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    隧道場(chǎng)景列車車體對(duì)無(wú)線電波傳播的影響

    2019-08-20 01:17:52張春圓張文良
    中國(guó)鐵道科學(xué) 2019年4期
    關(guān)鍵詞:方根車體時(shí)延

    陶 成,張春圓,周 濤,2,張文良

    (1.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,北京 100044;2.東南大學(xué) 移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210096)

    通訊作者:周 濤(1988—),男,江西南昌人,副教授,博士。E-mail:taozhou@bjtu.edu.cn

    高傳輸速率和高可靠性的無(wú)線通信系統(tǒng)是地鐵列車運(yùn)行自動(dòng)化和智能化的基礎(chǔ)保障。如何在地鐵隧道中保證高速、穩(wěn)定、安全、及時(shí)的無(wú)線通信連接成為通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不懈努力的研究課題。無(wú)線信道是無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),準(zhǔn)確認(rèn)知無(wú)線信道中無(wú)線電波的傳播特性是設(shè)計(jì)無(wú)線通信系統(tǒng)的前提條件。

    近年來(lái),關(guān)于隧道場(chǎng)景中的無(wú)線電波傳播特性研究有很多。文獻(xiàn)[1—3]利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)隧道中大尺度損耗、小尺度分布以及K因子、多天線和極化天線容量進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[4]作者所在團(tuán)隊(duì)完成北京地鐵14號(hào)線大瓦窯站至郭莊子站隧道場(chǎng)景測(cè)試,結(jié)果表明,在矩形截面長(zhǎng)直隧道中,無(wú)線電波傳播的時(shí)延擴(kuò)展很小,采用水平極化收發(fā)天線要比垂直極化的系統(tǒng)衰減系數(shù)要小,均方根時(shí)延擴(kuò)展要大。文獻(xiàn)[5]介紹了西班牙新高速列車隧道GSM-R(鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng))的規(guī)劃工作, 測(cè)量載頻900 MHz無(wú)線電波在有車通過的隧道中傳播特性。結(jié)果表明,在隧道中使用異頻分布式天線系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì),同時(shí)無(wú)線電波的發(fā)送功率必須考慮15~20 dB裕度。文獻(xiàn)[6]主要研究地鐵隧道場(chǎng)景38 GHz毫米波傳播特性,在直隧道和彎曲隧道場(chǎng)景中進(jìn)行實(shí)際測(cè)量以及擴(kuò)展仿真,結(jié)果發(fā)現(xiàn)直隧道的衰減與傳播頻率成正比,而彎道隧道的衰減與傳播頻率成反比。文獻(xiàn)[7]使用射線跟蹤法,在地鐵隧道場(chǎng)景中引入列車車體,分析對(duì)比隧道有列車存在和空隧道兩種隧道場(chǎng)景下的路徑損耗,并從多方面分析了各類因素對(duì)MIMO(多輸入多輸出)系統(tǒng)性能的影響。

    目前大多數(shù)隧道場(chǎng)景中無(wú)線電波傳播的測(cè)量活動(dòng)還主要集中于無(wú)車隧道,關(guān)于有車存在的隧道環(huán)境下,采用中繼方式通信時(shí)無(wú)線電波的傳播特性研究少有涉及。綜合考慮列車車體對(duì)隧道環(huán)境下無(wú)線電波傳播影響的不可忽略性,以及毫米波通信在隧道場(chǎng)景中的應(yīng)用前景,本文采用基于測(cè)量對(duì)比驗(yàn)證的射線跟蹤仿真方法,仿真研究在長(zhǎng)直地鐵隧道場(chǎng)景中列車車體引入前后無(wú)線電波的傳播特性,包括采用直接覆蓋通信方式時(shí),車體對(duì)接收端接收信號(hào)的影響,以及采用中繼方式通信時(shí),對(duì)比分析1.4與38.0 GHz兩種通信載頻下無(wú)線電波傳播的大尺度路徑損耗和小尺度時(shí)延擴(kuò)展情況,通過比較收發(fā)天線不同位置選擇組合的大、小尺度衰落結(jié)果,給出2種通信載頻下最佳天線位置組合。

