采用双漏缆覆盖的轨道交通LTE-M系统信道的测量研究

郑国莘 林苏燕 武艺鸣 蓝燕锐 徐宗铭 匡震

(1.上海大学通信与信息工程学院 特种光纤与光接入网重点实验室,上海 200072;2.中天科技射频电缆有限公司,南通 226010)



采用双漏缆覆盖的轨道交通LTE-M系统信道的测量研究

郑国莘1林苏燕1武艺鸣1蓝燕锐2徐宗铭2匡震1

(1.上海大学通信与信息工程学院 特种光纤与光接入网重点实验室,上海 200072;2.中天科技射频电缆有限公司,南通 226010)

下一代轨道交通系统将采用LTE-M系统,并采用多根漏泄电缆(简称漏缆)组成多入多出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)系统．因此，需要研究漏缆设置与系统性能之间的关系。依据时域信道测量方法与MIMO信道相关理论,在典型的类地铁隧道环境中,测量并分析了1.8 GHz频段下基于双根漏缆覆盖的MIMO系统性能,通过测量不同极化方式下的漏缆和接收天线以及不同漏缆间距下的信道信息，分析了信道相关性，发现当接收机天线垂直极化而双漏缆同采用水平极化时MIMO性能最优,相关性大小并不太依赖于漏缆间距．这些结果可对今后LTE-M系统部署提供参考．

隧道;泄漏电缆;LTE-M;MIMO;信道相关性

DOI 10.13443/j.cjors.2016070101

引 言

我国正在大规模地开展轨道交通的建设．国家城交协制定的LTE-M 规范中采用1 785～1 805 MHz频段TD-LTE承载基于通信的列车控制系统(Communication Based Train Control,CBTC)、视频监控(Image Monitoring System,IMS)、乘客信息系统(Passenger Information System,PIS)、列车运行状态监测、集群调度等多种服务．LTE-M系统将采用漏缆多入多出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术,保证通信的容量与可靠性．

目前,全国已有十多条线路布署LTE-M,而漏缆MIMO信道测量处于起步阶段．文献[1]中采用矢网分析仪在室内环境下,对2.4 GHz WiFi频段的MIMO信道特征进行了测量研究．文献[2]分析了使用单漏缆双端馈入方案在2.4 GHz频点下2×2 MIMO信道矩阵的条件数．文献[3]中使用双漏缆在2.4 GHz频段上构建了4×4 MIMO系统,并分析了该系统MIMO信道矩阵的条件数．文献[4]在2.4 GHz的频段上,测量了基于漏缆覆盖的试验网络的吞吐量．文献[5]研究车厢内采用辐射电缆的LTE系统,对800～2 600 MHz的3个频段内的信道矩阵的条件数进行了分析．现有研究较少涉及隧道1.8 GHz频段．因此,本文在隧道环境中测量分析了漏缆和天线不同极化和不同漏缆间距下MIMO信道的相关性．

本文简述了测量开展的场景以及测量方法，对测量数据进行了处理运算，分析了不同的漏缆、接收机的极化方式以及不同漏缆间距下的双漏缆MIMO信道的相关性,对MIMO系统的性能做出了比较，最后进行了总结与展望．

1 测量场景和测量方法

1.1 测量场景

本次实验场景选择了中天科技公司的电磁环境测量隧道．该矩形隧道长50 m,宽5 m,高3 m,钢筋混凝土结构．隧道内壁上设有6个位置的卡具摆放漏缆,采用位置1,3,5,6四个位置挂放的漏缆进行分析,分别标注为A1,A3,A5,A6．如图1所示为隧道实际环境图,漏缆间距如表 1所示．

由矢量信号发生器E8267D、GPS模块构成发射控制台,由接收天线与天线架、R&S FSG8频谱仪、上位机构成接收控制台．两个控制台通过同步时钟源连接,保持同步．接收信号由FSG8采集后通过上位机的PCIE接口,存储至上位机硬盘(图2)．测量频率为1.8 GHz,带宽为40.8 MHz,采样频率为81.6 MHz．

