隧道施工装备信道研究与测量技术

文｜高阳 崔平

随着城市轨道交通蓬勃发展，城市隧道施工工程建设也呈现出爆发式增长。隧道狭窄环境中的施工装备通信信道研究近年来也得到了广泛关注。狭窄场景下的施工装备无线网络规模日益扩大，其特殊的无线信道传播环境，造成了复杂的多模态通信传播形式，为保证其高速数据传输的稳定性以及通信容量和速率的最大化，对其无线传播信道的特性分析、测试及模型构建尤为重要。本文深入分析当前狭窄隧道场景下施工装备无线传播信道的复杂特性，通过理论仿真与实测验证相结合的方式，并针对无线信道的建模和验证方法进行了研究，结合实测数据进一步验证模型的适用性，从而为狭窄场景下施工装备无线通信网络的部署与优化提供重要的理论依据。

一、引言

随着城市建设的飞速发展，城市中的隧道交通它在发挥缩短行车里程、提高交通效益作用的同时，对于优化城市路网、改善道路通行条件等方面将给城市建设带来更大的社会效益。社会即将步入万物互联，移动通信技术也将达到更高的层面，除了支持移动互联网的发展，还将解决施工装备海量无线通信需求，特别是极大促进移动装备无线通信领域的发展。当前多天线技术、协同中继、多点协作、分布式传输等先进通信技术成为提高无线通信系统性能的重要手段，但同时也为狭窄场景下施工装备复杂组态通信的无线信道分析研究与建模测试带来了新的挑战。为了应对该挑战，本文总结了一套隧道信道建模与验证方案。

二、隧道信道建模特点

狭窄城市隧道场景下移动施工装备无线信道尤其独特的理论分析方法，例如，构建几何仿真信道模型，开展实际或模拟环境中的信道测试，结合高精度信道参数分析，验证理论模型，并得到参数化的统计信道模型，同时也需要针对实际的无线通信机制进行更为有效的模型验证。当前，针对狭窄隧道场景下无线传播信道研究中现存的不足和问题，以及无线传播信道模型研究中的问题，主要研究热点包括：

（1）狭窄隧道场景下移动施工装备无线传播信道的特征设定、分析方法与建模方式的研究。通过反射面方向的统计特征，来确定散射体在三维空间分布，进而构建参数化的传播模型，扩展了新型的几何建模方法。

（2）狭窄隧道场景下移动施工装备分布式协同中继的复杂组态分析与模型构建研究。

（3）狭窄隧道场景下分布式多链路相关性分析与组网干扰特性的研究。

（4）狭窄隧道场景内无线传播信道的宽带细致特征研究。

（5）无线信道仿真评估平台及测试验证平台的方法研究与原型构建。

上述研究内容对于隧道工况下通信设备的部署有重要指导意义。

三、隧道施工装备信道建模方法

隧道工况下，信道建模需要采用理论分析与实测验证相结合的技术路线。

理论分析建模方面，针对当前隧道施工的通信业务需求，须对分布式传播信道、协同中继信道、移动工业装备内接入信道以及狭窄场景内CoMP信道等进行具体分析，首先基于传播环境、运行状况、电波传播模式以及散射产生机理等方面的假设，以参数化的形式得出信道特征的统计描述和模型，并进行基于几何建模的典型场景仿真分析；并开展实际测试，在真实或接近真实的狭窄场景环境中，采集宽带信道响应，并利用基于高精度估计算法（如SAGE）的信道超参数和分量参数提取方法，对测试数据进行分析，利用得到的估计参数样本提取信道的实测统计模型。理论模型和实测辅助经过相互验证和融合，最终得到适用于狭窄场景下无线通信系统仿真的随机信道模型。

（一）仿真建模技术

采用3GPP信道模拟工具包仿真如下过程，产生信道环境：①提高信道采样频率，模拟电控“扫描”式空间测试技术。利用电控波束扫描微带漏波天线，对空间信道进行“扫描”式测量。该天线是基于左右手复合传输线的电控波束扫描微带漏波天线，其主波束从前向到后向可发生较大角度的连续扫描。结合天线伺服控制系统，该天线可在空间形成精度可调、配置灵活的虚拟阵列。使用这种电控波束扫描天线进行信道测量的优势非常明显：首先，传统物理天线阵列中振子间耦合可以完全避免，传播信道的特征因而和测试系统的特性实现有效地分离；其次，由于采用的是电控扫描模式，不需要传统的高速射频开关在实际天线振子间进行物理切换，因而大大增加信道测试频率，保证测试间隔满足信道相干条件的限制，这对于实现高速移动或时变信道的测量有重要的意义；再者，由于天线的波束很窄，可以对信道的空间特性以类似雷达扫描的探测方式，因而大大降低信道处理的复杂度。

（二）信道模型验证技术

可用电控波束扫描微带漏波天线构成多种类型的虚拟天线阵列，具体方式有如下几种可能：虚拟环形天线阵列。保持天线的位置不变，固定其工作频率，通过天线伺服控制系统，控制其主瓣方向在水平角度上作连续扫描。虚拟线性天线阵列。天线的位置在天线伺服系统的控制下，在不同时刻线性排列，排列位置之间的距离需要预先设定，最小的距离不大于载波波长的1/2。 保持天线的工作频率和其主瓣的方向不变，主瓣的宽度可适当加宽。虚拟平面天线阵列。虚拟天线的位置分布在一个平面上。为了对平面一侧的信道进行估计，需要将天线的主瓣面向同一侧。虚拟立体布局的天线阵列。虚拟天线的位置可按照预先设定的布局，形成多种类型的空间天线阵列。

四、实验结果

首先利用3GPP仿真工具包对信道参数进行了建模，然后利用实测设备进行了测量。建模过程中，将狭窄场景划分为两个典型组成部分，即定点中继环境和持续运行环境，分别无线传播环境进行理论建模分析，统计信道在这两种典型环境下传播的特征规律，如多径数目、衰落特性等，建立具有统计特性的信道模型。

测试设备中的收发机设计采用二次变频，一本振和二本振均由安捷E4438C矢量信号发生器提供，基带输出经由高速A/D采集卡存储于磁盘阵列中，采集卡通过CPCI总线与工控机相连，整个数据后处理与分析过程在工控机上完成，处理环境为MatLab平台。利用HJ5418 GPS铷原子钟为系统提供高精度时间频率参考标准(10MHz/+12dBm)，实现与收发机之间的同步。测试结果能够与理论模型基本吻合。

研究结果表明，在隧道装备信道建模中，统计性模型的优点在于模型的复杂度较低，具有较好的通用性。且模型和测试结果基本吻合，可以指导通信装备的部署，优化隧道通信网络。

五、结语

本文深入分析了当前狭窄隧道场景下施工装备无线传播信道的复杂特性，结合信道研究领域的成果，总结了一套较为完善的狭窄场景下施工装备无线信道理论分析方法及验证技术方案。通过构建几何仿真信道模型，并开展实际或模拟环境中的信道测试，结合高精度信道参数分析，验证理论模型，并得到参数化的统计信道模型，对隧道环境下的施工设备组网具有指导意义。