    1 射線跟蹤法

    射線跟蹤法是一種基于幾何光學(xué)理論與幾何繞射理論的建模和仿真方法,在室內(nèi)的無(wú)線電波傳播研究中已經(jīng)被證明是成熟準(zhǔn)確的。大量基于實(shí)際測(cè)量的研究結(jié)果[8-13]表明,射線跟蹤方法在隧道中能夠得到準(zhǔn)確的信道特性。本文選擇基于射線跟蹤理論的Wireless-Insite仿真工具。

    Wireless-Insite仿真工具通過追蹤每1條由發(fā)射源到接收端的射線,充分考慮周圍物理環(huán)境對(duì)每1條射線的作用效果,執(zhí)行電磁計(jì)算,然后評(píng)估信號(hào)傳播特性,可以在50~100 GHz的頻率范圍內(nèi)提供比較精確的無(wú)線電波傳播預(yù)測(cè)結(jié)果。

    接收天線接收功率Pr計(jì)算公式為

    (1)

    路徑損耗Lp計(jì)算公式為

    Lp=Pt-Pr+Gt,max+Gr,max-Ls

    (2)

    式中:Gt,max為最大發(fā)送天線增益;Gr,max為最大接收天線增益;Ls為系統(tǒng)中所有其他損耗的總和。

    對(duì)數(shù)距離路徑損耗PL計(jì)算公式為

    (3)

    式中:P0為常數(shù);nP為路損指數(shù);d為收發(fā)天線距離;d0為參考距離,1 m。

    均方根時(shí)延擴(kuò)展στ為

    (4)

    其中,

    2 隧道場(chǎng)景無(wú)線電波傳播實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比

    在南通中天隧道實(shí)驗(yàn)室,本團(tuán)隊(duì)采用自研測(cè)量設(shè)備完成長(zhǎng)直隧道場(chǎng)景無(wú)線電波傳播的實(shí)際測(cè)量[14],隧道結(jié)構(gòu)如圖1所示。該隧道實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)初衷主要是為了測(cè)試漏泄電纜在隧道中的性能,隧道全部采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),模擬真實(shí)地鐵隧道環(huán)境,分為圓形和矩形截面2段,每段50 m,全長(zhǎng)100 m,如圖1所示。在圓形截面隧道盡頭是封閉的金屬門,整個(gè)隧道屬于半封閉隧道環(huán)境。

    圖1 隧道結(jié)構(gòu)圖(單位:m)

    測(cè)量過程如下:接收天線位置選在隧道的入口,發(fā)射天線從接收天線位置向隧道另一端移動(dòng),每移動(dòng)1 m的距離,數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集1次數(shù)據(jù),發(fā)射天線與接收天線高度分別為2.5和2.2 m,均采用全向天線,垂直極化方式,發(fā)送信號(hào)頻率設(shè)置為1.4 GHz,發(fā)射功率為20 dBm,帶寬為150 MHz。

    針對(duì)實(shí)際測(cè)量活動(dòng),應(yīng)用Wireless-Insite仿真工具,構(gòu)建還原完整的南通中天隧道測(cè)量環(huán)境,仿真參數(shù)設(shè)置見表1和表2,分析測(cè)量和仿真結(jié)果,大尺度路徑損耗與小尺度均方根時(shí)延擴(kuò)展對(duì)比如圖2所示。

    表1 模型材料參數(shù)取值

    表2 天線參數(shù)取值

    圖2 仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

    由圖2可以看出:無(wú)論是大尺度還是小尺度衰落,實(shí)際測(cè)量與仿真結(jié)果在整體趨勢(shì)上都能夠比較好地吻合,雖然細(xì)節(jié)還有些差距,但還是能夠在一定程度上預(yù)測(cè)隧道環(huán)境下電磁波的傳播。再考慮到實(shí)際測(cè)量需要花費(fèi)的時(shí)間和人力成本,以及協(xié)調(diào)難度,采用該仿真方法更加經(jīng)濟(jì)有效。

