隧道施工裝備信道研究與測量技術(shù)

文｜高陽 崔平

隨著城市軌道交通蓬勃發(fā)展，城市隧道施工工程建設(shè)也呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長。隧道狹窄環(huán)境中的施工裝備通信信道研究近年來也得到了廣泛關(guān)注。狹窄場景下的施工裝備無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模日益擴大，其特殊的無線信道傳播環(huán)境，造成了復(fù)雜的多模態(tài)通信傳播形式，為保證其高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及通信容量和速率的最大化，對其無線傳播信道的特性分析、測試及模型構(gòu)建尤為重要。本文深入分析當前狹窄隧道場景下施工裝備無線傳播信道的復(fù)雜特性，通過理論仿真與實測驗證相結(jié)合的方式，并針對無線信道的建模和驗證方法進行了研究，結(jié)合實測數(shù)據(jù)進一步驗證模型的適用性，從而為狹窄場景下施工裝備無線通信網(wǎng)絡(luò)的部署與優(yōu)化提供重要的理論依據(jù)。

一、引言

隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，城市中的隧道交通它在發(fā)揮縮短行車里程、提高交通效益作用的同時，對于優(yōu)化城市路網(wǎng)、改善道路通行條件等方面將給城市建設(shè)帶來更大的社會效益。社會即將步入萬物互聯(lián)，移動通信技術(shù)也將達到更高的層面，除了支持移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，還將解決施工裝備海量無線通信需求，特別是極大促進移動裝備無線通信領(lǐng)域的發(fā)展。當前多天線技術(shù)、協(xié)同中繼、多點協(xié)作、分布式傳輸?shù)认冗M通信技術(shù)成為提高無線通信系統(tǒng)性能的重要手段，但同時也為狹窄場景下施工裝備復(fù)雜組態(tài)通信的無線信道分析研究與建模測試帶來了新的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對該挑戰(zhàn)，本文總結(jié)了一套隧道信道建模與驗證方案。

二、隧道信道建模特點

狹窄城市隧道場景下移動施工裝備無線信道尤其獨特的理論分析方法，例如，構(gòu)建幾何仿真信道模型，開展實際或模擬環(huán)境中的信道測試，結(jié)合高精度信道參數(shù)分析，驗證理論模型，并得到參數(shù)化的統(tǒng)計信道模型，同時也需要針對實際的無線通信機制進行更為有效的模型驗證。當前，針對狹窄隧道場景下無線傳播信道研究中現(xiàn)存的不足和問題，以及無線傳播信道模型研究中的問題，主要研究熱點包括：

（1）狹窄隧道場景下移動施工裝備無線傳播信道的特征設(shè)定、分析方法與建模方式的研究。通過反射面方向的統(tǒng)計特征，來確定散射體在三維空間分布，進而構(gòu)建參數(shù)化的傳播模型，擴展了新型的幾何建模方法。

（2）狹窄隧道場景下移動施工裝備分布式協(xié)同中繼的復(fù)雜組態(tài)分析與模型構(gòu)建研究。

（3）狹窄隧道場景下分布式多鏈路相關(guān)性分析與組網(wǎng)干擾特性的研究。

（4）狹窄隧道場景內(nèi)無線傳播信道的寬帶細致特征研究。

（5）無線信道仿真評估平臺及測試驗證平臺的方法研究與原型構(gòu)建。

上述研究內(nèi)容對于隧道工況下通信設(shè)備的部署有重要指導(dǎo)意義。

三、隧道施工裝備信道建模方法

隧道工況下，信道建模需要采用理論分析與實測驗證相結(jié)合的技術(shù)路線。

理論分析建模方面，針對當前隧道施工的通信業(yè)務(wù)需求，須對分布式傳播信道、協(xié)同中繼信道、移動工業(yè)裝備內(nèi)接入信道以及狹窄場景內(nèi)CoMP信道等進行具體分析，首先基于傳播環(huán)境、運行狀況、電波傳播模式以及散射產(chǎn)生機理等方面的假設(shè)，以參數(shù)化的形式得出信道特征的統(tǒng)計描述和模型，并進行基于幾何建模的典型場景仿真分析；并開展實際測試，在真實或接近真實的狹窄場景環(huán)境中，采集寬帶信道響應(yīng)，并利用基于高精度估計算法（如SAGE）的信道超參數(shù)和分量參數(shù)提取方法，對測試數(shù)據(jù)進行分析，利用得到的估計參數(shù)樣本提取信道的實測統(tǒng)計模型。理論模型和實測輔助經(jīng)過相互驗證和融合，最終得到適用于狹窄場景下無線通信系統(tǒng)仿真的隨機信道模型。

