城市軌道交通車場無線信號覆蓋分析

袁 松

（北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073）

目前，國內(nèi)城市軌道交通正處在一個高速發(fā)展的特殊時期，專用無線通信作為城市軌道交通正常運營不可缺少的通信支撐系統(tǒng)，起著至關(guān)重要的作用，通過它能滿足列車司機和控制中心調(diào)度員的直接通信，對保證調(diào)度及時執(zhí)行、危險及災(zāi)難情況下的緊急處理提供可能。

根據(jù)目前國內(nèi)軌道交通建設(shè)的現(xiàn)狀，列車調(diào)度專用無線系統(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)。專用無線通信是通過射頻無線對列車沿線及車場的全覆蓋來保證無線通話的可靠性。

地鐵專用無線信號的覆蓋主要分為區(qū)間、車站和車場（車輛段或停車場）3部分。

地鐵區(qū)間都是鏈狀區(qū)域，其信號覆蓋基本是通過漏泄同軸電纜（LCX）進行覆蓋，這種覆蓋方式簡單，信號均勻，可以有效避免信號盲區(qū)，保證切換的重疊區(qū)；車站的覆蓋主要是通過吸頂小天線進行。這兩種覆蓋方式，覆蓋目標距離信號發(fā)射點（漏纜及吸頂小天線）的距離比較小，覆蓋預(yù)測簡單，鏈路計算相對容易。

而車場一般是片狀區(qū)域，其信號覆蓋通常是通過鐵塔天線空間波進行覆蓋，覆蓋距離通常在1?km左右，部分車場還需要考慮出入段線的覆蓋，覆蓋距離會進一步增大。同時，在車場內(nèi)有各個單體建筑，通常包括停車列檢庫、月檢庫、信號樓、綜合樓及司機公寓等，部分大型車場還設(shè)有車輛維修基地。因此，車場的覆蓋相對來說，比較復(fù)雜，需要對空間波覆蓋進行詳細分析及覆蓋預(yù)測，進行合理計算，并最終在實測的基礎(chǔ)上確認覆蓋效果。

1 空間波電波傳播損耗的幾個主要因素

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；時間和地點引起的慢衰落損耗；環(huán)境噪聲、多徑效應(yīng)引起的快衰落損耗。

1.1 路徑損耗

信號幅射源發(fā)出的信號在傳播過程中，隨著信號的發(fā)散，在離開信號源一定距離的位置收到的信號功率密度會遠遠小于信號源處的功率密度，天線接收的信號也會遠遠小于發(fā)射信號強度，在數(shù)值上體現(xiàn)出發(fā)射和接收信號功率的差值，這個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，路徑損耗還受到信號傳播的環(huán)境，特別是地形地貌的影響，所以在計算路徑損耗時，通常需要確定路徑損耗預(yù)測模型，根據(jù)損耗預(yù)測模型進行路徑損耗的計算和預(yù)測。

1.2 慢衰落

慢衰落是信號場強中值隨著時間和地點變化而引起的信號強度的隨機變化。

通俗地講，就是在同一個地點，連續(xù)不同時間測試同一信號，得到的信號強度會隨機變化；同時，在同一個時間，在無線覆蓋區(qū)域內(nèi)的某一個路段上，同時測試同一個信號，得到的信號強度也不相同，表現(xiàn)出一個隨機變化的趨勢。

通過大量的實測表明，信號隨著時間和地點的隨機變化服從正態(tài)分布。

1.3 快衰落

移動臺在通話過程中，會因為環(huán)境干擾和多徑效應(yīng)引起信號強度的降低，導(dǎo)致通話質(zhì)量下降，稱之為快衰落。工程上，通常用信號惡化量來概括快衰落對信號質(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TETRA系統(tǒng)來說，根據(jù)國際無線電咨詢委員會（CCIR）報告，3級話音質(zhì)量要求的惡化量通常在5～6?dB之間，4級話音質(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)測模型

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

2.1 Okumura-Hata模型

Okumura-Hata模型是根據(jù)測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得到的經(jīng)驗公式，在市區(qū)，Okumura-Hata經(jīng)驗公式如下。

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)射機與接收機之間的距離；a（hre）是移動天線修正因子。

在郊區(qū)，Okumura-Hata經(jīng)驗公式修正為：

在農(nóng)村，Okumura-Hata經(jīng)驗公式修正為：

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)，移動臺有效天線高度在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)，移動臺有效天線高度在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 軌道交通車場信號覆蓋預(yù)測分析

根據(jù)目前各個城市地鐵建設(shè)情況，車場基本都建設(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，將車場選址在市區(qū)。

城市地鐵車場建設(shè)通常呈長方形，一般規(guī)模在長 1?000 ～ 1?400?m、寬 200 ～ 400?m 之 間。專用無線信號應(yīng)滿足車場的全覆蓋和出入段（場）線地面區(qū)域（通常200～400?m）的無線覆蓋。

