基于CBTC地鐵隧道車(chē)-地?zé)o線(xiàn)信道的建模與仿真

米根鎖，羅耀云，孔德龍

蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，蘭州 730070

基于CBTC地鐵隧道車(chē)-地?zé)o線(xiàn)信道的建模與仿真

米根鎖，羅耀云，孔德龍

蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，蘭州 730070

1 引言

近年來(lái)，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(chē)大多數(shù)在隧道中運(yùn)行，隧道中環(huán)境復(fù)雜，此環(huán)境下無(wú)線(xiàn)信道與地面的無(wú)線(xiàn)信道有所區(qū)別，對(duì)地鐵無(wú)線(xiàn)車(chē)-地通信提出了新的要求[1-2]。長(zhǎng)期以來(lái)，地鐵無(wú)線(xiàn)信道的傳播特性是地鐵車(chē)-地通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和覆蓋范圍預(yù)測(cè)的重要研究?jī)?nèi)容。無(wú)線(xiàn)信道的優(yōu)劣直接影響地鐵車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信的質(zhì)量，所以分析地鐵中隧道環(huán)境下的車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信信道特性，仿真列車(chē)不同速度下的衰落特性，可為地鐵隧道中無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)的布置提供設(shè)計(jì)依據(jù)。近些年來(lái)研究者們致力于研究無(wú)線(xiàn)信道的特性，目前完善的適用于地鐵隧道的無(wú)線(xiàn)信道傳播模型還沒(méi)有建立。文獻(xiàn)[3]提出了服從萊斯分布的寬帶信道統(tǒng)計(jì)模型，對(duì)空直隧道中無(wú)線(xiàn)信道進(jìn)行仿真。沒(méi)有考慮隧道存在彎道的情況。文獻(xiàn)[4]利用射線(xiàn)跟蹤技術(shù)建立了電波在矩形隧道中的多徑預(yù)測(cè)模型，但是不能預(yù)測(cè)定點(diǎn)的電平強(qiáng)度。

2 CBTC系統(tǒng)車(chē)-地通信

CBTC（Communication-Based Train Control，基于通信的列車(chē)控制）系統(tǒng)采用高精度的列車(chē)定位，并連續(xù)雙向大容量地傳遞車(chē)-地通信數(shù)據(jù)，對(duì)列車(chē)實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)控制。CBTC系統(tǒng)利用無(wú)線(xiàn)移動(dòng)信道傳遞車(chē)-地通信數(shù)據(jù)[5]。通過(guò)仿真與CBTC信道特點(diǎn)相符的信道模型，分析車(chē)-地通信的通信質(zhì)量，可提高無(wú)線(xiàn)信道傳遞數(shù)據(jù)的可靠性。本文主要分析地鐵隧道中基于2.4 GHz的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)信道。

在CBTC系統(tǒng)中，車(chē)載設(shè)備將位置信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)信道發(fā)送到ZC（Zone Controller，軌旁區(qū)域控制器），ZC負(fù)責(zé)追蹤線(xiàn)路所有的列車(chē)并為列車(chē)計(jì)算移動(dòng)授權(quán)，形成列車(chē)的移動(dòng)閉塞區(qū)間，并防止任何其他列車(chē)進(jìn)入[6-7]。圖1是CBTC系統(tǒng)車(chē)-地通信的基本結(jié)構(gòu)原理。圖中AP（Access Point，無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)）與車(chē)載設(shè)備的通信是靠無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。

無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)是指以無(wú)線(xiàn)信道作為傳輸介質(zhì)的局域網(wǎng)，它是相當(dāng)便利的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，取代雙絞銅線(xiàn)所構(gòu)成的局域網(wǎng)絡(luò)，具有以下幾大特點(diǎn)：具有抗干擾性強(qiáng)、安全性能強(qiáng)、移動(dòng)性高、吞吐量大、擴(kuò)展能力強(qiáng)、建網(wǎng)容易、管理方便、開(kāi)發(fā)運(yùn)營(yíng)成本低、受災(zāi)害影響較小。