图1 隧道环境待测漏缆位置示意图

漏缆位置漏缆间距A1-A380cm(4.8λ)A1-A5100cm(6λ)A1-A6190cm(11.4λ)A3-A520cm(1.2λ)

图2 MIMO信道时域测量平台简图

1.2 漏缆极化方式说明

垂直于地面开槽的漏缆,由于槽缝间电场为水平方向,被称为水平极化;倾斜开槽时,电场既有水平分量又有垂直分量,由于垂直分量占主导,所以称为垂直极化．图3分别展示了垂直极化的漏缆以及水平极化的漏缆．

极化轴比与开槽形式有关,此次试验用的漏缆为中天公司提供的专用试验用缆．

(a) 水平极化的漏缆图

(b) 垂直极化的漏缆图

图3 两种不同极化方式的漏缆

1.3 测量方法

为了获得漏缆沿线的信道传播特性,在50 m隧道中选取了三个典型的测量区域,分别对应于隧道口处、50 m隧道中部、100 m隧道中部,记为R1、R2、R3,如图4所示．每个测量区域选取15个测量点,为3×5矩阵形式．其中每两个测量点之间间隔0.5 m(3λ),根据自由天线MIMO部署的经验性结论,天线之间距离为3λ时,相关性较低,所以综合隧道尺寸,本次测量间隔选取0.5 m．最近的测量点与墙面距离为2 m,在每次测量采集时间窗口内,尽可能避免人为因素的影响,确保无人员移动以及天线位置固定．

测量根据漏缆和接收天线极化方式的不同,分别测量了漏缆垂直/水平极化以及接收机垂直/水平极化情况．另外,根据漏缆间距的不同,分别测量了漏缆在A1,A3,A5,A6四个不同位置的情形,对应于4种漏缆间距．如图4所示,展示了系统连接．此时,漏缆放置在图中A1的位置,并且该漏缆垂直极化,标识为A1V．其他测量情况下的标识方式与此类似．

图4 A1情形系统连接图

2 测量数据处理

2.1 数据处理流程

信道相关性较小时,MIMO性能较优．分析步骤包括多径提取与相关性计算．首先,将接收信息与本地PN序列滑动相关获得功率延迟分布(Power Delay Profile,PDP),根据多径提取的经验准则(噪声阈值、最大多径数)从信道冲激响应(Channel Impulse Response,CIR)中提取有效径．将每个有效径进行矢量和来获得窄带的CIR,对于每个测量位置可以获得4 102个周期的CIR信息．含有幅度和相位信息的各路CIR经过公式运算来得到信道相关性(图5)．

图5 数据处理流程图

2.2 信道冲激响应的获取

测试采用的PN序列时域测量方法是一种宽带信道测量方法,比频域信道测量灵敏度高,处理数据速度快,原理如下．

使用线性反馈移位寄存器产生PN序列,对任一状态的ak,有

(1)

式中,ak∈{0,1},ak是以L为周期的有限的重复序列,即ai+L=ai．反馈线的连线状态用ci表示,ci∈{0,1},ci的取值决定了序列的结构[6]．

如图5所示,设接收到的信号为R(t),将其与本地PN序列S(t)进行相关运算,如式(2)所示:

(2)

式中：L为PN序列的长度;Ts为PN序列的采样间隔．

设CIR为h(t),则R(t)=h(t)*S(t),带入式(2)得:

=R(t)*S(-t)=S(t)*S(-t)*h(t)

≈δ(t)*h(t)=h(t).

