地铁站环境下水平与垂直移动的通信信号特性研究

陈剑培

(1.云南民族大学 电气信息工程学院信息工程系，云南 昆明 650500；2.云南大学 信息学院， 云南 昆明 650500)

为了缓减与城市发展相伴出现的地面交通压力，各大城市的轨道交通系统建设也突飞猛进.截至2019年7月，中国开通地铁的城市已经达到43个，而昆明地铁到2020年11月，已开通了5条交通路线，有效缓减了昆明市的交通压力.

随着地铁的发展，移动通信的发展也成为城市建设的重点工程.目前广泛采用直放站或基站接入，在车站站台区域设置天馈系统的方案，然而，地铁移动通信并不完善，仍面临通信质量差、建设费用高等难题[1].国内外对地铁移动通信的研究也炙手可热，其中北京交通大学陶成教授团队的相关研究较多.文献[2]对地铁环境下的站厅、站台以及隧道环境下通信系统的设计以及信号的覆盖进行了研究.文献[3]对地铁隧道信号进行了建模研究，采用了射线跟踪、模态理论和经验模型.文献[4]同样采用基于射线跟踪法的镜像法建立信道模型，并研究了地下隧道环境下的大尺度衰落和小尺度衰落.文献[5]对特定频段下地铁隧道环境的路径损耗进行分析，研究隧道断面类型，收发位置，断面面积和天线的极化对路径损耗特性的影响.越区切换模型很早就被应用于了民用无线通信系统中，尤其是对车站站内和站外的越区切换，具有高于接收信号强度阈值的平滑切换区域是决定越区切换成功的关键[6-7].

但地铁环境的一些特殊区域的信号特性研究却很少，如地铁站的站台、站厅和地铁出入口等环境.由于越区切换频繁和依靠地面通信网络，使得这些特殊区域的信号质量弱.本文以昆明地铁为例，对地铁站中垂直和水平移动下的通信信号特性进行了研究.首先在地铁环境下对地铁站外、售票站厅和乘车站台等环境的水平与垂直移动时的接收功率进行测量，然后采用对数正态阴影模型、越区切换和建筑物分隔损耗模型对通信信号进行建模仿真.

1 传播相关理论

1.1 对数正态阴影模型

对数正态阴影模型在对数距离路径损耗模型的基础上，考虑了在接发双方距离相同的环境下，不同位置的周围环境差别非常大，导致测试信号与预测的平均结果存在很大差异而建立的模型.某一距离发射机d处的接收功率的路径损耗服从随机正态分布[8]，即：

(1)

Pr(d)=Pt-PL(d).

(2)

1.2 建筑物分隔损耗

建筑物的楼层间的损耗由建筑物外部面积和材料以及建造楼层和外部环境确定的建筑物类型决定，甚至建筑物窗口的数量和外在的颜色(会衰减无线电波的能量)也会对其产生影响.研究学者使用衰减因子(FAF)来描述分隔损耗对信号传播带来的影响[8].

1.3 越区切换

切换是指当移动终端在通话期间从一个小区进入另一个小区时，将呼叫在其进程中从一个无线信道转换到另一个信道的过程，是移动终端系统中移动性管理的基本内容之一，也是实现移动通信的必要条件.

2 数据测试

测试工具采用一款手机软件——信号管家，该软件可测手机信号强度，并有信号分时图清楚显示信号强弱，简单易操作，且与频谱仪比较，精度可以保证大尺度衰落下的通信信号功率测量.测试路线为昆明市呈贡区地铁1号线的大学城南站环境.为了研究地铁站外、售票站厅和乘车站台等环境下终端垂直或水平移动时的通信信号特性，选取了3类测试路线：测试路线1为地铁站外的水平移动，测试路线2为地铁站内垂直移动，测试路线3为地铁站内(站厅层和站台层)水平移动.

地铁站外的水平移动测试路线1：昆明地铁1号线的大学城南站出口A，C，D向外的3条路线，其中A、C口的测试路线在云南白药街，地势宽阔，遮挡物较少，D口位于欣慧路，在云南开发大学侧门附近.测试数据如表1.