    3 擴(kuò)展仿真描述與結(jié)果分析

    3.1 仿真配置

    由于南通中天隧道實(shí)驗(yàn)室與實(shí)際隧道環(huán)境在尺寸上存在著一定的差異,為保證在仿真隧道場(chǎng)景中引入地鐵列車仿真模型的可行性,得到豐富并且可靠的仿真結(jié)果,需要重新構(gòu)建更加完整、更加貼近實(shí)際隧道環(huán)境的仿真場(chǎng)景,參考文獻(xiàn)[6]中實(shí)際測(cè)量的地鐵隧道尺寸,重構(gòu)的隧道三維有限元模型如圖3所示。隧道為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),橫截面為馬蹄形,尺寸見圖3中,標(biāo)準(zhǔn)軌距線路。地鐵列車采用5輛編組,車輛選擇《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]中A型車,每節(jié)車廂長(zhǎng)22.5 m,寬3.0 m,高3.8 m,4對(duì)車門,3對(duì)窗戶。

    圖3 隧道三維有限元模型(單位:m)

    如今,毫米波技術(shù)被認(rèn)為是克服無(wú)線頻譜資源稀缺的最具潛力的無(wú)線通信技術(shù),許多國(guó)內(nèi)外團(tuán)隊(duì)已經(jīng)進(jìn)行了毫米波頻段技術(shù)的開發(fā)研究[16-18],并且已有團(tuán)隊(duì)針對(duì)空隧道場(chǎng)景中毫米波的傳播展開測(cè)試活動(dòng),為了給毫米波技術(shù)在隧道場(chǎng)景中應(yīng)用提供更多的參考,在頻率選擇上除了選擇與上節(jié)實(shí)測(cè)載頻一致的1.4 GHz外,增加載頻38.0 GHz作對(duì)比。 載頻選擇1.4 GHz時(shí),模型材料參數(shù)及天線參數(shù)沿用表1和表2設(shè)置;載頻選擇38.0 GHz時(shí),發(fā)送天線選擇定向天線,接收天線設(shè)置為全向天線,模型材料參數(shù)及天線參數(shù)需調(diào)整部分見表3,其余參數(shù)沿用表1和表2的取值。所有材料的電磁參數(shù)皆依據(jù)ITU-R P.2040提供的參考建議值設(shè)置。無(wú)線通信信號(hào)覆蓋方式選擇2種:直接覆蓋方式和中繼覆蓋方式。

    表3 天線參數(shù)取值

    在直接覆蓋方式下,理論上無(wú)線電波需要透過玻璃才能抵達(dá)位于車體內(nèi)部的接收端,而毫米波在透射過程中將受到極大衰減,測(cè)量與仿真中基本可以認(rèn)為無(wú)透射現(xiàn)象產(chǎn)生[19],所以此狀態(tài)下只仿真載頻1.4 GHz時(shí)的情況,不考慮載頻38.0 GHz。發(fā)射天線和接收天線位置如圖4所示,發(fā)射天線Tx位于軌道中間位置,高度為2.7 m,接收天線Rx從距發(fā)射天線Tx位置1 m開始,每間隔1 m設(shè)置1個(gè),共計(jì)100個(gè)仿真點(diǎn),高度設(shè)置為2.2 m。當(dāng)有列車存在時(shí),列車車體位置設(shè)置在距發(fā)射天線Tx60 m處。

    圖4 直接覆蓋方式天線位置設(shè)置示意圖(單位:m)

