基于CBTC地铁隧道车-地无线信道的建模与仿真

基于CBTC地铁隧道车-地无线信道的建模与仿真
米根锁;罗耀云;孔德龙
【摘要】根据隧道几何尺寸计算出无线电波在隧道中的截止频率，利用路径损耗和多径衰落进行地铁矩形隧道中无线信道的建模，对矩形隧道损耗衰落信道进行仿真，得出存在直射路径和不存在直射路径时的接收点接收信号的电平包络，仿真结果表明AP间隔距离为400 m时，接收强度大于-70 dBm，满足技术要
求。

%Based on the tunnel geometry size, this paper calculates the cutoff frequency of the radio waves in the tunnel, then uses radio wave propagation path loss and multi-path fading modeling in subway tunnel, and makes a simulation of loss and fading channel for rectangular tunnel. In the end, it concludes that there is a direct path and there is not direct path for receiver signal level of the envelope. The simulation result shows that the received signal intensity is greater than-70 dBm when the AP distance is 400 meters. This conforms to the technical requirements.
【期刊名称】《计算机工程与应用》
【年(卷),期】2013(000)018
【总页数】4页(P249-252)
【关键词】基于通信的列车控制(CBTC);车-地通信;无线信道;路径损耗模型;多径衰落模型
【作者】米根锁;罗耀云;孔德龙
【作者单位】兰州交通大学自动化与电气工程学院,兰州,730070;兰州交通大学自动化与电气工程学院,兰州,730070;兰州交通大学自动化与电气工程学院,兰
州,730070
【正文语种】中文
【中图分类】TN91
近年来，由于各大城市交通的需要，大量地兴建地铁。

城市中地铁列车大多数在隧道中运行，隧道中环境复杂，此环境下无线信道与地面的无线信道有所区别，对地铁无线车-地通信提出了新的要求[1-2]。

长期以来，地铁无线信道的传播特性是地铁车-地通信网络规划和覆盖范围预测的重要研究内容。

无线信道的优劣直接影响
地铁车-地无线通信的质量，所以分析地铁中隧道环境下的车-地无线通信信道特性，仿真列车不同速度下的衰落特性，可为地铁隧道中无线接入点的布置提供设计依据。

近些年来研究者们致力于研究无线信道的特性，目前完善的适用于地铁隧道的无线信道传播模型还没有建立。

文献[3]提出了服从莱斯分布的宽带信道统计模型，对
空直隧道中无线信道进行仿真。

没有考虑隧道存在弯道的情况。

文献[4]利用射线
跟踪技术建立了电波在矩形隧道中的多径预测模型，但是不能预测定点的电平强度。

CBTC（Communication-Based Train Control，基于通信的列车控制）系统采
用高精度的列车定位，并连续双向大容量地传递车-地通信数据，对列车实现连续
自动控制。

CBTC系统利用无线移动信道传递车-地通信数据[5]。

通过仿真与CBTC信道特点相符的信道模型，分析车-地通信的通信质量，可提高无线信道传
递数据的可靠性。

本文主要分析地铁隧道中基于2.4 GHz的无线局域网的无线信道。

在CBTC系统中，车载设备将位置信息通过无线局域网的无线信道发送到ZC （Zone Controller，轨旁区域控制器），ZC负责追踪线路所有的列车并为列车
计算移动授权，形成列车的移动闭塞区间，并防止任何其他列车进入[6-7]。

图1
是CBTC系统车-地通信的基本结构原理。

图中AP（Access Point，无线接入点）与车载设备的通信是靠无线局域网实现。

无线局域网是指以无线信道作为传输介质的局域网，它是相当便利的数据传输系统，取代双绞铜线所构成的局域网络，具有以下几大特点：具有抗干扰性强、安全性能强、移动性高、吞吐量大、扩展能力强、建网容易、管理方便、开发运营成本低、受灾害影响较小。

在城市中地铁列车大多数的情况下都运行在地下的隧道中。

理论上可以认为隧道是一个超大尺寸的非理想波导，频率高于其截止频率的电磁波才可以传播。

目前通信采用的频段远高于几十兆赫兹，这个频段的信号在隧道中传播时必为多模传播，各个模式损耗与其阶数的平方成正比。

实际应用中，有圆形、矩形和拱形这些不同类型的隧道横截面，其面积的大小也不相同，隧道的这些特性在很大程度上都影响着电磁波在隧道中的传播特性，考虑矩形隧道横截面这一情况，隧道的截止频率如式（1）所示[8-9]。