表1 地铁站外的测试数据

地铁站内垂直移动测试路线2：从地铁口进入站厅层和从站厅层进入站台层2个测试.从大学城南站地铁口外进入地铁内，沿楼梯向下.从站口到站厅垂直移动时，信号接收功率逐渐减弱后又出现增强的趋势，符合越区切换的传播机制；从站厅到站台垂直移动时，接收功率变化先降低后上升的趋势，同样符合越区切换.测试数据见表2.

表2 地铁内垂直移动的测试数据

地铁站内(站厅层和站台层)水平移动的测试路线3：在站台和站厅环境下，选择同2个环境下同一个位置为起点测试移动台接收功率，每隔 5 m 测一个数据，测试数据如表3.

表3 地铁内垂直移动的测试数据

从表3中可以观察到，在站厅和站台的水平移动过程中，在 70 m 以前站厅信号接收功率比站台好，而 70 m 以后则相反.分析原因，站内吸顶天线是呈间隔分布的，在测量的过程中出现了测试信号的越区切换.

3 地铁通信信号建模

3.1 对数正态阴影模型

对数正态阴影模型适合对只存在一个基站覆盖下的通信信号进行建模.因此采用该模型对大学城南站室外环境下A出站口和D出站口的2条测试路线做对数正态阴影建模仿真分析.

采用最小均方误差法，得到A出站口线路的对数正态阴影模型为：

(2)

其中Xσ是均值为0，标准差为7.530 9的高斯分布随机变量.A出站口的接收功率的实测与预测比较如图1所示，可以看出实测值跟预测值相符合，均呈现接收功率随距离指数衰减，实测值在预测值附近上下波动.

图1 A出站口测试的实测与预测比较 图2 D出站口的实测与预测比较

同样，采用最小均方误差法，得到D出站口的对数正态阴影模型为：

(3)

其中Xσ是均值为0，标准差为9.289 7的高斯分布随机变量.D出站口的接收功率的实测与预测比较如图2所示，可以看出D出站口的线路接收功率的实测值与预测值也相符，但其波动比A出站口要大，从标准差上也能看出.

3.2 越区切换建模

站内小区与室外小区之间的切换主要发生在地铁站口附近，在乘客乘坐自动扶梯或步行进出地铁车站时.本文对C出站口到站厅的接收功率数据进行了越区切换建模，建模结果如图3所示.

图3 室外到站厅越区切换仿真 图4 站台、站厅仿真结果

可以看出，行人在进入地铁后在5～7 m 的位置完成切换，而此时切换的接收功率阈值为 -90 dBm，比运营商要求的覆盖信号最低阈值 -95 dBm 高 5 dB，说明基站的规划合理，覆盖无缝隙.

3.3 地铁室内分隔损耗研究

利用分隔损耗来研究信号在地铁站厅层与站台层环境下的传播特性，站厅层的信号会受到站台层的覆盖小区影响，站台层也是如此.受到墙体、混凝土等障碍物的分隔损耗，以及来自地铁列车隧道泄露电缆的影响，使信号接收功率变得非常复杂.

图4是站台、站厅的接收功率测试结果.在垂直位置相同时，由于站厅层和站台层处于不同建筑楼层，其接收功率呈现不同的情况：1) 测试距离为0～9 m 和57～100 m 2个距离段内，站台层接收功率高于站厅层，说明室内信源(即吸顶天线)放置在站台层；2) 测试距离为9～57 m 时，站厅层的接收功率高于站台层，说明信源放置在站厅层.因此，将站台、站厅层的信号覆盖情况划分为3部分(图4中用红色虚线分隔)：小区1、小区2和小区3.可以看出在站台和站厅环境中，室内信源，即吸顶天线采用站台-站厅-站台间隔分布的方式，从而来达到覆盖两楼层的效果.

(4)

式中xn为第n个测试位置是移动台在站台的接收功率测试值，为第n个测试位置是移动台在站厅的接收功率测试值，测试数据共21组.

4 结语

地铁通信信号的建模研究是无线通信信号特性研究的重要组成部分，本文对地铁站环境下的3种典型环境进行了水平和垂直移动通信信号测量、建模仿真.通过对测试数据的分析，分别采用对数正态阴影模型、越区切换和分隔损耗对地铁站内外的通信信号进行建模，仿真结果表明，模型可以较好地描述测试环境下的无线通信传播特性，为地铁站环境下的网络规划提供了理论和预测支持.