电波传播模型与应用之高速铁路电波传播模型

南京邮电大学电子科学与工程学院　徐　玭

电波传播模型与应用之高速铁路电波传播模型

南京邮电大学电子科学与工程学院徐玭

随着对无线电波传播特性研究的深入，可根据不同的传播环境建立相应的电波传播模型，在不同的场景下使用适当的传播模型进行分析。在高速铁路场景下，分析其电波传播特点，针对典型的高架桥、路堑、隧道和开阔地场景，能够得到其相应的传播模型。

电波传播模型；高速铁路传播模型

前言

电磁波是人类用以远距离实时接收和发送信息的主要载体之一，它的传播在我们的生活环境中每时每刻无处不在。随着发展的需求，无线电通信业务在不断地扩张，无线电波传播的研究也将更加广泛细致。通过对电波传播特性的相关研究分析，可根据不同的传播环境建立相应的电波传播模型。

1.电波传播模型

1.1根据传播环境划分

最先定义的是自由空间传播模型。当电波传播路径远离地面、地物并且大气对电波传播影响也可以忽略时，可近似认为无线电波传播是自由空间传播，此时采用自由空间传播模型。其他复杂传播条件下，自由空间传播模型已不再适用但仍可以作为一参考标准。

实际应用中，各种环境条件的影响不可忽略，以下将简单介绍相关条件影响下的模型。

几乎所有地面通信业务中都要考虑地面的影响，地面反射特别是光滑平坦地面对电波传播的影响，以及平坦地面反射影响时基本传输损耗。根据不同情况考虑自由空间扩散、地面反射影响或电气特性因素，可细分为集中预测模型、平地模型、理想平地模型、修正平地模型、精确二射线模型、理想光滑平坦地面的理论传播模型等。

考虑到地面地物的阻挡引起的绕射损耗建立的模型包括刃峰绕射模型、球形地面绕射模型、圆柱形障碍绕射损耗、双孤立刃形障碍绕射损耗、UTD劈形障碍绕射损耗、经验绕射损耗预测模型等。

除了地面传播时的损耗，无线电波在对流层晴空大气中传播时也会产生损耗，主要是大气中的水汽和氧气吸收无线电波的能量引起无线电波场强和能量的衰减，还有大气中的湍流不均匀体对无线电波的散射。此条件影响下可细分为地面电路大气吸收模型、地空电路大气吸收模型、对流层散射损耗预测模型。

在微波频段，特别是10Ghz以上的无线电波与散射造成的雨衰减是严重的，数十吉赫兹以上的频率，云雾对无线电波的衰减也十分显著，因此建立了降雨与云雾衰减预测模型。

根据适用场景不同，还有航空移动、海上移动与雷达定位业务传播预测模型、无线广播业务传播预测模型、卫星通信业务传播预测模型等［1］。

1.2根据传播损耗划分

电波传播模型根据传播损耗分为决定性模型和统计性模型。

决定性模型一般是在一定的物理模型下由较为严格的电波传播理论推导出来的理论表达式， 计算结果是决定性的，但它要求要给出完整、全面的地理环境条件。另一种是统计模型，它一般是由大量的实验测试数据拟合出来的经验公式或半经验半理论公式，甚至是经验曲线，它的预测结果是统计性的推断，当然可具有一定的可靠度和精确度。统计模型只是要求知道地理环境条件的统计性数据和信息，比如说，是乡村还是城市市区，温带地区还是热带地区，建筑物的平均高度是多少，平均地面折射率是多少等，这些信息或数据都是具有相当的模糊性或不决定性，但是很容易给出。

1.3根据传播尺度划分

无线信道的传播模型按照传播尺度可以分为大尺度衰落模型和小尺度衰落模型。大尺度衰落描述了较长距离内（一般是几百米甚至更长）接收信号强度的变化趋势（发射机和接收机之间长距离上的平均场强的变化），这些变化主要是由发射天线和接收天线之间传播路径上的山坡、湖泊或者建筑物引起的。小尺度衰落描述的是短距离（波长级）或者短时间（毫秒级）内接收信号场强的快速波动变化，当小尺度范围内发生较为严重的深衰落时，会造成系统误码甚至通信中断。因此，在进行系统设计时，场强覆盖要有余量，而且要通过选择合适的调制方式、均衡、信道编码以及分集等技术来克服小尺度衰落带来的影响［2］。