    中繼覆蓋方式能夠克服由穿透損耗對(duì)通信系統(tǒng)帶來(lái)的不利影響,這種方式理論上也更加符合未來(lái)高性能無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的需要。選擇中繼覆蓋方式時(shí),收發(fā)天線位置設(shè)置如圖5所示。為了豐富對(duì)比結(jié)果,全面反映不同收發(fā)天線位置組合的信道特性,接收天線位置設(shè)置2個(gè),位于車頭中部Rx1和車頭頂部Rx2,發(fā)射天線位置設(shè)置3個(gè),位于隧道中間Tx1,隧道頂部Tx2和隧道壁Tx3,當(dāng)發(fā)送天線選擇定向天線時(shí),由于收發(fā)天線的高度差,使得定向天線不能完全對(duì)準(zhǔn)位于車頂頭部的接收天線Rx2,所以會(huì)造成在一定距離內(nèi)接收天線Rx2接收不到直射徑信號(hào)。列車由距離發(fā)射天線Tx1250 m處開始逐漸向發(fā)射天線運(yùn)行。考慮到設(shè)備的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力,每5 m記錄1次仿真結(jié)果。為了對(duì)比分析,對(duì)同樣條件下的空隧道、自由空間進(jìn)行仿真。

    圖5 中繼覆蓋方式天線位置設(shè)置示意圖(單位:m)

    3.2 大尺度衰落

    直接覆蓋方式下,載頻1.4 GHz,隧道內(nèi)有列車、空隧道和自由空間時(shí)3種場(chǎng)景下路徑損耗仿真結(jié)果對(duì)比如圖6所示。由圖6可知:在該設(shè)置條件下,收發(fā)天線間距小于60 m時(shí),空隧道與有車隧道內(nèi)電磁波傳播的路徑損耗比較接近,變化趨勢(shì)一致,并沒有受到車體明顯的影響;當(dāng)收發(fā)天線距離增加到60 m時(shí),即列車車體所在位置,有車隧道路徑損耗急劇增加,較空隧道路徑損耗高出10~50 dB,平均高出30 dB左右,且波動(dòng)變化劇烈,同時(shí)也超過自由空間路徑損耗,與文獻(xiàn)[20]理論計(jì)算結(jié)果相符合??账淼缆窂綋p耗繼續(xù)保持原有變化趨勢(shì),且變化趨緩??梢?,當(dāng)接收天線位于車廂內(nèi)部時(shí),對(duì)應(yīng)圖6中60~100 m部分,無(wú)線電波透過列車車體會(huì)帶來(lái)比較大的穿透損耗,造成信道傳播環(huán)境迅速惡化。

    圖6 3種場(chǎng)景下路徑損耗與收發(fā)天線間距的關(guān)系曲線

    中繼覆蓋方式下,1.4和38.0 GHz這2種載頻,不同收發(fā)天線位置組合,5種場(chǎng)景下路徑損耗仿真結(jié)果對(duì)比如圖7所示。

    圖7(a),(b),(c)為載頻1.4 GHz時(shí)的仿真結(jié)果,對(duì)該設(shè)置條件下的仿真結(jié)果應(yīng)用對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型擬合,得到的對(duì)比結(jié)果見表4。

    圖7(d),(e),(f)為載頻38.0 GHz時(shí)的仿真結(jié)果,對(duì)于毫米波通信,路徑損耗與傳統(tǒng)的窄帶無(wú)線通信系統(tǒng)不同,其不再僅僅是收發(fā)機(jī)之間距離的函數(shù),還是發(fā)射頻率的函數(shù)??紤]到模型的簡(jiǎn)化問題,通常情況下會(huì)忽略頻率的影響,而僅僅考慮路徑損耗與收發(fā)天線之間距離的關(guān)系,因此,大尺度衰落損耗模型仍采用傳統(tǒng)的對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型[19],對(duì)該設(shè)置條件下的仿真結(jié)果應(yīng)用傳統(tǒng)路徑損耗模型擬合,得到的對(duì)比結(jié)果也見表4。

