量化地說明了地鐵隧道無線信道仿真的必要性，結合地鐵隧道環境CBTC通信信道特點，合理設置AP間隔，對隧道中無線信道的覆蓋具有重要的指導意義。

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MI Gensuo,LUO Yaoyun,KONG Delong

School of Automation and Electrical Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China

Based on the tunnel geometry size,this paper calculates the cutoff frequency of the radio waves in the tunnel,then uses radio wave propagation path loss and multi-path fading modeling in subway tunnel,and makes a simulation of loss and fading channel for rectangular tunnel.In the end,it concludes that there is a direct path and there is not direct path for receiver signal level of the envelope.The simulation result shows that the

signal intensity is greater than－70 dBm when the AP distance is 400 meters.This conforms to the technical requirements.

Communication-Based Train Control（CBTC）;train-ground communication;wireless channel;path loss model; multi-path fading model

根據隧道幾何尺寸計算出無線電波在隧道中的截止頻率，利用路徑損耗和多徑衰落進行地鐵矩形隧道中無線信道的建模，對矩形隧道損耗衰落信道進行仿真，得出存在直射路徑和不存在直射路徑時的接收點接收信號的電平包絡，仿真結果表明AP間隔距離為400 m時，接收強度大于－70 dBm，滿足技術要求。

基于通信的列車控制（CBTC）；車-地通信；無線信道；路徑損耗模型；多徑衰落模型

A

TN91

10.3778/j.issn.1002-8331.1304-0307

MI Gensuo,LUO Yaoyun,KONG Delong.Modeling and simulation of train-ground wireless channel in subway tunnel based on CBTC.Computer Engineering and Applications,2013,49（18）：249-252.

米根鎖（1966—），男，教授，研究方向為計算機測控；羅耀云（1988—），男，在讀碩士生，研究方向為交通信息工程及控制；孔德龍（1988—），男，在讀碩士生，研究方向為交通信息工程及控制。E-mail：lyy4566@126.com

2013-04-22

2013-06-14

1002-8331（2013）18-0249-04

book=252,ebook=257