高速磁浮交通毫米波通信系统场强测试分析*

胡昌桂 张仿琪 陈笑南 魏祥斌 董丹阳 虞 翊

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，430063，武汉；2.同济大学磁浮交通工程技术研究中心，201804，上海；3.上海大学特种光纤与光接入网重点实验室，200041，上海；4.同济大学电子与信息工程学院，201804，上海 ∥ 第一作者，正高级工程师)

近期，国家磁浮交通工程技术研究中心在同济大学嘉定校区高速磁浮试验线(以下简为“试验线”)上试验了速度为600 km/h的高速磁浮试验样车。试验样车采用的车地通信系统与文献[1]中提及的相同。该车地通信系统采用38 GHz频段承载车地间的列车定位数据、运行控制数据及乘客信息服务。通信系统关乎磁浮交通的安全运行[2-3]。因此，为了确保通信的可靠性，需要对车地间无线信道的特点进行研究。

文献[4]在室内走廊环境下，对使用的定向天线28 GHz频段信道进行了测量，利用射线跟踪技术分析了28 GHz频段的路径损耗和小尺度衰落的特性。文献[5-7]在室内环境下对60 GHz信道的路径损耗和时间色散性进行了深入研究，结果表明，视距(LOS)下路径损耗指数的变化范围为0.40～2.10，非视距(NLOS)环境下路径损耗指数的变化范围为1.97～5.40，两者存在显著差异。文献[8-9]在室外环境下对28 GHz、38 GHz、73 GHz频段的传播信道进行了测量与建模，研究发现，LOS与非视距环境下毫米波的传播距离分别约为200 m和100 m；且在高铁场景信道研究方面，非平稳信道、视距稀疏信道和视距多输入多输出(MIMO)受到广泛关注。文献[10-11]预测了毫米波在铁路通信的应用模式。文献[12]对铁路环境中40 GHz频段毫米波的传播特性进行了测试，重点研究了高架线路中的传播损耗。

为了确保高速磁浮交通典型场景下毫米波通信的可靠性，本文通过测试、计算和仿真等方法，对试验线38 GHz频段信道的传输特性进行了研究。

1 高速磁浮交通毫米波通信系统场强测试

1.1 高速磁浮交通车地无线通信系统场强测试平台介绍

高速磁浮交通车地无线通信系统场强测试平台由场强仪与电脑组成。场强仪安装于三脚架接收平台上，从水平和垂直两个方向可对接收角度进行调节。频谱仪通过信号电缆与场强仪信号输出端口相连。数据处理计算机与频谱仪采用以太网连接，由便携式计算机对频谱仪测量数据进行存储、处理及显示。

场强仪中的变频模块将测量信号的频率线性降频至易于观测的低频段，且将其输入到频谱仪进行观测。混频器和滤波器是变频模块的主要部件，其工作原理如图1所示。本振信号(LO)倍频后输入到混频器与射频信号(RF)混频，输出频率为和频与差频，经滤波器滤去和频信号后，即得到频率被降低的差频信号(IF)。

图1中，本振采用4.71 GHz信号源。将本振信号经过变频后得到的37.68 GHz信号作为测量系统的基准信号。以38 GHz测量信号为例，经过变频器后输出的信号为320 MHz。

图1 场强测试平台变频模块工作原理图

同理，对无线电频率分别为37 GHz、38 GHz和39 GHz的信号进行测量，则经场强仪输出对应的差频信号值均小于6 GHz,可由频谱仪进一步处理。

1.2 试验线地面基站概况

试验线地面基站位置示意图，如图2所示。试验线全长1 500 m，其中，车库长度为93 m。为了使磁浮列车运行过程中始终有两个环路与列车保持有通信链路，根据运行控制系统双分区设置的要求，试验线进行了重叠布站。

图2 试验线地面基站位置示意图

图2中，试验线的双环覆盖是指磁浮列车与两个环路进行通信，以保证列车的安全运行。在一分区内，1A1、1A2、1A3为一个通信环路，此环路的地面基站频率为37 128 MHz；1B1、1B2、1B3为另一个通信环路，此环路的地面基站频率为3 338 MHz。在二分区内，2A1为一个环路，此环路地面基站频率为3 352 MHz；2B1为另一个环路，此环路的地面基站频率为37 563 MHz。不同环路的地面基站设置不同的频率，不仅可以避免信号间的干扰，也可以更好地保证双环覆盖的效果。

将试验线各基站的命名规则和相关信息统计在表1中。表1中，每个基站编号前的1和2分别表示基站所处的分区，1表示基站布置在一分区，2表示基站布置在二分区；每个基站编号后的L和R分别表示每个基站朝左的天线和朝右的天线。