    表3和表4中的數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[6,14]結(jié)果相比略小,原因除了受到隧道環(huán)境和收發(fā)天線位置設(shè)置的影響,還與仿真距離有關(guān)系。由圖7和表4可得到如下結(jié)論。

    (1)在空隧道的情況下,圖7(a)中,當(dāng)發(fā)射天線選擇Tx1時(shí),接收天線Rx1接收到的無(wú)線電信號(hào)經(jīng)歷的路徑損耗明顯小于Rx2;圖7(b)中,當(dāng)發(fā)射天線選擇Tx2時(shí),接收天線選擇Rx1和Rx2的路徑損耗則非常接近,而且此時(shí)的路徑損耗無(wú)論是值還是波動(dòng)也要更大一些;圖7(c)中,當(dāng)發(fā)射天線選擇Tx3時(shí),2個(gè)接收天線Rx1和Rx2位置的路徑損耗差距介于前2種情況之間;從表4中路損指數(shù)對(duì)比結(jié)果來(lái)看,發(fā)射天線選擇Tx1和Tx2時(shí),Rx1和Rx2兩個(gè)接收天線位置的路損指數(shù)是比較接近的,差值明顯小于發(fā)射天線選擇Tx3位置。上述結(jié)果說明了,載頻1.4 GHz時(shí),發(fā)射天線的位置對(duì)路徑損耗的影響要強(qiáng)于接收天線位置,發(fā)射天線越接近隧道中心位置,路徑損耗對(duì)接收天線位置才會(huì)越敏感。

    圖7 不同載頻不同收發(fā)天線組合時(shí)5種場(chǎng)景下路徑損耗與收發(fā)天線間距的關(guān)系曲線

    表4 路徑損耗對(duì)比

    (2)在空隧道情況下,載頻選擇38.0 GHz時(shí),發(fā)射天線選定之后,接收天線位置的改變對(duì)路徑損耗的影響并不大,雖然收發(fā)天線同時(shí)選擇隧道中間位置,即Tx1和Rx1的天線組合時(shí),路徑損耗依然最小,但與其他天線組合之間的差距變??;收發(fā)天線不同時(shí)選擇隧道中間位置時(shí),路徑損耗的變化范圍都在95 dB左右,要比1.4 GHz載頻時(shí)多衰減30 dB左右,路損指數(shù)在0.4~1.3之間,差距不大。

    (3)當(dāng)隧道中有車體、載頻為1.4 GHz時(shí),接收天線Rx1和Rx2路徑損耗與空隧道相當(dāng),路損指數(shù)比較接近,產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是因?yàn)榻邮仗炀€Rx1與Rx2的位置在車體之前,且距離車體較近,經(jīng)過車體反射到接收天線的反射徑并不多,對(duì)接收功率影響不十分明顯。

    (4)當(dāng)隧道中有車體、載頻為38.0 GHz時(shí),雖然接收天線Rx1和Rx2路徑損耗與空隧道重合度依然比較高,路損指數(shù)也比較接近,但與載頻1.4 GHz結(jié)果相比,差異稍有增加。

