基于衰減因子模型的地鐵施工期通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

周誠(chéng)華 周 俊 胡 成

(南昌軌道交通集團(tuán)有限公司，330038，南昌//第一作者，高級(jí)工程師)

地鐵地下區(qū)域機(jī)電施工時(shí)，由于無(wú)公網(wǎng)無(wú)線信號(hào)覆蓋，現(xiàn)場(chǎng)施工人員只能借助對(duì)講機(jī)進(jìn)行短距離通話，不僅通話質(zhì)量不佳，而且發(fā)生突發(fā)事件時(shí)極難溝通信息，會(huì)造成更大的損失。對(duì)于此問(wèn)題，文獻(xiàn)[1]提出了基于Okumura-hata模型的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，文獻(xiàn)[2]提出了基于對(duì)數(shù)路徑模型的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。這兩種通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的傳播損耗算法不同，適用范圍也有相應(yīng)差異?；贠kumura-hata模型的通信系統(tǒng)適用頻段為150～1 500 MHz，覆蓋范圍為1～20 km；基于對(duì)數(shù)路徑模型的通信系統(tǒng)適用頻段為800～2 500 MHz，覆蓋范圍為0～500 m。而國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商信號(hào)頻段為1 880～2 025 MHz，在地鐵站內(nèi)及隧道區(qū)間的覆蓋范圍約為5 km。因此，上述兩種通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案均不滿足外部條件。本文提出一種基于衰減因子模型的地鐵通信系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)為“衰減通信系統(tǒng)”)，適用于地鐵施工，是穩(wěn)定可靠的實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)。

1 衰減通信系統(tǒng)技術(shù)方案

1.1 系統(tǒng)概述

衰減通信系統(tǒng)由信源模塊、多系統(tǒng)合路平臺(tái)(POI)模塊及天饋系統(tǒng)模塊等組成。信源模塊包含GSM(全球移動(dòng)通信)、CDMA(碼分多址)、WCDMA(寬帶碼分多址)制式的無(wú)線直放站各1臺(tái)、3副八木天線，以及UPS(不間斷電源)及蓄電池。POI模塊包含多個(gè)同頻合路器、異頻合路器和連接線纜等。天饋系統(tǒng)模塊包含耦合器、功分器、重發(fā)天線、饋線等無(wú)源器件。信源模塊、POI模塊及天饋系統(tǒng)模塊相互協(xié)同工作，從而實(shí)現(xiàn)地鐵站臺(tái)、站廳，以及隧道區(qū)間的公網(wǎng)信號(hào)覆蓋，保證機(jī)電施工現(xiàn)場(chǎng)通信暢通。

1.2 基于衰減因子模型的傳播損耗算法

傳播損耗對(duì)于測(cè)算手機(jī)接收到的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)十分重要?，F(xiàn)有模型的適用頻段和覆蓋范圍不能滿足地鐵施工的環(huán)境要求。本次研究采用衰減因子模型來(lái)分析無(wú)線信號(hào)的傳播損耗。標(biāo)準(zhǔn)的衰減因子模型如式(1)所示[3]。

(1)

式中：

d——天線與手機(jī)間的距離；

PL(d) ——從天線發(fā)出的信號(hào)傳播d產(chǎn)生的衰耗；

n——室內(nèi)傳播衰耗因子；

R——穿透損耗，即傳播過(guò)程中穿透混凝土墻、磚墻、玻璃門等阻隔產(chǎn)生的損耗；

dp——參考距離，一般取值為0.001 km；

PL(dp) ——距離天線dp處的傳播損耗。

由于dp非常小，所以按照自由空間傳播損耗的定義，以Friis傳輸公式來(lái)計(jì)算PL(dp)的值[4]。不考慮天線增益的情況下，F(xiàn)riis傳輸公式可表述為：

(2)

式中：

Pr——手機(jī)接收功率；

Pt——1副天線的發(fā)射功率；

λ——波長(zhǎng)。

根據(jù)式(2)，令λ=c/f(其中，c為光速，取3×108m/s，f為公網(wǎng)信號(hào)工作頻段)，則可推導(dǎo)出自由空間傳播損耗為：

(3)

