城市轨道交通车场无线信号覆盖分析

袁 松

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

目前，国内城市轨道交通正处在一个高速发展的特殊时期，专用无线通信作为城市轨道交通正常运营不可缺少的通信支撑系统，起着至关重要的作用，通过它能满足列车司机和控制中心调度员的直接通信，对保证调度及时执行、危险及灾难情况下的紧急处理提供可能。

根据目前国内轨道交通建设的现状，列车调度专用无线系统均采用800 MHz集群频段（上行为 806 ～ 821 MHz，下行为 851 ～ 866 MHz）的TETRA系统，系统设备主要有MOTOROLA的DIMETRA IP和欧洲宇航（EADS）的DXTiP系统。专用无线通信是通过射频无线对列车沿线及车场的全覆盖来保证无线通话的可靠性。

地铁专用无线信号的覆盖主要分为区间、车站和车场（车辆段或停车场）3部分。

地铁区间都是链状区域，其信号覆盖基本是通过漏泄同轴电缆（LCX）进行覆盖，这种覆盖方式简单，信号均匀，可以有效避免信号盲区，保证切换的重叠区；车站的覆盖主要是通过吸顶小天线进行。这两种覆盖方式，覆盖目标距离信号发射点（漏缆及吸顶小天线）的距离比较小，覆盖预测简单，链路计算相对容易。

而车场一般是片状区域，其信号覆盖通常是通过铁塔天线空间波进行覆盖，覆盖距离通常在1 km左右，部分车场还需要考虑出入段线的覆盖，覆盖距离会进一步增大。同时，在车场内有各个单体建筑，通常包括停车列检库、月检库、信号楼、综合楼及司机公寓等，部分大型车场还设有车辆维修基地。因此，车场的覆盖相对来说，比较复杂，需要对空间波覆盖进行详细分析及覆盖预测，进行合理计算，并最终在实测的基础上确认覆盖效果。

1 空间波电波传播损耗的几个主要因素

空间电波传送损耗主要由3方面组成：空间距离引起的路径损耗；时间和地点引起的慢衰落损耗；环境噪声、多径效应引起的快衰落损耗。

1.1 路径损耗

信号幅射源发出的信号在传播过程中，随着信号的发散，在离开信号源一定距离的位置收到的信号功率密度会远远小于信号源处的功率密度，天线接收的信号也会远远小于发射信号强度，在数值上体现出发射和接收信号功率的差值，这个差值就是路径传播损耗。路径损耗受收发天线距离的影响，距离越大、损耗越大。同时，路径损耗还受到信号传播的环境，特别是地形地貌的影响，所以在计算路径损耗时，通常需要确定路径损耗预测模型，根据损耗预测模型进行路径损耗的计算和预测。

1.2 慢衰落

慢衰落是信号场强中值随着时间和地点变化而引起的信号强度的随机变化。

通俗地讲，就是在同一个地点，连续不同时间测试同一信号，得到的信号强度会随机变化；同时，在同一个时间，在无线覆盖区域内的某一个路段上，同时测试同一个信号，得到的信号强度也不相同，表现出一个随机变化的趋势。

通过大量的实测表明，信号随着时间和地点的随机变化服从正态分布。

1.3 快衰落

移动台在通话过程中，会因为环境干扰和多径效应引起信号强度的降低，导致通话质量下降，称之为快衰落。工程上，通常用信号恶化量来概括快衰落对信号质量的影响。

恶化量大小与要求的话音质量关系密切，针对TETRA系统来说，根据国际无线电咨询委员会（CCIR）报告，3级话音质量要求的恶化量通常在5～6 dB之间，4级话音质量要求的恶化量在10～12 dB之间。