圖1 CBTC系統(tǒng)車(chē)-地通信的基本結(jié)構(gòu)原理

3 地鐵隧道中無(wú)線(xiàn)信道模型

在城市中地鐵列車(chē)大多數(shù)的情況下都運(yùn)行在地下的隧道中。理論上可以認(rèn)為隧道是一個(gè)超大尺寸的非理想波導(dǎo)，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(yuǎn)高于幾十兆赫茲，這個(gè)頻段的信號(hào)在隧道中傳播時(shí)必為多模傳播，各個(gè)模式損耗與其階數(shù)的平方成正比。實(shí)際應(yīng)用中，有圓形、矩形和拱形這些不同類(lèi)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(shí)為0，兩者均為波模的階次）。

選取上海地鐵某號(hào)線(xiàn)隧道為研究地點(diǎn)，寬為6.8 m，高為5.2 m，由式（1）計(jì)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(shí)際的應(yīng)用中，為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化，在近似情況下，隧道可以認(rèn)為是規(guī)則矩形。利用Fresnel區(qū)域理論，可將隧道分為近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)兩個(gè)部分，近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)兩個(gè)部分的分界點(diǎn)由式（2）可以計(jì)算，即

其中，λ是波長(zhǎng)。

由式（2）計(jì)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(fā)射天線(xiàn)的距離小于370 m的部分屬于近區(qū)，而大于這一距離的部分屬于遠(yuǎn)區(qū)。在近區(qū)電波的傳播模型和自由空間中的傳播模型相同，在遠(yuǎn)區(qū)電波的傳播模型利用波導(dǎo)傳播模型。

當(dāng)電波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于隧道橫截面的幾何尺寸時(shí)，就假想為電波像光線(xiàn)一樣在隧道中傳播，利用射線(xiàn)跟蹤的方法確定多徑信道中每一條路徑。接收信號(hào)由N條射線(xiàn)組成，其中包括直射路徑、隧道四壁反射來(lái)的各次射線(xiàn)（每一側(cè)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(huán)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(shè)s(t)為發(fā)射信號(hào)，信道建模為線(xiàn)性時(shí)變系統(tǒng)，并且具有低通等效響應(yīng)特性c(τn(t)，t)。多徑效應(yīng)導(dǎo)致輸出信號(hào)y(t)是多個(gè)衰落和延遲的輸入信號(hào)之和[12-13]，則：

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

根據(jù)上述的分析，由于信道的多徑衰落，則接收信號(hào)的模型可以表示為R(t)。接收信號(hào)是不同路徑信號(hào)之和，由中心極限定理可知R(t)是時(shí)間t的復(fù)高斯過(guò)程，任意時(shí)刻概率密度函數(shù)的實(shí)部和虛部都是高斯的。由于隧道內(nèi)部隧道壁對(duì)信號(hào)的屏蔽、吸收和散射，導(dǎo)致信號(hào)多徑衰落嚴(yán)重。隧道中彎道的存在，導(dǎo)致電磁波在傳播過(guò)程中不存在直射路徑，即可以簡(jiǎn)化為瑞利衰落過(guò)程。

設(shè)為正態(tài)隨機(jī)過(guò)程，即模型中用有限個(gè)正弦波疊加來(lái)逼近正態(tài)隨機(jī)過(guò)程，利用改進(jìn)型Jakes仿真原理對(duì)瑞利信道進(jìn)行仿真，新的正弦波疊加統(tǒng)計(jì)仿真模型的標(biāo)準(zhǔn)化低通衰落過(guò)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(dá)角，λc是載波波長(zhǎng)，v是列車(chē)的速度。

θ，φ，ψn所對(duì)應(yīng)的n是在[-π，π)上均勻分布的獨(dú)立隨機(jī)變量。由于引入的三個(gè)隨機(jī)變量θ，φ，ψn都具有隨機(jī)性，減小了同一路徑內(nèi)同相分量和正交分量的相關(guān)性，更能體現(xiàn)信道的多徑隨機(jī)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(hào)線(xiàn)隧道為仿真地點(diǎn)，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(jìn)行編程仿真，分別取列車(chē)移動(dòng)速度30 km/h，80 km/h，120 km/h，其中80 km/h為列車(chē)通常運(yùn)行速度，120 km/h為列車(chē)最大運(yùn)行速度。仿真時(shí)AP的間隔取400 m，發(fā)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(jié)果分析

圖2～4各圖中（a）為不存在直射路徑時(shí)的接收信號(hào)包絡(luò)，（b）為存在直射路徑時(shí)的接收信號(hào)包絡(luò)。將圖中仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[14-15]中的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比，現(xiàn)場(chǎng)400 m處所測(cè)得的電平強(qiáng)度為－55 dBm，仿真 圖中不存在直射路徑時(shí)接收電平強(qiáng)度在－50 dBm上下波動(dòng)，且略高于測(cè)試結(jié)果。故建模仿真過(guò)程符合隧道環(huán)境下的信道特性。