2.高速铁路传播模型

随着我国高速铁路网逐渐完善，高铁运行速度基本保持300km/h左右，列车的高速运行使得铁路移动通信对于服务质量包括呼叫建立时间、端到端传输时延、越区切换时间、连接丢失概率等，提出了更高的要求。目前世界上关于电波传播模型的研究不少，理论研究也进行很多年，但是对铁路环境下的较为精确的电波传播模型仍然没有建立起来，尤其是高速环境下的传播模型相关研究也较少。

2.1高速铁路环境下的电波传播特点

影响高速铁路列控信号传播特性的主要因素有：高速运行、多径效应和多普勒效应、巨大的金属列车车体和其他高速铁路特有的设备设施等。高速铁路的路基及铁轨建设主要采用平直轨道，转弯半径比较大，铁轨坡度比较缓，同时双线、复线的路基占地面积大，线路两侧建有防护隔离网，构建出一个可供列车高速通行的特殊环境，因此高速铁路环境下的电波传播主要有以下特点：（1）机车台附近的地形效应服从对数正态分布；（2）铁路沿线的场强覆盖区域主要呈带状冗余分布；（3）高架桥、路堑、路基、轨旁树木和隧道走向等诸多因素对电波传播的多径效应影响明显；（4）电波的无线传播要经历信号由弱到强和由强到弱的周期过程；（5）各种类型的反射散体基本上沿铁路两侧随机分布，此外沿线存在周期性的特殊障碍物，如电气化铁路的交流电高架电网等传播特性的关键主要是高速运行和巨大的列车体等［3］。

2.2高速铁路典型场景及传播模型

高速铁路典型场景下的电波传播模型要针对列车速度快、电波场景复杂、沿线环境多样等特殊情形，在原有电波传播模型的基础上进行应用、拟合与修正。以下将对高速铁路的四种典型场景进行分析。

高架桥场景：

高速铁路建设中，由于地面因素导致无法在原地面修建桥（路），从而设计的架在空中的、高于周围环境的桥梁即为高架桥。该场景下轨面高度一般为10～30m，接收天线距地表高度以及基站天线与接收天线的相对高度都较高，高于轨面的建筑物较少，因此电波传播主要为视距传播。由于架设的高架桥轨面平坦且曲率较小，所以在此场景下，移动台的移动速度一般可达到300Km/h［4］。高架桥可以看做单一反射大长面，利用双线法和三角函数层层解析，可得到接收场强和功率的精确表达建立模型［3］。

路堑场景：

路堑是指从原地面向下开挖而形成的路基形式，路堑上一般会种植隔离带，这种特殊的地形使其电波传播特征也具有特殊性，国内高速铁路路堑场景中，路壁底部宽度大约为14～18m，顶部宽度大约为48～63m。该场景下，移动台的移动速度约300Km/h，话务量适中［4］。由于路堑尺寸各异，可根据其基本的镜像与反射法分析主要的反射路径，然后通过Rice模型进行拟合分析得到传播模型。

隧道场景：

为保证列车在山脉地段的正常运行，在开凿两端建设的地面出入口的水平通道为隧道环境。高速铁路的隧道长度一般为几公里到几十公里，通常依靠光纤直放站来扩大施主基站的覆盖范围。隧道可近似为大尺寸波导，根据Fresnel区域理论将隧道内从发射台向隧道内辐射的电波传播区域划分近区场和远区场，分别利用自由空间传输损耗和波导特性进行拟合。由于隧道内壁通常较为光滑，介质表面有较好的反射性，且其隧道形状可近似为拱形，其电波传播特性可以参考光学的波导模型［3］［4］。

开阔地场景：

该场景下，铁轨铺设在开阔地上，轨面稍高于地面。周围地势平坦，建筑物高度和密度较低。直射径被遮挡的概率较低，但由于其轨面高度较低，周围环境对电波传播影响较大，因此其电波传播环境较高架桥场景恶劣［4］。实践证明，在高速铁路开阔地带，LEE宏小区模型是较为适用的，William C.Y.Lee在他的著作［5］中针对该模型进行了详细的分析推导。

实际情况中会根据各运行线路实际路测取得大量数据，加入环境因子和植被影响，选取典型场景下的采样结果，对不同场景下的场强数据进行处理、拟合和修正，建立相应的高速铁路传播模型［5］。

［1］谢益溪.无线电波传播--原理与应用［M］.人民邮电出版社，2008.

［2］潘斯斯.高速铁路电波传播特性的研究［D］.北京交通大学，2008.

［3］陈欣.高速铁路典型场景下电波传播模型的研究［D］.北京交通大学，2010.