表1 试验线各基站的命名规则和相关信息统计表

由图2可知，试验线由直道区域与弯道区域组成，其中，K0+300—K0+600为弯道区域，其他区域为直道区域。为了使地面基站能够覆盖足够大的区域，在直道区域地面基站选择了波束宽度较窄但增益较高的天线，而在弯道区域地面基站选择了波束宽度较宽但增益较低的天线。弯道区域的地面基站包括1A2与1B2，其他地面基站都处于直道区域。弯道区域和直道区域地面基站天线的参数如表2所示。

表2 试验线弯道区域和直道区域地面基站天线的参数

试验线地面基站实际安装位置如图3所示。图3中，安装基站天线的抱杆距试验线轨道中心线的距离为 2 m，基站的高度距轨道平面的距离为3.05 m。

图3 试验线地面基站的实际安装位置图

2 试验线基站场强的冗余覆盖

将试验线地面各基站天线设置为背对背模式，基站垂直下方“灯下黑”，导致场强覆盖存在盲区，其解决方案是依靠相邻基站的信号保证应有的场强覆盖。通过现场对试验线全线基站的场强分布进行测试来验证该方案的可行性。

以1B1基站为例，其无线信号将保证对相邻基站下方覆盖。通过现场测试，获得场强覆盖情况，如图4所示。由图4可知，基站两个方向的信号接收功率均随着离基站距离的增大而减小，沿线场强总体控制在-55 dBm以上。其信号接收功率在邻近基站1A1R和1A2盲区处均大于-60 dBm，实现了对邻近基站盲区的有效覆盖。基站盲区出现在K260处，盲区长度约为30 m，且盲区将由基站1A1R和 1A2L保障覆盖。

图4 基站1B1的场强分布图

基站1A1R处的场强覆盖情况，如图5所示。由图5可知，基站处信号接收功率在-50 dBm之上；在基站1B1盲区附近的信号接收功率约为-45 dBm，该值大于地面基站接收信号阈值-85 dBm，满足了基站覆盖要求。

图5 基站 1A1R的场强分布图

基站1A2处的场强覆盖情况，如图6所示。由图6可知，基站两个方向的信号接收功率都随着离基站距离的增大而减小；基站沿线总体场强控制在-60 dBm以上；基站盲区出现在K0+416处，盲区长度约为22 m，其信号接收功率在邻近基站1B1和1B2盲区处都大于-60 dBm，实现了对邻近基站盲区的有效覆盖。

图6 基站1A2场强分布图

由此可见，试验线沿线的信号接收功率高于-60 dBm，各基站实现了对相连基站盲区的有效覆盖，从而使得试验线全线没有信号接收盲区。另一方面，由于实际运行的磁浮列车头车与尾车的总长度约为54 m，因此，磁浮列车的头车和尾车不会同时出现在某个基站盲区内。综上所述，试验线的基站场强分布可以满足实际高速磁浮列车的通信需求。

3 毫米波路径损耗的预测

实测系统中，路径损耗PL的计算公式为：

PL=Pt-Pr+Gt+Gr-Ls

(1)

式中：

Pt，Pr——分别为信号的发射功率与接收功率；

Gt，Gr——分别为基站天线的增益与测试使用喇叭天线的增益；

Ls——场强仪与低频线L3 的总损耗，通过系统标定为28.80 dB。

由式(1)计算出试验线各基站的路径损耗值后，通过线性拟合得到各基站的路径损耗，见图7。

图7 试验线沿线各基站处路径损耗拟合曲线

图7中，试验线沿线各基站的路径损耗拟合直线对应的参数 如表3所示。由表3可知，试验线沿线各基站处的实测路径损耗拟合直线的路径损耗指数β的取值范围为1.9～2.1，路径损耗截距α为66.56～74.10 dB。自由空间的路径损耗指数一般取2，β与自由空间的路径损耗指数存在差距，一方面是由于实际测试环境下信号在传播过程中由于受到周围障碍物反射而降低了传播时的衰减；另一方面是由于测试中基站天线增益可能存在损耗，导致接收功率变小。根据上述分析，α取70.33 dB，β取2。

表3 试验线各基站处实测路径损耗拟合直线对应参数表

进一步在相同的天线配置与场景下，预测基站远距离毫米波覆盖下接收机接收到的信号功率，如表4所示。由表4可知，若将-85 dBm作为最低接收功率，则表4中仅存在1项低于接收功率指标，说明基站间距离可望进一步增加，以减少投资和维护成本。

表4 试验线基站不同里程与发射功率下的信号接收功率

4 结语

在同济大学嘉定校区1.5 km的磁浮试验线上全面测试了试验线沿线基站的场强覆盖，针对背靠背天线设置下的“灯下黑”盲区，通过相邻基站的相互冗余覆盖可以使该区域接收信号的功率大于-65 dBm，满足通信需求。对试验线全线的测试结果表明，典型磁浮场景下毫米波车地信道的路径衰减截距为70.33，衰减指数为2，由此预测了不同基站功率、不同距离下的信号覆盖。该结果对超高速磁浮的毫米波通信系统基站布设具有一定的参考意义。