2 常用的空间波传输路径损耗预测模型

目前，常用的空间波传输路径损耗预测模型有Okumura-Hata模型及COST-231 Hata模型。

2.1 Okumura-Hata模型

Okumura-Hata模型是根据测试数据统计分析得到的经验公式，在市区，Okumura-Hata经验公式如下。

式中，f是载波频率；hte是发射天线有效高度；hre是接收天线有效高度；d是发射机与接收机之间的距离；a（hre）是移动天线修正因子。

在郊区，Okumura-Hata经验公式修正为：

在农村，Okumura-Hata经验公式修正为：

Okumura-Hata模型其适用频率范围是150 ～1 500 MHz，适用于小区半径大于 1 km 的宏蜂窝系统，移动台有效天线高度在1～10 m之间。

2.2 COST-231 Hata模型

COST-231 Hata模型路径损耗的公式为：

Lm(d)=46.3+33.9 lg f-13.82 lg htea(hre)+(44.9-6.55 lg hte) lg d+CM

式中，CM为大城市中心校正因子。在中等城市和郊区，CM=0 dB ；在市中心，CM=3 dB。

COST-231 Hata模型，其适用频率范围是1 500 ～ 2 300 MHz，适用于小区半径大于 1 km 小于20 km的宏蜂窝系统，移动台有效天线高度在1～10 m 之间。

COST-231 Hata 模型和 Okumura-Hata模型主要的区别在于使用频率范围不同。另外，COST-231 Hata模型还增加了一个大城市中心衰减因子CM，大城市中心地区路径损耗增加3 dB。

3 轨道交通车场信号覆盖预测分析

根据目前各个城市地铁建设情况，车场基本都建设在地面上，且基本都选址在郊区，极少部分大型城市由于线路走向的原因，将车场选址在市区。

城市地铁车场建设通常呈长方形，一般规模在长 1 000 ～ 1 400 m、宽 200 ～ 400 m 之 间。专用无线信号应满足车场的全覆盖和出入段（场）线地面区域（通常200～400 m）的无线覆盖。

车场室外区域一般采用全向天线覆盖，覆盖区域呈圆形面状。

3.1 信号覆盖需要达到的目标

在无线调度网内的通话，话音质量达到三级标准。

信号应满足在95%的时间及地点概率内的可靠通信，即时间地点概率≥95%。

3.2 信号覆盖分析、预测及计算

3.2.1 设备参数及路径损耗允许值计算

1）基站及终端设备接收灵敏度如表1 所示。

表1 基站及终端接受灵敏度

2）基站—车载台、手持台之间的信号链路预算如表2所示。

3）车载台、手持台—基站之间的信号链路预算如表3所示。

表2 下行链路预算

表3 上行链路预算

由以上设备参数计算出的路径损耗中值可以看出，覆盖受限主要是手持台—基站的上行信号覆盖，路径损耗中值不能超过143.5 dB。

4）系统恶化量储备

车场机车动力通常采用牵引供电，存在环境干扰，同时信号的传输过程中也存在多径效应，因此需要考虑系统信号质量的恶化储备量。

根据YD/T 5034-2005《数字集群通信工程设计暂行规定》，在无线调度网内的通话，话音质量达到三级标准的要求，根据CCIR报告，恶化量按5.5 dB 考虑。

5）系统可靠性考虑

由于系统要求在95%的时间及地点概率内可靠通信，即要求信号场强满足95%的时间概率和95%的地点概率。

根据“陆地移动业务传播特性” 国家标准，地点和时间概率分别为95%的信号冗余量V为：V= K(x1)σl+K(x2)σt

由于车场通常处在郊区，且（Δh/λ）≤3 000， σl（dB）取值按下式计算：

σl＝ 6+0.69（Δh/λ）0.5+0.0063（Δh/λ）

其中，Δh为地形不规则度（m），λ为信号波长，车场的地形不规则度一般不大于1 m，集群频段信号波长约为0.3 m。

由此可知 σl=7 dB

根据“陆地移动业务传播特性”国家标准，σt=2 dB。

则覆盖区95%地形、95%时间的电波传播损耗冗余量为：

综合考虑路径损耗中值、系统恶化储备量及系统可靠性，则车场覆盖范围内的信号路径损耗值Lm≤123.3 dB,才能保证在95%时间及地点范围内的可靠无线调度通信。

3.2.2 链路损耗计算

地铁调度无线通信采用的频段范围为上行：806 ～ 821 MHz；下行 ：851 ～ 866 MHz， 采 用Okumura-Hata参考模型进行链路损耗预测计算。

