基于裂縫波導的車地無線通信系統性能指標測試分析*

趙朝娜 鄭國莘 徐 靖 尹柯偉

(1. 上海大學特種光纖與光接入網重點實驗室， 特種光纖與先進通信國際合作聯合實驗室， 上海先進通信與數據科學研究院， 200072， 上海； 2. 中電科微波通信(上海)股份有限公司， 201802， 上海//第一作者，工程師)

WLAN(無線局域網)技術，在過去幾年內已被廣泛應用于軌道交通CBTC(基于通信的列車控制)車地通信系統[1]。LTE(長期演進)技術具有高帶寬、高移動性、長區間覆蓋、高擴展性等特點，可解決既有無線系統存在的不穩定、移動性差等問題，近些年被廣泛應用于軌道交通車地通信系統[2-3]。根據工業及信息化部2015年65號文件，軌道交通行業可供劃分使用的LTE頻段為1.785～1.805 GHz。 故LTE易與同樣獲準采用1.8 GHz頻段的其他專用網絡產生異網同頻干擾。而且地鐵1.8 GHz專用頻段緊鄰中國移動DCS1800 系統的下行頻段及中國電信系統的上行頻段，還會產生鄰頻干擾。因此對傳輸媒介需認真選擇。

車地無線通信系統采用的傳輸媒介主要有泄漏電纜、自由天線和裂縫波導三種。自由無線系統易受干擾，同時信號存在近大遠小，系統穩定性差和可靠性差等問題。 泄漏電纜和裂縫波導的特性比較類似，二者的信號場強都是比較均勻。但泄漏電纜的接收天線一般安裝于列車側面或者車頂，在高架和地面區段時，不僅更易受到外界干擾，還會輻射一定的信號對其他系統造成干擾。 裂縫波導的波導接收天線一般安裝于車底，因此，其信號穩定性和抗干擾性更好。

裂縫波導能提供穩定連續的通信[4-7]，被廣泛應用于無線環境中復雜的場景。 文獻[4]給出了用于CBTC的裂縫波導的功能和布置原則，以及裂縫波導衰耗的計算方法。文獻[5]介紹了將裂縫波導結合 802.11 g協議應用于CBTC的車地通信系統，并建立了無線電隧道通信模型，模擬裂縫波導在隧道內的輻射特性，給出了結合AP(Wireless Access Point)的射頻性能以及解決方案。文獻[5]沒有說明波導在整個列車地面通信系統中的應用。文獻[6]給出在CBTC系統的相關波導性能測試內容，介紹了測試方法的詳細信息，根據裂縫波導原理設計了一種簡單的、基于裂縫波導的列車地面通信系統，并給出了當系統中使用802.11 g時，AP(無線接入點)與AP基站之間的裂縫波導覆蓋距離應小于500 m的結論。文獻[7]給出了裂縫波導信道和自由空間瑞利信道的性能差異對比，證實了裂縫波導可提供大容量、更穩定和高可信度的車地通信。

本文通過研究裂縫波導在波導接收天線不同高度的場強分布能力，得到波導接收天線的安裝的最佳高度位置參數。在此基礎上，搭建 LTE車地無線網絡測試環境，模擬傳輸CBTC數據業務，驗證其在覆蓋、通信吞吐量、延時和丟包的能力，得出了基于裂縫波導的車地通信系統在CBTC應用可行的結論，并分析了實際應用中，裂縫波導存在熱脹冷縮的特性，給出裂縫波導每隔300 m連接一段跳線的安裝方式，并給出了系統鏈路損耗的計算方法。

1 裂縫波導介紹

矩形波導是用于傳輸微波信號的一種傳輸線。當微波在波導中傳輸時，波導里電磁場的分布比較復雜，但是有特定的規律。 可在波導中獨立存在的每一種電磁波分布稱為“模”。圖1為矩形波導中最常見的TE10模的場結構的立體圖。 對于一定尺寸的波導，每一個模都有其對應的截止頻率fc。當電磁波的頻率低于fc時，就不能在波導中傳輸，處于截止狀態。只有電磁波的工作頻率高于截止頻率，電磁波才能在傳輸波導中傳輸。所以金屬波導具有“高通濾波器”性質[8]。

圖1 TE10模的電磁場立體結構

裂縫波導是在矩形波導寬面上周期性開縫(見圖2)。裂縫波導的材料為金屬(一般為鋁合金)，而且波導內有TE10的電磁波存在；因此，在裂縫波導的內壁上存在電流。 縫隙的存在截斷了波導內壁表面電流線。一部分電流會繞過該縫隙，剩下的則通過位移電流的方式沿原來方向通過縫隙，使縫隙間產生變化的電磁場，從而產生電磁波[9]。 裂縫波導的縫隙都很小，泄漏出來的能量也就十分小，故傳輸損耗較小，適用于地鐵沿線應用。