把式(3)代入式(1)中，即為基于衰減因子模型的傳播損耗算法：

(4)

1.3 基于衰減因子的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)算法

參照文獻(xiàn)[5]，手機(jī)接收的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)算法表述為:

Pr(d)=Pt—PL(d)+G

(5)

式中：

Pr(d) ——距離天線d處，手機(jī)收到的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)；

G——天線的增益。

Pt與天饋系統(tǒng)中無(wú)源器件的損耗有關(guān)，而且，功分器會(huì)把無(wú)源器件的輸出功率進(jìn)行均分。所以，1副天線某種制式信號(hào)的發(fā)射功率為：

(6)

式中：

Pi——第i臺(tái)某種制式直放站的下行輸出功率；

N0——某種制式直放站的數(shù)量；

α——單個(gè)耦合器的插入損耗；

N1——1副天線所在路徑中耦合器的個(gè)數(shù)；

β——單個(gè)功分器的分配損耗；

φ——單個(gè)功分器的功分系數(shù)；

N2——1副天線所在路徑中功分器的個(gè)數(shù)；

L——1副天線所在路徑中饋線的長(zhǎng)度；

φ——百米饋線損耗系數(shù)。

綜上所述，將式(6)與式(4)代入式(5)中，即可得出基于衰減因子的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)算法。

2 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

在南昌地鐵2號(hào)線雅苑路站(未開(kāi)通并處于機(jī)電施工中)搭建測(cè)試環(huán)境，對(duì)衰減通信系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

2.1 測(cè)試方案

第一步，通過(guò)管理軟件對(duì)3臺(tái)直放站進(jìn)行配置，并實(shí)時(shí)采樣輸入、輸出功率等參數(shù)。

第二步，選擇測(cè)試的位置。選擇在站廳層和站臺(tái)層的公共區(qū)域進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試區(qū)域并不完全規(guī)則，其間有多堵承重墻、木門、玻璃門等。測(cè)試把一對(duì)重發(fā)天線單端對(duì)應(yīng)的地面位置作為原點(diǎn)端，另一端作為終點(diǎn)端。每對(duì)天線的距離設(shè)置為30 m，其間每隔3 m取1個(gè)測(cè)試點(diǎn)。共選擇10個(gè)位置進(jìn)行測(cè)試。重發(fā)天線距離地面的高度約為2.0～2.7 m。在站廳層測(cè)試的路徑中，離原點(diǎn)8 m處有承重墻；在站臺(tái)層測(cè)試的路徑中，離原點(diǎn)10 m處有一木門；而隧道區(qū)間的測(cè)試路徑是一條直道，且無(wú)任何阻隔物。以站廳層為例，測(cè)試位置情況如圖1所示。

第三步，對(duì)理論值進(jìn)行計(jì)算。按照測(cè)試點(diǎn)，根據(jù)傳播損耗算法與信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)算法計(jì)算手機(jī)接收到的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)。以圖1為例，先估算d1、d2的值，再把d1和d2代入式(5)得Pr(d1)與Pr(d2)。手機(jī)接收信號(hào)應(yīng)滿足“趨強(qiáng)原則”[6]，即手機(jī)只能接收原點(diǎn)端和終點(diǎn)端信源中信號(hào)強(qiáng)度最大的1個(gè)，所以，測(cè)試點(diǎn)手機(jī)接收到的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)理論值等于max(Pr(d1),Pr(d2)) 。

注：l——測(cè)試點(diǎn)距原點(diǎn)的距離；h——重發(fā)天線距地面的高度；d1——原點(diǎn)端重發(fā)天線距測(cè)試點(diǎn)的距離；d2——終點(diǎn)端重發(fā)天線距測(cè)試點(diǎn)的距離

圖1 站廳層測(cè)試示意圖

第四步，對(duì)測(cè)試環(huán)境進(jìn)行實(shí)測(cè)。通過(guò)數(shù)據(jù)線把手機(jī)與筆記本電腦相連，使用手機(jī)在測(cè)試點(diǎn)上接收重發(fā)天線的信號(hào)?？赏ㄟ^(guò)電腦中的Probe軟件顯示收到的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)大小。實(shí)測(cè)界面見(jiàn)圖2。