    3.3 小尺度衰落

    直接覆蓋方式下,載頻1.4 GHz時(shí),隧道內(nèi)有列車和空隧道2種場(chǎng)景下均方根時(shí)延擴(kuò)展仿真結(jié)果對(duì)比如圖8所示。由圖8可知:對(duì)于空隧道場(chǎng)景,在收發(fā)天線距離比較近的時(shí)候,均方根時(shí)延擴(kuò)展達(dá)到5~10 ns,而隨著距離的增加,均方根時(shí)延擴(kuò)展逐漸減小,距離與均方根時(shí)延擴(kuò)展呈現(xiàn)反比關(guān)系。這種現(xiàn)象符合隧道傳播環(huán)境特點(diǎn),隨著距離的增加,主要反射徑與直射徑之間的距離差變小,由此帶來(lái)的多徑時(shí)延差和相位差減小,多徑效應(yīng)減弱。從波模理論也可對(duì)這種現(xiàn)象作出解釋,當(dāng)收發(fā)天線距離較近時(shí),存在多種模式的電波,隨著收發(fā)天線距離的增加,波導(dǎo)效應(yīng)顯現(xiàn),大量高階模式迅速衰減,最后將只有基礎(chǔ)模式存在,因此均方根時(shí)延擴(kuò)展會(huì)變得越來(lái)越小[18]。對(duì)于隧道有列車存在的場(chǎng)景,結(jié)果出現(xiàn)明顯不同;在收發(fā)天線間距小于50 m左右時(shí),有車隧道均方根時(shí)延擴(kuò)展接近空隧道結(jié)果;當(dāng)距離達(dá)到50 m之后,即接收天線處在車前10 m左右及列車內(nèi)部時(shí),由于車體的存在,導(dǎo)致反射徑和散射徑的增加,均方根時(shí)延擴(kuò)展出現(xiàn)劇烈變化,最大時(shí)接近達(dá)到30 ns。

    圖8 2種場(chǎng)景下均方根時(shí)延擴(kuò)展與收發(fā)天線間距的關(guān)系曲線

    中繼覆蓋方式下,1.4和38.0 GHz這2種載頻,不同收發(fā)天線組合,隧道有列車與空隧道的均方根時(shí)延擴(kuò)展變化對(duì)比如圖9所示。計(jì)算不同情況下得到的均方根時(shí)延擴(kuò)展的平均值,結(jié)果見表5。由于仿真隧道環(huán)境比較簡(jiǎn)單,收發(fā)天線周圍散射體并不多,所以載頻1.4 GHz仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[14]測(cè)量結(jié)果相比稍小一些,載頻38.0 GHz時(shí)仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[16]中直隧道場(chǎng)景結(jié)果接近。

    圖9 不同載頻不同收發(fā)天線組合時(shí)5種場(chǎng)景下均方根時(shí)延擴(kuò)展與收發(fā)天線間距的關(guān)系曲線

    對(duì)比圖9仿真結(jié)果和表5不同組合情況的平均值,可以得到以下結(jié)論。

    (1)在空隧道場(chǎng)景、載頻1.4 GHz時(shí),隨著距離的增加,均方根時(shí)延擴(kuò)展均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì),這與直接覆蓋方式得到的結(jié)果一致;發(fā)射天線Tx2與接收天線Rx2的組合結(jié)果略顯例外,均方根時(shí)延擴(kuò)展出現(xiàn)了先增后減的趨勢(shì),這主要是因?yàn)榇藭r(shí)的收發(fā)天線都相對(duì)比較接近隧道墻壁,接收端能夠接收到的高階模式的反射波先增加后減少,隨著距離繼續(xù)增加,高階模式迅速衰減,逐漸只剩下基礎(chǔ)模式[21],所以會(huì)出現(xiàn)先增后減的趨勢(shì);當(dāng)發(fā)射天線位于隧道中心和隧道墻邊的時(shí)候,不同位置接收天線接收信號(hào)的均方根時(shí)延擴(kuò)展呈現(xiàn)逐漸接近的趨勢(shì),但發(fā)射天線選擇隧道頂部位置時(shí),趨勢(shì)明顯要更加緩慢。由此可見,發(fā)射天線越接近隧道中心位置,均方根時(shí)延擴(kuò)展受接收天線位置影響越小。

    表5 均方根時(shí)延擴(kuò)展平均值對(duì)比

    (2)空隧道場(chǎng)景、載頻38.0 GHz時(shí),均方根時(shí)延擴(kuò)展與載頻1.4 GHz時(shí)整體變化趨勢(shì)一致,但值要略小。