其中，c是光速，a是隧道的宽，b是隧道的高，m′和n′为0、1、2、3、…（m′
和n′不可同时为0，两者均为波模的阶次）。

选取上海地铁某号线隧道为研究地点，宽为6.8 m，高为5.2 m，由式（1）计算
可得隧道的截止频率约为几十兆赫兹。

故2.4 GHz的电磁波可在此隧道中传播。

3.1 矩形隧道路径损耗模型
在实际的应用中，为了使问题简化，在近似情况下，隧道可以认为是规则矩形。

利用Fresnel区域理论，可将隧道分为近区和远区两个部分，近区和远区两个部分的分界点由式（2）可以计算，即
其中，λ是波长。

由式（2）计算可得2.4 GHz电磁波在此隧道的边界为370 m。

则在地铁隧道中，
距发射天线的距离小于370 m的部分属于近区，而大于这一距离的部分属于远区。

在近区电波的传播模型和自由空间中的传播模型相同，在远区电波的传播模型利用波导传播模型。

当电波的波长远小于隧道横截面的几何尺寸时，就假想为电波像光线一样在隧道中传播，利用射线跟踪的方法确定多径信道中每一条路径。

接收信号由N条射线组成，其中包括直射路径、隧道四壁反射来的各次射线（每一侧壁均有Μ条路径），则N=4Μ+1。

隧道空间传输损耗如式（3）所示[10-11]。

其中，PL是传输损耗（单位dB），k是衰减因子（隧道环境取值为1.8），L是
传播距离（单位km），f是工作频率（单位MHz）。

3.2 矩形隧道小尺度衰落模型
假设s(t)为发射信号，信道建模为线性时变系统，并且具有低通等效响应特性
c(τn(t)，t)。

多径效应导致输出信号y(t)是多个衰落和延迟的输入信号之和[12-13]，则：
其中，an(t)是在t时刻第n条路径的接收信号的衰减系数，τn(t)是在t时刻第n
条路径的延迟。

根据上述的分析，由于信道的多径衰落，则接收信号的模型可以表示为R(t)。

接收信号是不同路径信号之和，由中心极限定理可知R(t)是时间t的复高斯过程，任意时刻概率密度函数的实部和虚部都是高斯的。

由于隧道内部隧道壁对信号的屏蔽、吸收和散射，导致信号多径衰落严重。

隧道中弯道的存在，导致电磁波在传播过程中不存在直射路径，即可以简化为瑞利衰落过程。

设为正态随机过程，即模型中用有限个正弦波叠加来逼近正态随机过程，利用改进型Jakes仿真原理对瑞利信道进行仿真，新的正弦波叠加统计仿真模型的标准化
低通衰落过程描述如下：
其中，ωc是载波角频率，ωm是最大多普勒频移，αn是第n条路径的到达角，
λc是载波波长，v是列车的速度。

θ，φ，ψn所对应的n是在[-π，π)上均匀分布的独立随机变量。

由于引入的三个随机变量θ，φ，ψn都具有随机性，减小了同一路径内同相分量和正交分量的相关性，更能体现信道的多径随机特性。

4.1 矩形隧道信道仿真
选取上海地铁某号线隧道为仿真地点，隧道宽为6.8 m，高为5.2 m，隧道中有弯道存在。

利用式（3）和式（5）建立模型并进行编程仿真，分别取列车移动速度30 km/h，80 km/h，120 km/h，其中80 km/h为列车通常运行速度，120 km/h为列车最大运行速度。

仿真时AP的间隔取400 m，发射功率为30 dBm，工作频率为2.4 GHz，仿真所得如图2～5所示。

4.2 仿真结果分析
图2～4各图中（a）为不存在直射路径时的接收信号包络，（b）为存在直射路径时的接收信号包络。

将图中仿真结果与文献[14-15]中的现场测试值进行对比，现场400 m处所测得的电平强度为－55 dBm，仿真图中不存在直射路径时接收电平强度在－50 dBm上下波动，且略高于测试结果。

故建模仿真过程符合隧道环境下的信道特性。

从图中可以得出隧道中多径传播时不存在直射路径接收电平强度要低于存在直射路径接收电平强度。

当设置AP间隔400 m，发射功率30 dBm，根据地铁信号系统信号设备性能指标要求，此时信号强度要大于等于－70 dBm，才能满足无线系统通信需求[15]。

图2～4中（a）（b）仿真结果可以看出不存在直射路径和存在直射路径接收信号强度都满足信号设备的接收要求。

图2～4通过对比，可以得知列车移动速度越快，衰落越严重。

这是由于工作频率2.4 GHz时，当v=30 km/h，多普勒频移为66.67 Hz；当v=80 km/h，多普勒频移为177.78 Hz；当v=120 km/h，多普勒频移为266.68 Hz。

由此可知速度
越快多普勒频移越大，造成小尺度衰落越严重。

图5中可以看出离发射点越近，损耗速率越大；发射点越远，损耗速率越小。

但
总体离发射点越远损耗越大。

这是由于在近区，隧道壁对波的反射次数多，每次路径短，剧烈而频繁，被外界吸收的能量多，故损耗速率大。

通过仿真可以得出400 m处的信号强度能够满足通信要求。

为了在某一AP意外
故障的情况下，仍然能够保证列车的车-地通信，设计地面的AP间隔为200 m左右，这样AP的覆盖范围为两倍的AP间隔。

在隧道弯道处分布间隔应小于200 m，布置时存在直射路径更能提高可靠性。

本文从CBTC的无线通信原理出发，建立了地铁环境下无线局域网的无线信道模型，通过仿真分析得出地铁隧道环境下CBTC系统中2.4 GHz无线局域网无线信
道的衰落特性曲线。

从仿真结果可以看出离AP距离400 m处能够满足地铁信号
设备接收要求。

当列车移动速度越快，造成的多普勒频移越大，导致衰落越大。

为了信息冗余覆盖，应采取200 m左右设置一个AP，弯道处设置距离更短，一般
以存在直射路径为主。

仿真结果定量化地说明了地铁隧道无线信道仿真的必要性，结合地铁隧道环境CBTC通信信道特点，合理设置AP间隔，对隧道中无线信道的覆盖具有重要的指导意义。

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