(3)

式中*为卷积符号．因此,对接收信号与本地PN序列进行卷积即可得到CIR．接下来,通过选取门限阈值,并将所有独立有效径复CIR矢量相加,即可得到4 101个独立所有径的总CIR．

2.3 双漏缆MIMO的信道相关性分析

本次测量中,两根漏缆与两根接收天线两两间信道相关性作为矩阵元素构成了2×2 MIMO相关矩阵．两路信号S1、S2分别从漏缆的一个端馈入漏缆中．对于周期性辐射型漏缆来说,可以将一组槽孔看成单个槽孔簇,简化后的槽孔簇呈周期性排列．单根漏缆看成一个辐射源．2×2系统包括了四个子信道的相关性分析．即由于接收端的自由天线相关性依赖于接收端散射体分布以及天线特性,所以本文集中分析了两根漏缆与固定一根天线间所构成的信道的相关性,其信道空间相关公式为:

(4)

3 测量结果分析

3.1 测量结果

测量结果分析选取接收天线(R)为垂直(V)/水平(H)极化,双根漏缆(L)均为垂直极化(VV)、均为水平极化(HH)、一根垂直极化一根水平极化(VH)的情形．同时,选取了双漏缆的4种不同间距,分别为4.8λ、6λ、11.4λ、1.2λ,对不同间距下的MIMO信道相关性做出对比;并对漏缆间距为6λ时不同极化方式对相关性的影响进行了分析,如图4所示连接图．

3.2 极化方式与信道的相关性

漏缆MIMO相关性分析结果如表2和图6所示．

由表2行之间比较可以看到:1) 接收机垂直极化、双漏缆同极化(HH)时性能最优;接收机垂直极化、双漏缆交叉极化(VH)时性能其次;接收机水平极化、双漏缆同极化(VV)时性能最差．2) 接收机垂直接收时的性能优于接收机水平接收．3) 当接收机垂直极化接收时,同极化(HH)时性能最优．4) 当接收机水平极化接收时,双漏缆交叉极化(VH)时性能最优．

以上现象起主要作用的有两个因素:1) 当漏缆与天线极化方式不同时,影响了信号接收,但同时降低了信道相关性,对于提高MIMO信道容量是有利的．2) 漏缆与天线的通信在隧道沿水平方向传递,因此垂直极化情况下信道性能较好．两种因素在不同情况下各自发挥作用,造成了漏缆极化与接收天线极化不同组合下的复杂结果．

表2 漏缆MIMO相关性均值表

(a) 漏缆VV极化接收机V极化 (b) 漏缆VV极化接收机H极化

(c) 漏缆HH极化接收机V极化 (d) 漏缆HH极化接收机H极化

(e) 漏缆VH极化接收机V极化 (f) 漏缆VH极化接收机H极化

(g) 漏缆间距为6λ，接收机V极化 (h) 漏缆间距为6λ，接收机H极化图6 不同漏缆间距及不同极化方式下的MIMO信道相关性曲线

3.3 漏缆间距与信道的相关性

由表2列之间比较可以看到:1) 均值表明,当漏缆间距为1.2λ时,相关性最高,性能最差;当漏缆间距达到4.8λ之后,相关性将随着间距的增大变化缓慢,性能趋于稳定．2) 特例说明:当接收机垂直极化、漏缆水平极化时,此时选择A3-A5位置放置漏缆可得最优性能．

总之,相关性均值大小总体上小于0.5．虽然在不同的漏缆间距下,MIMO相关性大小有差异,但是,相关性受漏缆间间距大小影响不大．这点与室内环境[1]、车厢舱体[5]内的信道研究结果基本一致．

自由空间中,天线间距越大,信道相关性越小,但在隧道中由于多径反射原理以及漏缆视为阵列天线的特殊性,漏缆间距与信道相关性呈现非单调关系,这对今后的布署有工程参考价值．

