電波傳播模型與應(yīng)用之高速鐵路電波傳播模型

南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院　徐　玭

電波傳播模型與應(yīng)用之高速鐵路電波傳播模型

南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院徐玭

隨著對無線電波傳播特性研究的深入，可根據(jù)不同的傳播環(huán)境建立相應(yīng)的電波傳播模型，在不同的場景下使用適當(dāng)?shù)膫鞑ツＰ瓦M(jìn)行分析。在高速鐵路場景下，分析其電波傳播特點(diǎn)，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(yīng)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(yuǎn)距離實(shí)時接收和發(fā)送信息的主要載體之一，它的傳播在我們的生活環(huán)境中每時每刻無處不在。隨著發(fā)展的需求，無線電通信業(yè)務(wù)在不斷地?cái)U(kuò)張，無線電波傳播的研究也將更加廣泛細(xì)致。通過對電波傳播特性的相關(guān)研究分析，可根據(jù)不同的傳播環(huán)境建立相應(yīng)的電波傳播模型。

1.電波傳播模型

1.1根據(jù)傳播環(huán)境劃分

最先定義的是自由空間傳播模型。當(dāng)電波傳播路徑遠(yuǎn)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(rèn)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)際應(yīng)用中，各種環(huán)境條件的影響不可忽略，以下將簡單介紹相關(guān)條件影響下的模型。

幾乎所有地面通信業(yè)務(wù)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(jù)不同情況考慮自由空間擴(kuò)散、地面反射影響或電氣特性因素，可細(xì)分為集中預(yù)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(jīng)驗(yàn)繞射損耗預(yù)測模型等。

除了地面?zhèn)鞑r的損耗，無線電波在對流層晴空大氣中傳播時也會產(chǎn)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(qiáng)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(xì)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(yù)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(yán)重的，數(shù)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(yù)測模型。

根據(jù)適用場景不同，還有航空移動、海上移動與雷達(dá)定位業(yè)務(wù)傳播預(yù)測模型、無線廣播業(yè)務(wù)傳播預(yù)測模型、衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)傳播預(yù)測模型等［1］。

1.2根據(jù)傳播損耗劃分

電波傳播模型根據(jù)傳播損耗分為決定性模型和統(tǒng)計(jì)性模型。

決定性模型一般是在一定的物理模型下由較為嚴(yán)格的電波傳播理論推導(dǎo)出來的理論表達(dá)式， 計(jì)算結(jié)果是決定性的，但它要求要給出完整、全面的地理環(huán)境條件。另一種是統(tǒng)計(jì)模型，它一般是由大量的實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)擬合出來的經(jīng)驗(yàn)公式或半經(jīng)驗(yàn)半理論公式，甚至是經(jīng)驗(yàn)曲線，它的預(yù)測結(jié)果是統(tǒng)計(jì)性的推斷，當(dāng)然可具有一定的可靠度和精確度。統(tǒng)計(jì)模型只是要求知道地理環(huán)境條件的統(tǒng)計(jì)性數(shù)據(jù)和信息，比如說，是鄉(xiāng)村還是城市市區(qū)，溫帶地區(qū)還是熱帶地區(qū)，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(shù)據(jù)都是具有相當(dāng)?shù)哪：曰虿粵Q定性，但是很容易給出。

1.3根據(jù)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(nèi)（一般是幾百米甚至更長）接收信號強(qiáng)度的變化趨勢（發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間長距離上的平均場強(qiáng)的變化），這些變化主要是由發(fā)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(nèi)接收信號場強(qiáng)的快速波動變化，當(dāng)小尺度范圍內(nèi)發(fā)生較為嚴(yán)重的深衰落時，會造成系統(tǒng)誤碼甚至通信中斷。因此，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，場強(qiáng)覆蓋要有余量，而且要通過選擇合適的調(diào)制方式、均衡、信道編碼以及分集等技術(shù)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(wǎng)逐漸完善，高鐵運(yùn)行速度基本保持300km/h左右，列車的高速運(yùn)行使得鐵路移動通信對于服務(wù)質(zhì)量包括呼叫建立時間、端到端傳輸時延、越區(qū)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(guān)于電波傳播模型的研究不少，理論研究也進(jìn)行很多年，但是對鐵路環(huán)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(huán)境下的傳播模型相關(guān)研究也較少。

2.1高速鐵路環(huán)境下的電波傳播特點(diǎn)

影響高速鐵路列控信號傳播特性的主要因素有：高速運(yùn)行、多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)、巨大的金屬列車車體和其他高速鐵路特有的設(shè)備設(shè)施等。高速鐵路的路基及鐵軌建設(shè)主要采用平直軌道，轉(zhuǎn)彎半徑比較大，鐵軌坡度比較緩，同時雙線、復(fù)線的路基占地面積大，線路兩側(cè)建有防護(hù)隔離網(wǎng)，構(gòu)建出一個可供列車高速通行的特殊環(huán)境，因此高速鐵路環(huán)境下的電波傳播主要有以下特點(diǎn)：（1）機(jī)車臺附近的地形效應(yīng)服從對數(shù)正態(tài)分布；（2）鐵路沿線的場強(qiáng)覆蓋區(qū)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(yīng)影響明顯；（4）電波的無線傳播要經(jīng)歷信號由弱到強(qiáng)和由強(qiáng)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(cè)隨機(jī)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(wǎng)等傳播特性的關(guān)鍵主要是高速運(yùn)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(fù)雜、沿線環(huán)境多樣等特殊情形，在原有電波傳播模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用、擬合與修正。以下將對高速鐵路的四種典型場景進(jìn)行分析。

高架橋場景：

高速鐵路建設(shè)中，由于地面因素導(dǎo)致無法在原地面修建橋（路），從而設(shè)計(jì)的架在空中的、高于周圍環(huán)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(shè)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(dá)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(shù)層層解析，可得到接收場強(qiáng)和功率的精確表達(dá)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(nèi)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(wù)量適中［4］。由于路塹尺寸各異，可根據(jù)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(jìn)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(yùn)行，在開鑿兩端建設(shè)的地面出入口的水平通道為隧道環(huán)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(kuò)大施主基站的覆蓋范圍。隧道可近似為大尺寸波導(dǎo)，根據(jù)Fresnel區(qū)域理論將隧道內(nèi)從發(fā)射臺向隧道內(nèi)輻射的電波傳播區(qū)域劃分近區(qū)場和遠(yuǎn)區(qū)場，分別利用自由空間傳輸損耗和波導(dǎo)特性進(jìn)行擬合。由于隧道內(nèi)壁通常較為光滑，介質(zhì)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(xué)的波導(dǎo)模型［3］［4］。

開闊地場景：

該場景下，鐵軌鋪設(shè)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(huán)境對電波傳播影響較大，因此其電波傳播環(huán)境較高架橋場景惡劣［4］。實(shí)踐證明，在高速鐵路開闊地帶，LEE宏小區(qū)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(jìn)行了詳細(xì)的分析推導(dǎo)。

實(shí)際情況中會根據(jù)各運(yùn)行線路實(shí)際路測取得大量數(shù)據(jù)，加入環(huán)境因子和植被影響，選取典型場景下的采樣結(jié)果，對不同場景下的場強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、擬合和修正，建立相應(yīng)的高速鐵路傳播模型［5］。

［1］謝益溪.無線電波傳播--原理與應(yīng)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(xué)，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(xué)，2010.