（一）仿真建模技術(shù)

采用3GPP信道模擬工具包仿真如下過程，產(chǎn)生信道環(huán)境：①提高信道采樣頻率，模擬電控“掃描”式空間測試技術(shù)。利用電控波束掃描微帶漏波天線，對空間信道進行“掃描”式測量。該天線是基于左右手復(fù)合傳輸線的電控波束掃描微帶漏波天線，其主波束從前向到后向可發(fā)生較大角度的連續(xù)掃描。結(jié)合天線伺服控制系統(tǒng)，該天線可在空間形成精度可調(diào)、配置靈活的虛擬陣列。使用這種電控波束掃描天線進行信道測量的優(yōu)勢非常明顯：首先，傳統(tǒng)物理天線陣列中振子間耦合可以完全避免，傳播信道的特征因而和測試系統(tǒng)的特性實現(xiàn)有效地分離；其次，由于采用的是電控掃描模式，不需要傳統(tǒng)的高速射頻開關(guān)在實際天線振子間進行物理切換，因而大大增加信道測試頻率，保證測試間隔滿足信道相干條件的限制，這對于實現(xiàn)高速移動或時變信道的測量有重要的意義；再者，由于天線的波束很窄，可以對信道的空間特性以類似雷達掃描的探測方式，因而大大降低信道處理的復(fù)雜度。

（二）信道模型驗證技術(shù)

可用電控波束掃描微帶漏波天線構(gòu)成多種類型的虛擬天線陣列，具體方式有如下幾種可能：虛擬環(huán)形天線陣列。保持天線的位置不變，固定其工作頻率，通過天線伺服控制系統(tǒng)，控制其主瓣方向在水平角度上作連續(xù)掃描。虛擬線性天線陣列。天線的位置在天線伺服系統(tǒng)的控制下，在不同時刻線性排列，排列位置之間的距離需要預(yù)先設(shè)定，最小的距離不大于載波波長的1/2。 保持天線的工作頻率和其主瓣的方向不變，主瓣的寬度可適當加寬。虛擬平面天線陣列。虛擬天線的位置分布在一個平面上。為了對平面一側(cè)的信道進行估計，需要將天線的主瓣面向同一側(cè)。虛擬立體布局的天線陣列。虛擬天線的位置可按照預(yù)先設(shè)定的布局，形成多種類型的空間天線陣列。

四、實驗結(jié)果

首先利用3GPP仿真工具包對信道參數(shù)進行了建模，然后利用實測設(shè)備進行了測量。建模過程中，將狹窄場景劃分為兩個典型組成部分，即定點中繼環(huán)境和持續(xù)運行環(huán)境，分別無線傳播環(huán)境進行理論建模分析，統(tǒng)計信道在這兩種典型環(huán)境下傳播的特征規(guī)律，如多徑數(shù)目、衰落特性等，建立具有統(tǒng)計特性的信道模型。

測試設(shè)備中的收發(fā)機設(shè)計采用二次變頻，一本振和二本振均由安捷E4438C矢量信號發(fā)生器提供，基帶輸出經(jīng)由高速A/D采集卡存儲于磁盤陣列中，采集卡通過CPCI總線與工控機相連，整個數(shù)據(jù)后處理與分析過程在工控機上完成，處理環(huán)境為MatLab平臺。利用HJ5418 GPS銣原子鐘為系統(tǒng)提供高精度時間頻率參考標準(10MHz/+12dBm)，實現(xiàn)與收發(fā)機之間的同步。測試結(jié)果能夠與理論模型基本吻合。

研究結(jié)果表明，在隧道裝備信道建模中，統(tǒng)計性模型的優(yōu)點在于模型的復(fù)雜度較低，具有較好的通用性。且模型和測試結(jié)果基本吻合，可以指導(dǎo)通信裝備的部署，優(yōu)化隧道通信網(wǎng)絡(luò)。

五、結(jié)語

本文深入分析了當前狹窄隧道場景下施工裝備無線傳播信道的復(fù)雜特性，結(jié)合信道研究領(lǐng)域的成果，總結(jié)了一套較為完善的狹窄場景下施工裝備無線信道理論分析方法及驗證技術(shù)方案。通過構(gòu)建幾何仿真信道模型，并開展實際或模擬環(huán)境中的信道測試，結(jié)合高精度信道參數(shù)分析，驗證理論模型，并得到參數(shù)化的統(tǒng)計信道模型，對隧道環(huán)境下的施工設(shè)備組網(wǎng)具有指導(dǎo)意義。