圖2 裂縫波導示意圖

本文研究的裂縫波導選取國家標準型號為BJ22型的波導管，頻率為1.72～2.61 GHz，且寬邊和窄邊比為2∶1，標準型BJ22裂縫波導參數見表1。

表1 標準型號BJ22裂縫波導參數表 mm

裂縫波導為了適應軌道交通的應用場景，一般有1 m、3 m、6 m、9 m和11 m等長度規格。裂縫波導和裂縫波導之間采用中間密封法蘭進行連接，直至所需傳輸距離(見圖3)。 裂縫波導在需要連接基站的一端連接波導同軸轉換，裂縫波導的另一端一般連接波導負載或者泄露負載。

2 裂縫波導仿真和測試

裂縫波導采用的是近場耦合的方式。目前裂縫波導的近場并沒有準確的信道模型。裂縫波導與波導接收天線最佳位置關系，通常采用軟件仿真和實際測試的方式獲得。

2.1 軟件仿真裂縫波導耦合強度

基于LTE技術的裂縫波導型車地通信系統的工作頻段是1.785～1.805 GHz，因此本文重點關注此頻段的天線耦合性能。

采用HFSS軟件建立裂縫波導模型和波導接收天線模型波導管選用BJ22型號，長度設置為3 m，波導接收天線采用金屬腔的結構方式，經過尺寸優化使其性能達到最佳。將波導接收天線放置在裂縫波導正上方進行仿真。將天線高度h分別設置為200 mm，315 mm和418 mm，采樣間隔為30 mm，仿真頻率選為中心頻率1.795 GHz。創建的仿真模型見圖4，插入損耗和耦合強度仿真結果見圖5～6。根據仿真結果,裂縫波導的插入損耗為-0.046 1 dB/(3 m)，即1.53 dB/(100 m)。 耦合強度的仿真結果見表2。由表2可知，裂縫波導和波導接收天線之間的間距越小，耦合強度越好。

圖4 裂縫波導仿真模型

天線高度/mm耦合強度平均值/dB50%耦合95%耦合200-59.516-60.121315-60.933-61.777418-64.081-65.327

圖6 不同高度耦合強度仿真結果

2.2 實體試驗

在微波實驗室使用矢量網絡分析儀和二維近場平面測試系統進行試驗。在實際應用中列車的振動會導致波導接收天線左右的偏移，因此，不僅要驗證波導接收天線在裂縫波導正上方的耦合情況，還需驗證天線左右偏移后波導的耦合強度性能。

試驗設備布置示意圖見圖7。試驗測試了天線在不同h及不同的左右偏移L情況下的耦合場強。試驗采用6 m裂縫波導管及對應的波導接收天線測試，采樣間隔為30 mm，測試頻率為1.795 GHz，h分別為200 mm、315 mm、365 mm、418 mm和480 mm，L分別為0(正對)、10 cm、20 cm和30 cm。將裂縫波導放置在近場測試支架上，將波導接收天線在裂縫波導上方勻速移動，按采樣間隔記錄測試數據。表3為測試結果,圖8～12分別為不同高度的測試結果分布圖。

圖7 裂縫波導測試架構圖

從表3可知，隨著h增加，耦合場強是逐漸變小的，正對狀態下，h>400 mm時的95%耦合場強比h=200 mm時的小約3 dB，比h=315 mm和365 mm時小約2 dB。可見，波導接收天線和裂縫波導之間的間距越小越好。 從圖8～12可知，考慮耦合場強，h越小，則L越小。在h=200 mm時，位置偏移會導致無線信號波動較大，即無線信號分布很不均勻。基于測試結果，波導接收天線距離裂縫波導的最佳距離可選315～365 mm。

表3 波導接收天線不同高度和偏移位置的信號場強

圖8 h=200 mm、不同L時的場強情況

2.3 測試數據分析

根據軟件仿真和現場試驗結果，波導接收天線在裂縫波導正上方的高度越低，耦合場強越好；天線偏移中心越大，耦合場強越差；偏移時的耦合場強與天線高度有關系，高度低，天線左右偏移的耦合場強分布不均勻，當偏移一定量時，位置低波導接收天線的耦合強度反而不如位置高的耦合強度好。315～365 mm是比較好的天線高度。

圖9 h=315 mm、不同L時的場強情況

圖10 h=365 mm、不同L時的場強情況

圖11 h=418 mm、不同L時的場強情況

圖12 h=480 mm、不同L時的場強情況

3 裂縫波導結合LTE技術的適用性分析

為進一步驗證裂縫波導作為LTE技術的車地通信系統的傳輸介質的適用性，要測試LTE技術和裂縫波導的匹配性。軌道交通CBTC業務要求如表4所示[12]。系統測試模擬傳輸CBTC數據業務，測試裂縫波導技術覆蓋、通信吞吐量、延時和丟包的能力。