圖2 Probe測(cè)試軟件界面圖

第五步，把信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的實(shí)測(cè)值、理論值與設(shè)計(jì)規(guī)范中的邊緣場(chǎng)強(qiáng)對(duì)比。按照設(shè)計(jì)規(guī)范要求，理論值與實(shí)測(cè)值誤差不得大于3 dB，且手機(jī)收到的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)必須大于規(guī)范中要求的邊緣場(chǎng)強(qiáng)，該系統(tǒng)才能進(jìn)行正常的語(yǔ)音通話[7-9]。

2.2 測(cè)試結(jié)果與分析

按照測(cè)試方案，以移動(dòng)GSM信號(hào)為例，繪制信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試結(jié)果圖。

2.2.1 站廳層測(cè)試結(jié)果

站廳層測(cè)試結(jié)果如圖3所示。由于選擇的測(cè)試路線中有1面承重墻，且位于第2個(gè)測(cè)試點(diǎn)與第3個(gè)測(cè)試點(diǎn)之間，原點(diǎn)側(cè)的信號(hào)穿透墻面后強(qiáng)度急劇衰減，所以第3個(gè)測(cè)試點(diǎn)信號(hào)最弱。按照“趨強(qiáng)原則”，此時(shí)手機(jī)的信源從原點(diǎn)端切換至終點(diǎn)端，隨著l的大小逐漸增加，距終點(diǎn)端信源的距離就會(huì)減少，所以第3個(gè)測(cè)試點(diǎn)后信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)會(huì)逐漸增強(qiáng)。

圖3 站廳層GSM信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試結(jié)果

2.2.2 站臺(tái)層測(cè)試結(jié)果

站臺(tái)層的測(cè)試情況與站廳層類似，木門位于第3個(gè)與第4個(gè)測(cè)試點(diǎn)之間。站臺(tái)層測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 站臺(tái)層GSM信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試結(jié)果

2.2.3 隧道區(qū)間測(cè)試結(jié)果

隧道區(qū)間的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試結(jié)果圖5所示。隧道區(qū)間選擇的是一條規(guī)則且無(wú)任何阻隔物的測(cè)試路徑，所以任何測(cè)試點(diǎn)上都未出現(xiàn)信號(hào)急劇衰減。信號(hào)的衰減僅與l的大小有關(guān)，依據(jù)“趨強(qiáng)原則”，在第5個(gè)節(jié)點(diǎn)之后，手機(jī)的信源切換至終點(diǎn)端，隨著l越大，信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)又逐步增強(qiáng)。

圖5 隧道區(qū)間GSM的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試結(jié)果圖

2.2.4 測(cè)試結(jié)果分析

綜上所述，由于隧道區(qū)間選擇了類自由空間的測(cè)試環(huán)境，信號(hào)測(cè)試值與理論值的誤差顯然小于3 dB。站廳層與站臺(tái)層的測(cè)試環(huán)境不規(guī)則，其阻隔物加劇了信號(hào)的衰減，但基于衰減因子的傳播損耗算法考慮了阻隔物的穿透損耗。所以信號(hào)的實(shí)測(cè)值與理論值間誤差有所增大，但仍小于3 dB。此外，測(cè)試值與理論值均大于移動(dòng)通信網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范中的邊緣場(chǎng)強(qiáng)(-85 dB)?？梢?jiàn)，上述測(cè)試結(jié)果符合移動(dòng)通信網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本次研究提出了一種基于衰減因子模型的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，采用了衰減因子模型分析了無(wú)線信號(hào)的傳播損耗以及手機(jī)接收到的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)，并搭建了測(cè)試環(huán)境對(duì)該通信系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果證明，在地鐵地下區(qū)域機(jī)電施工過(guò)程中，該通信系統(tǒng)能保證相關(guān)人員使用手機(jī)進(jìn)行正常的語(yǔ)音通信。