地鐵站環(huán)境下水平與垂直移動的通信信號特性研究

陳劍培

(1.云南民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院信息工程系，云南 昆明 650500；2.云南大學(xué) 信息學(xué)院， 云南 昆明 650500)

為了緩減與城市發(fā)展相伴出現(xiàn)的地面交通壓力，各大城市的軌道交通系統(tǒng)建設(shè)也突飛猛進.截至2019年7月，中國開通地鐵的城市已經(jīng)達到43個，而昆明地鐵到2020年11月，已開通了5條交通路線，有效緩減了昆明市的交通壓力.

隨著地鐵的發(fā)展，移動通信的發(fā)展也成為城市建設(shè)的重點工程.目前廣泛采用直放站或基站接入，在車站站臺區(qū)域設(shè)置天饋系統(tǒng)的方案，然而，地鐵移動通信并不完善，仍面臨通信質(zhì)量差、建設(shè)費用高等難題[1].國內(nèi)外對地鐵移動通信的研究也炙手可熱，其中北京交通大學(xué)陶成教授團隊的相關(guān)研究較多.文獻[2]對地鐵環(huán)境下的站廳、站臺以及隧道環(huán)境下通信系統(tǒng)的設(shè)計以及信號的覆蓋進行了研究.文獻[3]對地鐵隧道信號進行了建模研究，采用了射線跟蹤、模態(tài)理論和經(jīng)驗?zāi)Ｐ?文獻[4]同樣采用基于射線跟蹤法的鏡像法建立信道模型，并研究了地下隧道環(huán)境下的大尺度衰落和小尺度衰落.文獻[5]對特定頻段下地鐵隧道環(huán)境的路徑損耗進行分析，研究隧道斷面類型，收發(fā)位置，斷面面積和天線的極化對路徑損耗特性的影響.越區(qū)切換模型很早就被應(yīng)用于了民用無線通信系統(tǒng)中，尤其是對車站站內(nèi)和站外的越區(qū)切換，具有高于接收信號強度閾值的平滑切換區(qū)域是決定越區(qū)切換成功的關(guān)鍵[6-7].

但地鐵環(huán)境的一些特殊區(qū)域的信號特性研究卻很少，如地鐵站的站臺、站廳和地鐵出入口等環(huán)境.由于越區(qū)切換頻繁和依靠地面通信網(wǎng)絡(luò)，使得這些特殊區(qū)域的信號質(zhì)量弱.本文以昆明地鐵為例，對地鐵站中垂直和水平移動下的通信信號特性進行了研究.首先在地鐵環(huán)境下對地鐵站外、售票站廳和乘車站臺等環(huán)境的水平與垂直移動時的接收功率進行測量，然后采用對數(shù)正態(tài)陰影模型、越區(qū)切換和建筑物分隔損耗模型對通信信號進行建模仿真.

1 傳播相關(guān)理論

1.1 對數(shù)正態(tài)陰影模型

對數(shù)正態(tài)陰影模型在對數(shù)距離路徑損耗模型的基礎(chǔ)上，考慮了在接發(fā)雙方距離相同的環(huán)境下，不同位置的周圍環(huán)境差別非常大，導(dǎo)致測試信號與預(yù)測的平均結(jié)果存在很大差異而建立的模型.某一距離發(fā)射機d處的接收功率的路徑損耗服從隨機正態(tài)分布[8]，即：

(1)

Pr(d)=Pt-PL(d).

(2)

1.2 建筑物分隔損耗

建筑物的樓層間的損耗由建筑物外部面積和材料以及建造樓層和外部環(huán)境確定的建筑物類型決定，甚至建筑物窗口的數(shù)量和外在的顏色(會衰減無線電波的能量)也會對其產(chǎn)生影響.研究學(xué)者使用衰減因子(FAF)來描述分隔損耗對信號傳播帶來的影響[8].

1.3 越區(qū)切換

切換是指當(dāng)移動終端在通話期間從一個小區(qū)進入另一個小區(qū)時，將呼叫在其進程中從一個無線信道轉(zhuǎn)換到另一個信道的過程，是移動終端系統(tǒng)中移動性管理的基本內(nèi)容之一，也是實現(xiàn)移動通信的必要條件.

2 數(shù)據(jù)測試

測試工具采用一款手機軟件——信號管家，該軟件可測手機信號強度，并有信號分時圖清楚顯示信號強弱，簡單易操作，且與頻譜儀比較，精度可以保證大尺度衰落下的通信信號功率測量.測試路線為昆明市呈貢區(qū)地鐵1號線的大學(xué)城南站環(huán)境.為了研究地鐵站外、售票站廳和乘車站臺等環(huán)境下終端垂直或水平移動時的通信信號特性，選取了3類測試路線：測試路線1為地鐵站外的水平移動，測試路線2為地鐵站內(nèi)垂直移動，測試路線3為地鐵站內(nèi)(站廳層和站臺層)水平移動.

地鐵站外的水平移動測試路線1：昆明地鐵1號線的大學(xué)城南站出口A，C，D向外的3條路線，其中A、C口的測試路線在云南白藥街，地勢寬闊，遮擋物較少，D口位于欣慧路，在云南開發(fā)大學(xué)側(cè)門附近.測試數(shù)據(jù)如表1.

