基于衰减因子模型的地铁施工期通信系统设计*

2018-09-27周诚华

城市轨道交通研究 2018年9期

周诚华周俊胡成

(南昌轨道交通集团有限公司，330038，南昌//第一作者，高级工程师)

地铁地下区域机电施工时，由于无公网无线信号覆盖，现场施工人员只能借助对讲机进行短距离通话，不仅通话质量不佳，而且发生突发事件时极难沟通信息，会造成更大的损失。对于此问题，文献[1]提出了基于Okumura-hata模型的通信系统设计方案，文献[2]提出了基于对数路径模型的通信系统设计方案。这两种通信系统设计方案的传播损耗算法不同，适用范围也有相应差异。基于Okumura-hata模型的通信系统适用频段为150～1 500 MHz，覆盖范围为1～20 km；基于对数路径模型的通信系统适用频段为800～2 500 MHz，覆盖范围为0～500 m。而国内运营商信号频段为1 880～2 025 MHz，在地铁站内及隧道区间的覆盖范围约为5 km。因此，上述两种通信系统设计方案均不满足外部条件。本文提出一种基于衰减因子模型的地铁通信系统(以下简为“衰减通信系统”)，适用于地铁施工，是稳定可靠的实时通信系统。

1 衰减通信系统技术方案

1.1 系统概述

衰减通信系统由信源模块、多系统合路平台(POI)模块及天馈系统模块等组成。信源模块包含GSM(全球移动通信)、CDMA(码分多址)、WCDMA(宽带码分多址)制式的无线直放站各1台、3副八木天线，以及UPS(不间断电源)及蓄电池。POI模块包含多个同频合路器、异频合路器和连接线缆等。天馈系统模块包含耦合器、功分器、重发天线、馈线等无源器件。信源模块、POI模块及天馈系统模块相互协同工作，从而实现地铁站台、站厅，以及隧道区间的公网信号覆盖，保证机电施工现场通信畅通。

1.2 基于衰减因子模型的传播损耗算法

传播损耗对于测算手机接收到的信号场强十分重要。现有模型的适用频段和覆盖范围不能满足地铁施工的环境要求。本次研究采用衰减因子模型来分析无线信号的传播损耗。标准的衰减因子模型如式(1)所示[3]。

(1)

式中：

d——天线与手机间的距离；

PL(d) ——从天线发出的信号传播d产生的衰耗；

n——室内传播衰耗因子；

R——穿透损耗，即传播过程中穿透混凝土墙、砖墙、玻璃门等阻隔产生的损耗；

dp——参考距离，一般取值为0.001 km；

PL(dp) ——距离天线dp处的传播损耗。

由于dp非常小，所以按照自由空间传播损耗的定义，以Friis传输公式来计算PL(dp)的值[4]。不考虑天线增益的情况下，Friis传输公式可表述为：

(2)

式中：

Pr——手机接收功率；

Pt——1副天线的发射功率；

λ——波长。

根据式(2)，令λ=c/f(其中，c为光速，取3×108m/s，f为公网信号工作频段)，则可推导出自由空间传播损耗为：

(3)

把式(3)代入式(1)中，即为基于衰减因子模型的传播损耗算法：

(4)

1.3 基于衰减因子的信号场强算法

参照文献[5]，手机接收的信号场强算法表述为:

Pr(d)=Pt—PL(d)+G

(5)

式中：

Pr(d) ——距离天线d处，手机收到的信号场强；

G——天线的增益。

Pt与天馈系统中无源器件的损耗有关，而且，功分器会把无源器件的输出功率进行均分。所以，1副天线某种制式信号的发射功率为：

(6)