車場室外區(qū)域一般采用全向天線覆蓋，覆蓋區(qū)域呈圓形面狀。

3.1 信號覆蓋需要達到的目標

在無線調(diào)度網(wǎng)內(nèi)的通話，話音質(zhì)量達到三級標準。

信號應(yīng)滿足在95%的時間及地點概率內(nèi)的可靠通信，即時間地點概率≥95%。

3.2 信號覆蓋分析、預(yù)測及計算

3.2.1 設(shè)備參數(shù)及路徑損耗允許值計算

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—車載臺、手持臺之間的信號鏈路預(yù)算如表2所示。

3）車載臺、手持臺—基站之間的信號鏈路預(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)計算出的路徑損耗中值可以看出，覆蓋受限主要是手持臺—基站的上行信號覆蓋，路徑損耗中值不能超過143.5?dB。

4）系統(tǒng)惡化量儲備

車場機車動力通常采用牽引供電，存在環(huán)境干擾，同時信號的傳輸過程中也存在多徑效應(yīng)，因此需要考慮系統(tǒng)信號質(zhì)量的惡化儲備量。

根據(jù)YD/T?5034-2005《數(shù)字集群通信工程設(shè)計暫行規(guī)定》，在無線調(diào)度網(wǎng)內(nèi)的通話，話音質(zhì)量達到三級標準的要求，根據(jù)CCIR報告，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%的時間及地點概率內(nèi)可靠通信，即要求信號場強滿足95%的時間概率和95%的地點概率。

根據(jù)“陸地移動業(yè)務(wù)傳播特性”?國家標準，地點和時間概率分別為95%的信號冗余量V為：V=?K(x1)σl+K(x2)σt

由于車場通常處在郊區(qū)，且（Δh/λ）≤3?000，?σl（dB）取值按下式計算：

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為信號波長，車場的地形不規(guī)則度一般不大于1?m，集群頻段信號波長約為0.3?m。

由此可知 σl=7?dB

根據(jù)“陸地移動業(yè)務(wù)傳播特性”國家標準，σt=2?dB。

則覆蓋區(qū)95%地形、95%時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)惡化儲備量及系統(tǒng)可靠性，則車場覆蓋范圍內(nèi)的信號路徑損耗值Lm≤123.3?dB,才能保證在95%時間及地點范圍內(nèi)的可靠無線調(diào)度通信。

3.2.2 鏈路損耗計算

地鐵調(diào)度無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參考模型進行鏈路損耗預(yù)測計算。

由于車場一般建設(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；

車載臺天線高度，hre=3?m；

手持臺天線高度：hre=1?m；

車載臺方式 ：a(hre)=3.2?(lg?11.75hre)2-4.97?dB=?2.69

手持臺方式 ：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（車載臺二元函數(shù)）???????????????（1）

13.82 lg(hte)-[44.9-6.55lg(hte)]?lg?d=14.1（手持臺二元函數(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應(yīng)值,如表4、5所示。

表4 車載臺通信（hte、d）

表5 手持臺通信（hte、d）

以上預(yù)測是在不考慮基站天線分集接收的情況下，通常，為了增強覆蓋效果，車場天線均采用3分集接收方式，等效信號場強增益 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（車載臺二元函數(shù)）???????????????（3）

13.82 lg(hte)-[44.9-6.55lg(hte)]?lg?d=9.3（手持臺二元函數(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應(yīng)值如表6、7所示。

表6 車載臺通信（hte、d）

表7 手持臺通信（hte、d）

通過上面相關(guān)分析，可以得出如下結(jié)論。

1）車場基站應(yīng)盡量按3分集接收配置。

2）基站下行覆蓋半徑遠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，可以覆蓋半徑為2.1?km的片狀區(qū)域，完全滿足對車場區(qū)域、出入段線的全覆蓋，并能保證信號的可靠性。

4）對于大部分車場，天線掛高20?m時，即可滿足覆蓋要求。

5）車場與出入段線總長不超過1.5?km時，天線掛高15?m即可以滿足覆蓋要求。

6）對于室外天線設(shè)置位置在車場中部區(qū)域時，目標覆蓋半徑通常為1?km左右，天線掛高15?m時完全滿足對車場的全覆蓋。

7）車場室外天線掛高原則不應(yīng)超過30?m，對于出入段場線較短，附近存在其他線地面、高架車站及區(qū)間的，天線掛高應(yīng)嚴格控制。否則，會導(dǎo)致同頻干擾。

3.2.3 其他相關(guān)事項

上述計算沒有考慮車場停車列檢庫、月檢庫等室內(nèi)通信，信號受到庫頂、庫墻阻擋引起的穿透損耗，因此在實際設(shè)計時，在考慮天線掛高的情況下，還得考慮信號穿透建筑單體結(jié)構(gòu)的附加損耗。對于天線掛高受到嚴格限制的城市，如北京市無線電管理委員會要求市區(qū)內(nèi)車場天線掛高不能超過15?m，為保證庫內(nèi)的可靠通信，通常需要在庫內(nèi)增加光纖直放站來加強對庫內(nèi)無線信號的覆蓋。

4 結(jié)語

通過選用合適的信號傳輸損耗模型，對車場無線信號覆蓋進行預(yù)測，并指導(dǎo)工程設(shè)計、天線掛高設(shè)置及天線位置選址，也可有效避免因為天線掛高設(shè)置的不合理導(dǎo)致的同頻干擾。但理論計算僅僅是一種輔助手段，條件許可時，應(yīng)通過搭建模擬環(huán)境來進行驗證及修正；在工程實施之后，還應(yīng)進行實地測試，根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整基站參數(shù)、天線設(shè)置，以達到最優(yōu)效果。

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