表1 地鐵站外的測試數(shù)據(jù)

地鐵站內(nèi)垂直移動測試路線2：從地鐵口進入站廳層和從站廳層進入站臺層2個測試.從大學(xué)城南站地鐵口外進入地鐵內(nèi)，沿樓梯向下.從站口到站廳垂直移動時，信號接收功率逐漸減弱后又出現(xiàn)增強的趨勢，符合越區(qū)切換的傳播機制；從站廳到站臺垂直移動時，接收功率變化先降低后上升的趨勢，同樣符合越區(qū)切換.測試數(shù)據(jù)見表2.

表2 地鐵內(nèi)垂直移動的測試數(shù)據(jù)

地鐵站內(nèi)(站廳層和站臺層)水平移動的測試路線3：在站臺和站廳環(huán)境下，選擇同2個環(huán)境下同一個位置為起點測試移動臺接收功率，每隔 5 m 測一個數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)如表3.

表3 地鐵內(nèi)垂直移動的測試數(shù)據(jù)

從表3中可以觀察到，在站廳和站臺的水平移動過程中，在 70 m 以前站廳信號接收功率比站臺好，而 70 m 以后則相反.分析原因，站內(nèi)吸頂天線是呈間隔分布的，在測量的過程中出現(xiàn)了測試信號的越區(qū)切換.

3 地鐵通信信號建模

3.1 對數(shù)正態(tài)陰影模型

對數(shù)正態(tài)陰影模型適合對只存在一個基站覆蓋下的通信信號進行建模.因此采用該模型對大學(xué)城南站室外環(huán)境下A出站口和D出站口的2條測試路線做對數(shù)正態(tài)陰影建模仿真分析.

采用最小均方誤差法，得到A出站口線路的對數(shù)正態(tài)陰影模型為：

(2)

其中Xσ是均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為7.530 9的高斯分布隨機變量.A出站口的接收功率的實測與預(yù)測比較如圖1所示，可以看出實測值跟預(yù)測值相符合，均呈現(xiàn)接收功率隨距離指數(shù)衰減，實測值在預(yù)測值附近上下波動.

圖1 A出站口測試的實測與預(yù)測比較 圖2 D出站口的實測與預(yù)測比較

同樣，采用最小均方誤差法，得到D出站口的對數(shù)正態(tài)陰影模型為：

(3)

其中Xσ是均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為9.289 7的高斯分布隨機變量.D出站口的接收功率的實測與預(yù)測比較如圖2所示，可以看出D出站口的線路接收功率的實測值與預(yù)測值也相符，但其波動比A出站口要大，從標(biāo)準(zhǔn)差上也能看出.

3.2 越區(qū)切換建模

站內(nèi)小區(qū)與室外小區(qū)之間的切換主要發(fā)生在地鐵站口附近，在乘客乘坐自動扶梯或步行進出地鐵車站時.本文對C出站口到站廳的接收功率數(shù)據(jù)進行了越區(qū)切換建模，建模結(jié)果如圖3所示.

圖3 室外到站廳越區(qū)切換仿真 圖4 站臺、站廳仿真結(jié)果

可以看出，行人在進入地鐵后在5～7 m 的位置完成切換，而此時切換的接收功率閾值為 -90 dBm，比運營商要求的覆蓋信號最低閾值 -95 dBm 高 5 dB，說明基站的規(guī)劃合理，覆蓋無縫隙.

3.3 地鐵室內(nèi)分隔損耗研究

利用分隔損耗來研究信號在地鐵站廳層與站臺層環(huán)境下的傳播特性，站廳層的信號會受到站臺層的覆蓋小區(qū)影響，站臺層也是如此.受到墻體、混凝土等障礙物的分隔損耗，以及來自地鐵列車隧道泄露電纜的影響，使信號接收功率變得非常復(fù)雜.

圖4是站臺、站廳的接收功率測試結(jié)果.在垂直位置相同時，由于站廳層和站臺層處于不同建筑樓層，其接收功率呈現(xiàn)不同的情況：1) 測試距離為0～9 m 和57～100 m 2個距離段內(nèi)，站臺層接收功率高于站廳層，說明室內(nèi)信源(即吸頂天線)放置在站臺層；2) 測試距離為9～57 m 時，站廳層的接收功率高于站臺層，說明信源放置在站廳層.因此，將站臺、站廳層的信號覆蓋情況劃分為3部分(圖4中用紅色虛線分隔)：小區(qū)1、小區(qū)2和小區(qū)3.可以看出在站臺和站廳環(huán)境中，室內(nèi)信源，即吸頂天線采用站臺-站廳-站臺間隔分布的方式，從而來達到覆蓋兩樓層的效果.

(4)

式中xn為第n個測試位置是移動臺在站臺的接收功率測試值，為第n個測試位置是移動臺在站廳的接收功率測試值，測試數(shù)據(jù)共21組.

4 結(jié)語

地鐵通信信號的建模研究是無線通信信號特性研究的重要組成部分，本文對地鐵站環(huán)境下的3種典型環(huán)境進行了水平和垂直移動通信信號測量、建模仿真.通過對測試數(shù)據(jù)的分析，分別采用對數(shù)正態(tài)陰影模型、越區(qū)切換和分隔損耗對地鐵站內(nèi)外的通信信號進行建模，仿真結(jié)果表明，模型可以較好地描述測試環(huán)境下的無線通信傳播特性，為地鐵站環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供了理論和預(yù)測支持.