淺析軌道交通無(wú)線通信系統(tǒng)電波覆蓋特性

摘 要：無(wú)線通信是城市軌道交通內(nèi)部運(yùn)營(yíng)管理的要求，也是公共移動(dòng)通信服務(wù)的重要平臺(tái)，對(duì)軌道交通無(wú)線通信系統(tǒng)電波覆蓋特性進(jìn)行研究對(duì)于無(wú)線通信的發(fā)展有著重要意義。因此，本文對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)電波覆蓋方式進(jìn)行總結(jié)，逐個(gè)分析了車站無(wú)線覆蓋方式和區(qū)間隧道無(wú)線覆蓋方式，對(duì)無(wú)線信號(hào)覆蓋系統(tǒng)進(jìn)行分析，對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)電波覆蓋概率進(jìn)行研究，對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)電波覆蓋特性進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：軌道交通；無(wú)線通信系統(tǒng)；覆蓋特性

1 引言

近幾年，無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展迅速，并且廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，其中一項(xiàng)重要的應(yīng)用就是在軌道交通的通信、控制和調(diào)度方面。無(wú)線信號(hào)的傳輸是研究移動(dòng)通信系統(tǒng)中的瓶頸，信號(hào)覆蓋的優(yōu)良是評(píng)價(jià)通信系統(tǒng)的重要依據(jù)。由此可見，電波的覆蓋特性是無(wú)線通信系統(tǒng)研究中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，也是決定無(wú)線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)。在交通環(huán)境中，電波的覆蓋的好壞直接影響交通運(yùn)輸設(shè)備的安全性與可靠性。

高速、安全、高效、便捷一直都是軌道交通的發(fā)展方向與研究重點(diǎn)，這就意味著對(duì)無(wú)線電波的覆蓋特性提出了很高的要求。所以，研究在多種環(huán)境下軌道交通的無(wú)線電波的覆蓋問題，對(duì)于提高交通服務(wù)質(zhì)量以及確保交通安全方面有重要意義。本文以覆蓋概率以及傳播模型的研究為基礎(chǔ)，得出計(jì)算路徑耗損的方法，并對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)電波覆蓋特性進(jìn)行分析，不足之處，敬請(qǐng)指正。

2 無(wú)線通信系統(tǒng)電波覆蓋分析

2.1 無(wú)線信號(hào)覆蓋方式

城市軌道交通中，不同的地點(diǎn)位置需要不同的無(wú)線信號(hào)覆蓋方式，主要有車站無(wú)線覆蓋方式和區(qū)間隧道無(wú)線覆蓋方式。

2.1.1 車站無(wú)線覆蓋方式

地下車站的站廳、站層、人行通道等地點(diǎn)可以使用漏泄電纜和天線陣兩種方式。使用漏泄同軸電纜方式的時(shí)候，要在保證通信質(zhì)量與信號(hào)穩(wěn)定性的前提下，能夠?qū)π盘?hào)的分布進(jìn)行更好的控制，對(duì)地面信號(hào)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，但這種方式的缺點(diǎn)是工程的成本較高，而且實(shí)施起來(lái)也有較大的難度。使用天線陣方式的時(shí)候，對(duì)天線進(jìn)行合理的布局，能夠?qū)π盘?hào)覆蓋區(qū)域?qū)嵤┯行У目刂疲酥猓捎锰炀€陣時(shí)一般在站廳等地點(diǎn)裝修時(shí)會(huì)選用金屬天花板，裝修效果會(huì)很好。因此，車站的站廳、站臺(tái)以及人行通道可以選用該方法進(jìn)行無(wú)線覆蓋。

2.1.2 區(qū)間隧道無(wú)線覆蓋方式

當(dāng)射頻信號(hào)在隧道內(nèi)進(jìn)行傳播時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)迅速衰弱，這對(duì)信號(hào)的傳播質(zhì)量與效率有極大影響，而采用漏泄同軸電纜來(lái)貫通輻射，能夠減輕信號(hào)的衰減，保證移動(dòng)通信的質(zhì)量與覆蓋范圍。

2.2 無(wú)線信號(hào)覆蓋分析

2.2.1 專用無(wú)線通信系統(tǒng)

該系統(tǒng)是以TETRA數(shù)字集群的系統(tǒng)方式進(jìn)行組網(wǎng)的，與行車安全與運(yùn)營(yíng)效率有直接關(guān)系。使用的頻段為800兆赫茲，上行為806-821 兆赫茲，下行為851-866 兆赫茲。

2.2.2 民用無(wú)線通信系統(tǒng)

該系統(tǒng)的組網(wǎng)方式為寬頻帶，頻段為800-2500兆赫茲。主要是為實(shí)現(xiàn)2G和3G移動(dòng)通信系統(tǒng)信號(hào)的覆蓋。在左右隧道各假設(shè)兩條漏泄同軸電纜，能夠有效避免不同移動(dòng)通信信號(hào)之間的干擾。

目前GSM用戶數(shù)量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)狀態(tài)，中國(guó)移動(dòng)與聯(lián)通兩個(gè)不同的GSM系統(tǒng)工作頻段的上下行高低端的間隔已經(jīng)很小了，加上DCS工作頻段和3G移動(dòng)通信頻段的負(fù)荷，在使用同纜方式的時(shí)候，上下行的干擾就很難避免的出現(xiàn)，而且當(dāng)功率比較大的時(shí)候，各個(gè)系統(tǒng)之間還會(huì)產(chǎn)生比較強(qiáng)烈的干擾。國(guó)內(nèi)外豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)說(shuō)明分纜方式是避免信號(hào)干擾的唯一有效方法。