表4 軌道交通CBTC車地通信業務的要求

搭建LTE車地無線網絡測試環境見圖13。采用4根11 m的裂縫波導、1臺基帶處理單元(BBU)2臺RRU(射頻拉遠單元)。RRU連接可調衰減器后，分別連接左右兩側各22 m的裂縫波導。可調衰減器用于模擬LTE信號衰落特性。測試模型分為近、中和遠點，遠點對應的信號強度為[-85,-95)dBm，中點為[-75,-85)dBm，近點為-75 dBm以下。小車上放置了波導接收天線、TAU(跟蹤區更新)和車載服務器。天線放置高度為350mm。地面RRU通過光纖連接到BBU。而BBU通過網線連接至EPC核心網和地面服務器。服務器通過IXchariot軟件模擬CBTC業務。測試中的LTE配置見表5。

圖13 車地通信測試框圖

項目配置內容LTE頻率1.8 GHz小區頻點配置相同頻點65 300LTE系統頻寬10 MHz鄰區配置LTE:相鄰小區的兩個RRU配置為同一頻點,RRU連接在一個BBU上配比上下行配比2∶2,特殊子幀10∶2∶2測試點遠、中、近點

裂縫波導的插入損耗仿真值為1.53 dB/(100 m)。但實際使用中，100 m長的裂縫波導是一根根連接起來的，故實際損耗會比仿真值大一些。按照3 dB/(100 m)，進行模擬測試。在沒加衰減器時，裂縫波導(5 m位置)正上方的測試信號強度為-57 dBm，根據該值模擬裂縫波導傳輸500～1 400 m。主要測試項目為：

(1) 承載CBTC業務的傳輸時延應小于150 ms。

(2) 無損和無縫切換延時性能測試中，延時單向<150 ms，丟包率≤0.5%。

(3) LTE吞吐量測試，吞吐量≥0.2 Mbit/s。

測試結果如表6～7所示。

表6 傳輸時延和吞吐量測試結果

表7 切換時延和丟包率測試結果

由測試結果分析，單側傳輸模擬距離可達1 260 m(雙側可達2 500 m)。而實際工程中，因裂縫波導的熱脹冷縮特性，長距離裂縫波導需要斷開，并連接1段跳線(如圖14所示)，以平衡熱脹冷縮的壓力。一般1段裂縫波導連的連續長度為300 m[11]。在實際工程中，每300 m波導的總損耗=裂縫波導傳輸損耗+同軸轉換+射頻跳線的損耗，則系統鏈路計算方法為：

Pr=Pt-L1-L2-L3-L4-L5

(1)

式中:

Pr——接收信號強度;

Pt——發射信號強度;

L1——連接裂縫波導射頻電纜損耗;

L2——裂縫波導耦合損耗;

L3——裂縫波導傳輸損耗;

L4——300 m跳接損耗，為跳線損耗和2個同軸轉換損耗(0.2 dB)之和;

L5——車載射頻饋線傳輸損耗。

例如，若采用射頻跳線的損耗為1 dB，則每隔300 m多出1.4 dB的損耗；根據上述已知0 m位置信號接收信號強度為-57 dBm，傳輸損耗3 dB/(100 m)，末端信號為-95 dBm，式(1)可算出，單側最大傳輸距離為1 127 m。

圖14 裂縫波導工程安裝示意圖

參考某品牌泄漏電纜的損耗情況，其在1.8 GHz的損耗為4.1 dB/100 m，接收天線高度為2 m時，50%耦合場強損耗的測試結果為61 dB，95%為66 dB[12]。經比較，泄漏電纜50%的耦合場強損耗與裂縫波導基本一致，95%的耦合場強損耗比裂縫波導大約3～4 dB。可見，裂縫波導的信號均勻性優于泄漏電纜。

4 結 語

本文提出了裂縫波導作為CBTC系統車地無線通信的傳輸媒介，通過仿真和實際測試得出裂縫波導最佳耦合高度，并搭載LTE基站配套裂縫波導進行了通信模擬測試，從而得出裂縫波導應用于CBTC系統車地無線傳輸的可行性結論，并為實際工程實施，提供了裂縫波導和波導接收天線之間的位置關系的理論基礎。

考慮裂縫波導熱脹冷縮的特性，給出長距離裂縫波導敷設時，系統鏈路損耗的計算方法，進一步保證了裂縫波導型車地通信系統應用于工程的可能。

裂縫波導不僅可以應用于基于WLAN技術的車地無線通信系統，并且可以擴展應用于基于LTE技術的車地通信系統，可以更加充分發揮LTE技術的優勢。