    (3)在隧道中有列車、載頻為1.4 GHz時(shí),接收天線Rx1和Rx2位置的均方根時(shí)延擴(kuò)展結(jié)果比空隧道會(huì)有所增加。這主要?dú)w因于列車車體的存在,增加了反射體和散射體數(shù)量,帶來(lái)更多的多徑,導(dǎo)致了時(shí)延擴(kuò)展的增加。隨著距離的增加,高階模式衰減,模式數(shù)目減小,加上距離增加之后射線路徑差更小,多徑時(shí)延彼此更加接近,多徑效應(yīng)開始減弱,均方根時(shí)延擴(kuò)展逐漸減小。

    (4)在隧道中有列車、載頻為38.0 GHz時(shí),位于列車車頭頂部位置的接收天線Rx2的時(shí)延擴(kuò)展要比Rx1位置的小,這要?dú)w因于其比較接近隧道壁。接收天線Rx2位置的均方根時(shí)延擴(kuò)展出現(xiàn)明顯不同,車體的存在造成均方根時(shí)延擴(kuò)展劇烈變化,平均值也要遠(yuǎn)大于空隧道。出現(xiàn)這種現(xiàn)象,主要是因?yàn)榻邮仗炀€Rx2位于列車車頭頂部位置,介于車體與隧道壁之間,且接近車體棱邊,發(fā)射天線選擇定向天線,接收天線Rx2位置不存在直射路徑,電磁波衰減比較快,隨著距離的增加,高階反射徑、散射徑逐漸對(duì)時(shí)延擴(kuò)展起主要作用,車體的加入,會(huì)帶來(lái)更豐富的多徑,均方根時(shí)延擴(kuò)展也會(huì)變得更大。接收天線Rx1位置雖然也近車廂,但位于隧道中間、車頭中部位置,而車體和車窗玻璃設(shè)置的粗糙度是0,所以散射徑不會(huì)像Rx2位置豐富,均方根時(shí)延擴(kuò)展變化自然會(huì)存在差距。

    4 結(jié) 論

    (1)采用直接覆蓋通信方式時(shí),列車車體對(duì)傳播環(huán)境的惡化嚴(yán)重。隧道中加入列車車體之后,位于車體內(nèi)部的接收天線較空隧道、相同位置時(shí)的路徑損耗急劇增加,平均高出30 dB左右,均方根時(shí)延擴(kuò)展出現(xiàn)劇烈變化,最大時(shí)接近達(dá)到30 ns。位于車體外部的接收天線較空隧道、相同位置時(shí)的路徑損耗和均方根時(shí)延擴(kuò)展稍有增加。

    (2)采用中繼覆蓋通信方式、空隧道、載頻為1.4 GHz時(shí),發(fā)射天線越接近隧道中心位置,路徑損耗對(duì)接收天線位置會(huì)越敏感,均方根時(shí)延擴(kuò)展受接收天線位置影響越小。載頻38.0 GHz時(shí),發(fā)射天線位置選定后,接收天線位置的選擇對(duì)路徑損耗和均方根時(shí)延擴(kuò)展影響變小。

    (3)采用中繼覆蓋通信方式、隧道中有列車時(shí),2種載頻,列車車體對(duì)于路徑損耗的影響都不明顯,載頻1.4 GHz時(shí)的路徑損耗比載頻38.0 GHz時(shí)要小30 dB左右,而對(duì)于均方根時(shí)延擴(kuò)展,載頻38.0 GHz時(shí),不同位置的接收天線設(shè)置對(duì)結(jié)果影響很大,說明38.0 GHz毫米波信號(hào)更容易受隧道內(nèi)散射物的影響,形成角度更豐富的多徑。當(dāng)載頻為1.4 GHz時(shí),收發(fā)天線分別設(shè)置在車頭中部和隧道墻邊位置路徑損耗相對(duì)較小,均方根時(shí)延擴(kuò)展亦不大。當(dāng)載頻為38.0 GHz時(shí),發(fā)射天線設(shè)置在隧道頂部或者墻邊均可,接收天線設(shè)置在車頭中部位置路徑損耗和均方根時(shí)延擴(kuò)展最小。

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