電波傳播模型與應用之高速鐵路電波傳播模型

南京郵電大學電子科學與工程學院　徐　玭

電波傳播模型與應用之高速鐵路電波傳播模型

南京郵電大學電子科學與工程學院徐玭

隨著對無線電波傳播特性研究的深入，可根據不同的傳播環境建立相應的電波傳播模型，在不同的場景下使用適當的傳播模型進行分析。在高速鐵路場景下，分析其電波傳播特點，針對典型的高架橋、路塹、隧道和開闊地場景，能夠得到其相應的傳播模型。

電波傳播模型；高速鐵路傳播模型

前言

電磁波是人類用以遠距離實時接收和發送信息的主要載體之一，它的傳播在我們的生活環境中每時每刻無處不在。隨著發展的需求，無線電通信業務在不斷地擴張，無線電波傳播的研究也將更加廣泛細致。通過對電波傳播特性的相關研究分析，可根據不同的傳播環境建立相應的電波傳播模型。

1.電波傳播模型

1.1根據傳播環境劃分

最先定義的是自由空間傳播模型。當電波傳播路徑遠離地面、地物并且大氣對電波傳播影響也可以忽略時，可近似認為無線電波傳播是自由空間傳播，此時采用自由空間傳播模型。其他復雜傳播條件下，自由空間傳播模型已不再適用但仍可以作為一參考標準。

實際應用中，各種環境條件的影響不可忽略，以下將簡單介紹相關條件影響下的模型。

幾乎所有地面通信業務中都要考慮地面的影響，地面反射特別是光滑平坦地面對電波傳播的影響，以及平坦地面反射影響時基本傳輸損耗。根據不同情況考慮自由空間擴散、地面反射影響或電氣特性因素，可細分為集中預測模型、平地模型、理想平地模型、修正平地模型、精確二射線模型、理想光滑平坦地面的理論傳播模型等。

考慮到地面地物的阻擋引起的繞射損耗建立的模型包括刃峰繞射模型、球形地面繞射模型、圓柱形障礙繞射損耗、雙孤立刃形障礙繞射損耗、UTD劈形障礙繞射損耗、經驗繞射損耗預測模型等。

除了地面傳播時的損耗，無線電波在對流層晴空大氣中傳播時也會產生損耗，主要是大氣中的水汽和氧氣吸收無線電波的能量引起無線電波場強和能量的衰減，還有大氣中的湍流不均勻體對無線電波的散射。此條件影響下可細分為地面電路大氣吸收模型、地空電路大氣吸收模型、對流層散射損耗預測模型。

在微波頻段，特別是10Ghz以上的無線電波與散射造成的雨衰減是嚴重的，數十吉赫茲以上的頻率，云霧對無線電波的衰減也十分顯著，因此建立了降雨與云霧衰減預測模型。

根據適用場景不同，還有航空移動、海上移動與雷達定位業務傳播預測模型、無線廣播業務傳播預測模型、衛星通信業務傳播預測模型等［1］。

1.2根據傳播損耗劃分

電波傳播模型根據傳播損耗分為決定性模型和統計性模型。

決定性模型一般是在一定的物理模型下由較為嚴格的電波傳播理論推導出來的理論表達式， 計算結果是決定性的，但它要求要給出完整、全面的地理環境條件。另一種是統計模型，它一般是由大量的實驗測試數據擬合出來的經驗公式或半經驗半理論公式，甚至是經驗曲線，它的預測結果是統計性的推斷，當然可具有一定的可靠度和精確度。統計模型只是要求知道地理環境條件的統計性數據和信息，比如說，是鄉村還是城市市區，溫帶地區還是熱帶地區，建筑物的平均高度是多少，平均地面折射率是多少等，這些信息或數據都是具有相當的模糊性或不決定性，但是很容易給出。

1.3根據傳播尺度劃分

無線信道的傳播模型按照傳播尺度可以分為大尺度衰落模型和小尺度衰落模型。大尺度衰落描述了較長距離內（一般是幾百米甚至更長）接收信號強度的變化趨勢（發射機和接收機之間長距離上的平均場強的變化），這些變化主要是由發射天線和接收天線之間傳播路徑上的山坡、湖泊或者建筑物引起的。小尺度衰落描述的是短距離（波長級）或者短時間（毫秒級）內接收信號場強的快速波動變化，當小尺度范圍內發生較為嚴重的深衰落時，會造成系統誤碼甚至通信中斷。因此，在進行系統設計時，場強覆蓋要有余量，而且要通過選擇合適的調制方式、均衡、信道編碼以及分集等技術來克服小尺度衰落帶來的影響［2］。