式中：

Pi——第i台某种制式直放站的下行输出功率；

N0——某种制式直放站的数量；

α——单个耦合器的插入损耗；

N1——1副天线所在路径中耦合器的个数；

β——单个功分器的分配损耗；

φ——单个功分器的功分系数；

N2——1副天线所在路径中功分器的个数；

L——1副天线所在路径中馈线的长度；

φ——百米馈线损耗系数。

综上所述，将式(6)与式(4)代入式(5)中，即可得出基于衰减因子的信号场强算法。

2 测试方案与测试结果

在南昌地铁2号线雅苑路站(未开通并处于机电施工中)搭建测试环境，对衰减通信系统进行测试。

2.1 测试方案

第一步，通过管理软件对3台直放站进行配置，并实时采样输入、输出功率等参数。

第二步，选择测试的位置。选择在站厅层和站台层的公共区域进行测试。测试区域并不完全规则，其间有多堵承重墙、木门、玻璃门等。测试把一对重发天线单端对应的地面位置作为原点端，另一端作为终点端。每对天线的距离设置为30 m，其间每隔3 m取1个测试点。共选择10个位置进行测试。重发天线距离地面的高度约为2.0～2.7 m。在站厅层测试的路径中，离原点8 m处有承重墙；在站台层测试的路径中，离原点10 m处有一木门；而隧道区间的测试路径是一条直道，且无任何阻隔物。以站厅层为例，测试位置情况如图1所示。

第三步，对理论值进行计算。按照测试点，根据传播损耗算法与信号场强算法计算手机接收到的信号场强。以图1为例，先估算d1、d2的值，再把d1和d2代入式(5)得Pr(d1)与Pr(d2)。手机接收信号应满足“趋强原则”[6]，即手机只能接收原点端和终点端信源中信号强度最大的1个，所以，测试点手机接收到的信号场强理论值等于max(Pr(d1),Pr(d2)) 。

注：l——测试点距原点的距离；h——重发天线距地面的高度；d1——原点端重发天线距测试点的距离；d2——终点端重发天线距测试点的距离

图1 站厅层测试示意图

第四步，对测试环境进行实测。通过数据线把手机与笔记本电脑相连，使用手机在测试点上接收重发天线的信号。可通过电脑中的Probe软件显示收到的信号场强大小。实测界面见图2。

图2 Probe测试软件界面图

第五步，把信号场强的实测值、理论值与设计规范中的边缘场强对比。按照设计规范要求，理论值与实测值误差不得大于3 dB，且手机收到的信号场强必须大于规范中要求的边缘场强，该系统才能进行正常的语音通话[7-9]。

2.2 测试结果与分析

按照测试方案，以移动GSM信号为例，绘制信号场强测试结果图。

2.2.1 站厅层测试结果

站厅层测试结果如图3所示。由于选择的测试路线中有1面承重墙，且位于第2个测试点与第3个测试点之间，原点侧的信号穿透墙面后强度急剧衰减，所以第3个测试点信号最弱。按照“趋强原则”，此时手机的信源从原点端切换至终点端，随着l的大小逐渐增加，距终点端信源的距离就会减少，所以第3个测试点后信号场强会逐渐增强。

图3 站厅层GSM信号场强测试结果

2.2.2 站台层测试结果

站台层的测试情况与站厅层类似，木门位于第3个与第4个测试点之间。站台层测试结果如图4所示。

图4 站台层GSM信号场强测试结果

2.2.3 隧道区间测试结果

隧道区间的信号场强测试结果图5所示。隧道区间选择的是一条规则且无任何阻隔物的测试路径，所以任何测试点上都未出现信号急剧衰减。信号的衰减仅与l的大小有关，依据“趋强原则”，在第5个节点之后，手机的信源切换至终点端，随着l越大，信号场强又逐步增强。

图5 隧道区间GSM的信号场强测试结果图

2.2.4 测试结果分析

综上所述，由于隧道区间选择了类自由空间的测试环境，信号测试值与理论值的误差显然小于3 dB。站厅层与站台层的测试环境不规则，其阻隔物加剧了信号的衰减，但基于衰减因子的传播损耗算法考虑了阻隔物的穿透损耗。所以信号的实测值与理论值间误差有所增大，但仍小于3 dB。此外，测试值与理论值均大于移动通信网设计规范中的边缘场强(-85 dB)。可见，上述测试结果符合移动通信网设计规范的要求。