圖2 列車(chē)速度（v=30 km/h）

圖3 列車(chē)速度（v=80 km/h）

圖4 列車(chē)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(shí)不存在直射路徑接收電平強(qiáng)度要低于存在直射路徑接收電平強(qiáng)度。當(dāng)設(shè)置AP間隔400 m，發(fā)射功率30 dBm，根據(jù)地鐵信號(hào)系統(tǒng)信號(hào)設(shè)備性能指標(biāo)要求，此時(shí)信號(hào)強(qiáng)度要大于等于－70 dBm，才能滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)通信需求[15]。圖2～4中（a）（b）仿真結(jié)果可以看出不存在直射路徑和存在直射路徑接收信號(hào)強(qiáng)度都滿(mǎn)足信號(hào)設(shè)備的接收要求。

圖2～4通過(guò)對(duì)比，可以得知列車(chē)移動(dòng)速度越快，衰落越嚴(yán)重。這是由于工作頻率2.4 GHz時(shí)，當(dāng)v=30 km/h，多普勒頻移為66.67 Hz；當(dāng)v=80 km/h，多普勒頻移為177.78 Hz；當(dāng)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(yán)重。

圖5中可以看出離發(fā)射點(diǎn)越近，損耗速率越大；發(fā)射點(diǎn)越遠(yuǎn)，損耗速率越小。但總體離發(fā)射點(diǎn)越遠(yuǎn)損耗越大。這是由于在近區(qū)，隧道壁對(duì)波的反射次數(shù)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(guò)仿真可以得出400 m處的信號(hào)強(qiáng)度能夠滿(mǎn)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(chē)的車(chē)-地通信，設(shè)計(jì)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(yīng)小于200 m，布置時(shí)存在直射路徑更能提高可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從CBTC的無(wú)線(xiàn)通信原理出發(fā)，建立了地鐵環(huán)境下無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)信道模型，通過(guò)仿真分析得出地鐵隧道環(huán)境下CBTC系統(tǒng)中2.4 GHz無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)無(wú)線(xiàn)信道的衰落特性曲線(xiàn)。從仿真結(jié)果可以看出離AP距離400 m處能夠滿(mǎn)足地鐵信號(hào)設(shè)備接收要求。當(dāng)列車(chē)移動(dòng)速度越快，造成的多普勒頻移越大，導(dǎo)致衰落越大。為了信息冗余覆蓋，應(yīng)采取200 m左右設(shè)置一個(gè)AP，彎道處設(shè)置距離更短，一般以存在直射路徑為主。仿真結(jié)果定量化地說(shuō)明了地鐵隧道無(wú)線(xiàn)信道仿真的必要性，結(jié)合地鐵隧道環(huán)境CBTC通信信道特點(diǎn)，合理設(shè)置AP間隔，對(duì)隧道中無(wú)線(xiàn)信道的覆蓋具有重要的指導(dǎo)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(jù)隧道幾何尺寸計(jì)算出無(wú)線(xiàn)電波在隧道中的截止頻率，利用路徑損耗和多徑衰落進(jìn)行地鐵矩形隧道中無(wú)線(xiàn)信道的建模，對(duì)矩形隧道損耗衰落信道進(jìn)行仿真，得出存在直射路徑和不存在直射路徑時(shí)的接收點(diǎn)接收信號(hào)的電平包絡(luò)，仿真結(jié)果表明AP間隔距離為400 m時(shí)，接收強(qiáng)度大于－70 dBm，滿(mǎn)足技術(shù)要求。

基于通信的列車(chē)控制（CBTC）；車(chē)-地通信；無(wú)線(xiàn)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?yàn)橛?jì)算機(jī)測(cè)控；羅耀云（1988—），男，在讀碩士生，研究方向?yàn)榻煌ㄐ畔⒐こ碳翱刂疲豢椎慢垼?988—），男，在讀碩士生，研究方向?yàn)榻煌ㄐ畔⒐こ碳翱刂?。E-mail：lyy4566@126.com

2013-04-22

2013-06-14

1002-8331（2013）18-0249-04

book=252,ebook=257