3 覆蓋概率

覆蓋率是衡量無(wú)線電波覆蓋優(yōu)劣的重要指標(biāo)，為統(tǒng)計(jì)意義上的覆蓋，與時(shí)間概率以及地點(diǎn)概率有關(guān)，因?yàn)閳?chǎng)強(qiáng)的時(shí)間分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差比較小，因此一般情況下會(huì)忽略時(shí)間概率對(duì)其的影響。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，室內(nèi)以及室外信道的平均接收信號(hào)的功率是與距離的對(duì)數(shù)成反比的。在任意距離中，平均大尺度路徑損耗公式（1）為：

（1）

3.1 小區(qū)邊緣覆蓋概率

小區(qū)邊緣覆蓋率的定義是當(dāng)小區(qū)邊緣接受點(diǎn)平超過某一特定數(shù)值γ的概率，我們可以通過公式（2）和公式（3）對(duì)其進(jìn)一步了解。

（2）

其中，X是正態(tài)分布的隨機(jī)變量，均值為零，因此Pr（d）是正態(tài)分布的隨機(jī)變量，其均值為此Pr（d），我們可以假設(shè)x=Pr（d），那么關(guān)于x的概率密度函數(shù)為

（3）

因此，可以得出隨機(jī)變量x超過某一特定值后的概念P，可以對(duì)于某一確定的d值，在基站為圓心，在以d為半徑的圓周上，任何一點(diǎn)接受信號(hào)，如果其閥值小于電平，這個(gè)概率稱之為邊緣覆蓋概率公式。因此可以得出，邊緣覆蓋概率與閥值、邊緣平均接受電平以及標(biāo)準(zhǔn)差有關(guān)。

3.2 小區(qū)內(nèi)覆蓋概率

小區(qū)內(nèi)覆蓋概率與小區(qū)邊緣覆蓋概率有所差別，是指小區(qū)內(nèi)接收電平，那么高于某一特定值的概率即是小區(qū)內(nèi)覆蓋概率。如果小區(qū)的范圍大于實(shí)際覆蓋區(qū)，設(shè)覆蓋區(qū)半徑為R，接收信號(hào)的閥值為r，U（r）指服務(wù)區(qū)域的百分比，即是覆蓋概率，若用P指范圍dA內(nèi)，隨機(jī)接收信號(hào)在d等于r時(shí)，超過閥值r的概率，那么U（r）可以用公式（4）進(jìn)行表示。

（4）

以此可以得出小區(qū)半徑，以及邊緣覆蓋概率和小區(qū)內(nèi)覆蓋概率的關(guān)系，如下圖，圖中縱坐標(biāo)是覆蓋等級(jí)，橫坐標(biāo)為路徑損耗指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差的比值，圖中曲線是指小區(qū)邊緣覆蓋概率的等值曲線。

4 覆蓋特性

目前，根據(jù)在宏小區(qū)環(huán)境中無(wú)線電波的傳播特性，研究得出了多種傳播預(yù)測(cè)模型。在900兆赫茲的條件下，一般有Okumura模型、Hata模型、Cost231-Walfisch-Ikegami模型、Lee宏小區(qū)模型。Hata模型具有在多方面符合軌道交通通信系統(tǒng)環(huán)境要求，參數(shù)比較容易獲得，能夠詳盡描述地物地形的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，因此本文選用Hata模型進(jìn)行計(jì)算。

Hata模型適用于宏小區(qū)，工作頻段在150-1500兆赫茲，通信距離是在1-2千米；基站的天線高度為30-200米，移動(dòng)臺(tái)天線高度為1-10米。

Hata模型是在市區(qū)路徑損耗的基礎(chǔ)上，修正其他地區(qū)，市區(qū)傳播路徑消耗的公式為，見公式（5）：

（5）

選用Hata模型時(shí)，在任何環(huán)境、任何激戰(zhàn)高度和移動(dòng)臺(tái)高度的條件下，都可以使用以下公式（6）：

L=A+B*log（d） （6）

其中，L：路徑損耗；A：截距；B：斜率；d：移動(dòng)臺(tái)與基站之間的距離。

A由工作頻率、基站高度和移動(dòng)臺(tái)高度決定，因此，在工作條件既定的情況下，A就確定了；B只受基站高度的影響，并且決定了路徑與 d之間的線性變化。

比如，可以選取軌道交通中的列車控制設(shè)備機(jī)車臺(tái)作為移動(dòng)終端，建立相關(guān)模型，模型參數(shù)如下：頻率為932兆赫茲，頻點(diǎn)為GSM-R；基站高度為50米，移動(dòng)臺(tái)高度為4.5米，可以得出其路徑損耗為120+33.77log d。如果選擇模型參數(shù)，基站天線高度為50米，移動(dòng)臺(tái)天線高度為4.5米，距離為1km到20km，那么用Hata進(jìn)行路徑損耗的計(jì)算，得出其損耗為116+33.77log d。

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)軌道交通事業(yè)的發(fā)展，帶動(dòng)了無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用，而無(wú)線通信技術(shù)的基礎(chǔ)是無(wú)線覆蓋及邊界場(chǎng)強(qiáng)問題，也是無(wú)線通信技術(shù)研究的難點(diǎn)。本文對(duì)軌道交通無(wú)線通信系統(tǒng)電波覆蓋方式和覆蓋系統(tǒng)進(jìn)行總結(jié)，對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)電波覆蓋概率進(jìn)行研究，對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)電波覆蓋特性進(jìn)行探討，以期對(duì)于軌道交通無(wú)線通信系統(tǒng)的應(yīng)用，起到一定的促進(jìn)作用。

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