地鐵隧道1.8 GHz 無線信號覆蓋方案研究

朱淇惠，劉凱旋，董 澤

（北京交通大學電子信息工程學院，北京 100044）

1 無線信號覆蓋技術研究

1.1 泄漏電纜鏈路預算

泄漏電纜是一種傳導電磁波的器件，通過使用同軸電纜開槽外導體向外輻射電磁波來實現(xiàn)無線通信聯(lián)絡的目的。使用泄漏電纜的隧道中，接收機的接收功率為[1]：

式中，Pt為信源發(fā)射功率（dBm）；Pr為接收機接收功率（dBm）；L1為各種接頭總體損耗（dB）；L2為功分器損耗（dB）；LT為泄漏電纜傳輸損耗（dB）；Lc為泄漏電纜標準測距（2 m）下的耦合損耗（dB）；G為寬度因子（dB）。

1.2 基于射線跟蹤法的分布式天線功率計算

分布式天線系統(tǒng)（Distributed Antenna System，DAS）是指發(fā)射天線分布于不同的物理位置、接收天線分布于相同或不同的物理位置均可的天線系統(tǒng)。

基于射線跟蹤仿真技術計算分布式天線功率的方法如下：ri為從發(fā)射機到接收機的第i條多徑（本文中考慮直射徑、反射徑、散射徑），第ri條多徑的接收功率與電場強度的關系為：

考慮分布式天線功率疊加時，需將各個天線在該點的場強進行矢量疊加，設N為分布式天線總個數(shù)，第k個發(fā)射天線的天線增益為Ek為第k個發(fā)射天線所有多徑的合場強，分布式天線的合成總場強經(jīng)疊加如下：

本次研究基于CloudRT 平臺進行，用戶可通過http：//www.raytracer.cloud/進行訪問。

2 模型構(gòu)建與仿真配置

2.1 隧道場景與列車模型構(gòu)建

圖1 列車三維模型圖

2.2 泄漏電纜和分布式天線的鋪設方案

紹興地鐵2 號線鋪設泄漏電纜的方案為在隧道500m、1000m、1500m、2000m、2500m 處通過功分器連接兩條長度為500m 的泄漏電纜。

紹興地鐵2號線鋪設分布式天線的方案，將分別對分布式天線間隔為300m、375m、500m、600m、750m、1000m 時進行射線跟蹤仿真，以確定分布式天線的最佳鋪設間隔距離。

2.3 仿真參數(shù)配置

泄漏電纜仿真參數(shù)配置為：仿真頻率為1.8 GHz，信源發(fā)射功率為40 dBm，傳輸損耗為2.8 dB/100m，耦合損耗為65 dB，泄漏電纜位置為（0 -3000m，5.07m，4.25m），接收天線位置為（0 -3000m，6.50m，1.70m），接收機與泄漏電纜徑向距離為2.92m，各種接頭總體損耗1 dB，功分器損耗為3.5 dB（單個）。

分布式天線仿真參數(shù)配置為：仿真頻率為1.8 GHz，帶寬為20mHz，頻點數(shù)為2000，收發(fā)天線類型為全向天線垂直極化，發(fā)射天線功率23 dBm，收發(fā)天線增益3 dBi，發(fā)射天線位置位于（0 -3000m，4.92m，4.50m），接收天線位置位于（0 -3000m，6.50m，1.70m），采用直射、1-5階反射、散射的傳播機理。

3 仿真結(jié)果分析

紹興2號線地鐵接收機隨列車沿隧道移動時進行仿真，將隧道內(nèi)安裝500m 間隔分布式天線時和安裝泄漏電纜時接收機的接收功率情況進行對比。安裝泄漏電纜時信號覆蓋更均勻地集中于-55～ -40 dBm 之間；而安裝分布式天線時，均勻性較差，在靠近隧道出口處會出現(xiàn)信號衰落，這是由于列車已駛過的發(fā)射天線在車體阻擋下，其信號無法到達接收機，此時接收機只能接受出口處一個發(fā)射天線的信號，因此會存在信號衰落，但是采用分布式天線仍能滿足接收機-70 dBm 的接收信號門限值要求。

為進一步確定分布式天線優(yōu)于泄漏電纜的最小分布間隔，對仿真結(jié)果作進一步處理。以分布式天線間隔500m 為例，如圖2所示，陰影區(qū)域內(nèi)分布式天線接收功率明顯優(yōu)于泄漏電纜，其距離總長度約為1520m，占隧道總長度50.7%。

圖2 500m間隔分布式天線優(yōu)于泄漏電纜的區(qū)段分布

對1000m、750m、600m、375m、300m 間隔的分布式天線作同樣處理，將處理數(shù)據(jù)匯總為表1。

表1 不同間隔分布式天線接收功率優(yōu)于泄漏電纜占比

由表1可知，當分布式天線間隔小于500 m 時，分布式天線接收功率情況在超過一半的路段均優(yōu)于泄漏電纜，因此可以得到在直隧道中分布式天線代替漏纜的組網(wǎng)方案，即將分布式天線的安裝間隔控制在500 m 之內(nèi)，即可滿足。

4 結(jié)束語

本文對1.8 GHz 下地鐵隧道內(nèi)泄漏電纜與分布式天線的電波傳播特性進行仿真，并進行精確的網(wǎng)絡規(guī)劃。由仿真結(jié)果可知：

（1）從信號均勻性看，泄漏電纜接收功率較為均勻，分布式天線在隧道末端信號均勻性較差。

（2）從是否滿足接收信號最低門限要求看，泄漏電纜和分布式天線都滿足要求。

（3）從信號覆蓋情況的較優(yōu)段占比來看，分布式天線安裝間隔低于500 m 時，接收功率整體情況優(yōu)于泄漏電纜，可以考慮用分布式天線代替泄漏電纜。