由于车场一般建设在郊区，采用适用于郊区的Okumura-Hata参考模型公式：

Lm=64.15+26.16 lg f-2 [lg(f/28)]2-

13.82 lg (hte)-a(hre)+[44.9-6.55 lg(hte)] lg d

其中，f取 821 MHz；

车载台天线高度，hre=3 m；

手持台天线高度：hre=1 m；

车载台方式 ：a(hre)=3.2 (lg 11.75hre)2-4.97 dB= 2.69

手持台方式 ：a(hre)=3.2 (lg 11.75hre)2-4.97 dB= -1.3

根据相关参数及最大路径损耗值，可以得到一个覆盖距离d和基站天线高度hte的二元相关函数：

13.82 lg(hte)-[44.9-6.55lg(hte)] lg d=10.1（车载台二元函数）               （1）

13.82 lg(hte)-[44.9-6.55lg(hte)] lg d=14.1（手持台二元函数）               （2）

根据上述二元函数,可以得到天线挂高和覆盖距离的对应值,如表4、5所示。

表4 车载台通信（hte、d）

表5 手持台通信（hte、d）

以上预测是在不考虑基站天线分集接收的情况下，通常，为了增强覆盖效果，车场天线均采用3分集接收方式，等效信号场强增益 Gm=10 lg 3 dB= 4.8 dB。

在考虑基站接收天线分集情况下，结合公式（1）、（2）可以得到天线挂高和覆盖距离的二元函数。

13.82 lg(hte)-[44.9-6.55lg(hte)] lg d=5.3（车载台二元函数）               （3）

13.82 lg(hte)-[44.9-6.55lg(hte)] lg d=9.3（手持台二元函数）               （4）

根据上述二元函数可以得到天线挂高和覆盖距离的对应值如表6、7所示。

表6 车载台通信（hte、d）

表7 手持台通信（hte、d）

通过上面相关分析，可以得出如下结论。

1）车场基站应尽量按3分集接收配置。

2）基站下行覆盖半径远大于上述表格中的上行覆盖半径。

3）在室外全向天线挂高30 m时，可以覆盖半径为2.1 km的片状区域，完全满足对车场区域、出入段线的全覆盖，并能保证信号的可靠性。

4）对于大部分车场，天线挂高20 m时，即可满足覆盖要求。

5）车场与出入段线总长不超过1.5 km时，天线挂高15 m即可以满足覆盖要求。

6）对于室外天线设置位置在车场中部区域时，目标覆盖半径通常为1 km左右，天线挂高15 m时完全满足对车场的全覆盖。

7）车场室外天线挂高原则不应超过30 m，对于出入段场线较短，附近存在其他线地面、高架车站及区间的，天线挂高应严格控制。否则，会导致同频干扰。

3.2.3 其他相关事项

上述计算没有考虑车场停车列检库、月检库等室内通信，信号受到库顶、库墙阻挡引起的穿透损耗，因此在实际设计时，在考虑天线挂高的情况下，还得考虑信号穿透建筑单体结构的附加损耗。对于天线挂高受到严格限制的城市，如北京市无线电管理委员会要求市区内车场天线挂高不能超过15 m，为保证库内的可靠通信，通常需要在库内增加光纤直放站来加强对库内无线信号的覆盖。

4 结语

通过选用合适的信号传输损耗模型，对车场无线信号覆盖进行预测，并指导工程设计、天线挂高设置及天线位置选址，也可有效避免因为天线挂高设置的不合理导致的同频干扰。但理论计算仅仅是一种辅助手段，条件许可时，应通过搭建模拟环境来进行验证及修正；在工程实施之后，还应进行实地测试，根据测试结果调整基站参数、天线设置，以达到最优效果。

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