隧道場(chǎng)景列車車體對(duì)無(wú)線電波傳播的影響

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。