2.高速鐵路傳播模型

隨著我國高速鐵路網逐漸完善，高鐵運行速度基本保持300km/h左右，列車的高速運行使得鐵路移動通信對于服務質量包括呼叫建立時間、端到端傳輸時延、越區切換時間、連接丟失概率等，提出了更高的要求。目前世界上關于電波傳播模型的研究不少，理論研究也進行很多年，但是對鐵路環境下的較為精確的電波傳播模型仍然沒有建立起來，尤其是高速環境下的傳播模型相關研究也較少。

2.1高速鐵路環境下的電波傳播特點

影響高速鐵路列控信號傳播特性的主要因素有：高速運行、多徑效應和多普勒效應、巨大的金屬列車車體和其他高速鐵路特有的設備設施等。高速鐵路的路基及鐵軌建設主要采用平直軌道，轉彎半徑比較大，鐵軌坡度比較緩，同時雙線、復線的路基占地面積大，線路兩側建有防護隔離網，構建出一個可供列車高速通行的特殊環境，因此高速鐵路環境下的電波傳播主要有以下特點：（1）機車臺附近的地形效應服從對數正態分布；（2）鐵路沿線的場強覆蓋區域主要呈帶狀冗余分布；（3）高架橋、路塹、路基、軌旁樹木和隧道走向等諸多因素對電波傳播的多徑效應影響明顯；（4）電波的無線傳播要經歷信號由弱到強和由強到弱的周期過程；（5）各種類型的反射散體基本上沿鐵路兩側隨機分布，此外沿線存在周期性的特殊障礙物，如電氣化鐵路的交流電高架電網等傳播特性的關鍵主要是高速運行和巨大的列車體等［3］。

2.2高速鐵路典型場景及傳播模型

高速鐵路典型場景下的電波傳播模型要針對列車速度快、電波場景復雜、沿線環境多樣等特殊情形，在原有電波傳播模型的基礎上進行應用、擬合與修正。以下將對高速鐵路的四種典型場景進行分析。

高架橋場景：

高速鐵路建設中，由于地面因素導致無法在原地面修建橋（路），從而設計的架在空中的、高于周圍環境的橋梁即為高架橋。該場景下軌面高度一般為10～30m，接收天線距地表高度以及基站天線與接收天線的相對高度都較高，高于軌面的建筑物較少，因此電波傳播主要為視距傳播。由于架設的高架橋軌面平坦且曲率較小，所以在此場景下，移動臺的移動速度一般可達到300Km/h［4］。高架橋可以看做單一反射大長面，利用雙線法和三角函數層層解析，可得到接收場強和功率的精確表達建立模型［3］。

路塹場景：

路塹是指從原地面向下開挖而形成的路基形式，路塹上一般會種植隔離帶，這種特殊的地形使其電波傳播特征也具有特殊性，國內高速鐵路路塹場景中，路壁底部寬度大約為14～18m，頂部寬度大約為48～63m。該場景下，移動臺的移動速度約300Km/h，話務量適中［4］。由于路塹尺寸各異，可根據其基本的鏡像與反射法分析主要的反射路徑，然后通過Rice模型進行擬合分析得到傳播模型。

隧道場景：

為保證列車在山脈地段的正常運行，在開鑿兩端建設的地面出入口的水平通道為隧道環境。高速鐵路的隧道長度一般為幾公里到幾十公里，通常依靠光纖直放站來擴大施主基站的覆蓋范圍。隧道可近似為大尺寸波導，根據Fresnel區域理論將隧道內從發射臺向隧道內輻射的電波傳播區域劃分近區場和遠區場，分別利用自由空間傳輸損耗和波導特性進行擬合。由于隧道內壁通常較為光滑，介質表面有較好的反射性，且其隧道形狀可近似為拱形，其電波傳播特性可以參考光學的波導模型［3］［4］。

開闊地場景：

該場景下，鐵軌鋪設在開闊地上，軌面稍高于地面。周圍地勢平坦，建筑物高度和密度較低。直射徑被遮擋的概率較低，但由于其軌面高度較低，周圍環境對電波傳播影響較大，因此其電波傳播環境較高架橋場景惡劣［4］。實踐證明，在高速鐵路開闊地帶，LEE宏小區模型是較為適用的，William C.Y.Lee在他的著作［5］中針對該模型進行了詳細的分析推導。

實際情況中會根據各運行線路實際路測取得大量數據，加入環境因子和植被影響，選取典型場景下的采樣結果，對不同場景下的場強數據進行處理、擬合和修正，建立相應的高速鐵路傳播模型［5］。

［1］謝益溪.無線電波傳播--原理與應用［M］.人民郵電出版社，2008.

［2］潘斯斯.高速鐵路電波傳播特性的研究［D］.北京交通大學，2008.

［3］陳欣.高速鐵路典型場景下電波傳播模型的研究［D］.北京交通大學，2010.