4 结论与展望

本文采用了时域信道测量方法,测量了隧道环境下基于漏缆覆盖信道的性能,集中考察了不同极化方式和不同漏缆间距对MIMO系统性能的影响．

通过结果分析可以观察到接收机天线垂直极化,双漏缆同采用水平极化时MIMO性能最优．

在不同的漏缆间距下,MIMO系统的整体相关性不高,相关性大小并不太依赖于漏缆间距的大小．由于隧道空间有限,若漏缆之间的距离有严格要求,工程上会有诸多不便．本文结果放宽了MIMO对间距的要求,可对今后LTE-M部署提供工程上的参考．

文中结果只是对特定的漏缆测试的结果,当极化纯度较差时,相应的结果将向另一种极化情况发生偏移．下一步将对这一问题以及基于双漏缆覆盖的MIMO系统的容量、条件数以及接收机之间的相关性等方面继续进行研究．

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[3]HOU Y, TSUKAMOTO S, ARIYOSHI M, et al.4-by-4 MIMO channel using two leaky coaxial cables (LCXs) for wireless applications over linear-cell[C]//IEEE 3rd Global Conference on Consumer Electronics (GCCE).IEEE,2014：125-126.

[4]TSUKAMOTO S, MAEDA T, ARIYOSHI M, et al.An experimental evaluation of 2×2 MIMO system using closely-spaced leaky coaxial cables[C]//Annual Summit and Conference Asia-Pacific Signal and Information Processing Association.IEEE, 2014：1-5.

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[6]PIRKL R J, DURGIN G D.Optimal sliding correlator channel sounder design[J].IEEE transactions on wireless communications, 2008, 7(9)：3488-3497.

郑国莘 (1950-),男,山西人,上海大学通信与信息工程学院教授,中国电子学会微波分会委员．2010年、2014年轨道交通无线通信信道技术曾两次获上海市科技进步奖,主要研究方向为限定空间无线通信．

林苏燕 (1993-),女,江苏人,上海大学通信与信息工程学院硕士研究生，主要研究方向为限定空间无线通信．

武艺鸣 (1988-),男,江苏人,上海大学通信与信息工程学院博士研究生,主要研究方向为限定空间无线信道建模．

Channel measurement and research on LTE-M rail transit system using deployment of double leaky coaxial cables

ZHENG Guoxin1LIN Suyan1WU Yiming1LAN Yanrui2XU Zongming2KUANG Zhen1

(1.KeyLaboratoryofSpecialtyFiberOpticsandOpticalAccessNetworks,SchoolofCommunicationandInformationEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China;2.ZhongtianHitachiRadioFrequencyCo.,Ltd,Nantong226010,China)

LTE-M system is intended to be used in the next generation of rail transit system, in which more than one leaky coaxial cables(LCX) are employed to establish the multiple-input multiple-output(MIMO) system.Therefore, the system performance depended on the configuration should be studied.Based on the time domain channel measurement methodology and MIMO channel theory, we carried out channel measurements to investigate the MIMO performance using double LCXs in a typical tunnel scenario at the frequency of 1.8 GHz.We used different polarizations of LCX and different LCX spacings to analyze the MIMO channel correlation.We find that when the polarization of receiving antenna is vertical and polarization of two LCX are horizontal, the best MIMO performance will be shown.Thus, the MIMO performance is not strictly dependent on the LCX spacing.The results provide a reference for the deployment of LTE-M in the future.

tunnel;leaky cable;LTE-M;MIMO;channel correlation

郑国莘, 林苏燕, 武艺鸣, 等.采用双漏缆覆盖的轨道交通LTE-M系统信道的测量研究[J].电波科学学报,2016,31(5):906-911.

10.13443/j.cjors.2016070101

ZHENG G X, LIN S Y, WU Y M, et al.Channel measurement and research on LTE-M rail transit system using deployment of double leaky coaxial cables[J].Chinese journal of radio science,2016,31(5):906-911.(in Chinese).DOI：10.13443/j.cjors.2016070101

2016-07-01

国家自然科学基金重点项目(61132003)； 国家自然科学基金面上项目(61571282)

TN92

A

1005-0388(2016)05-0906-06

联系人：郑国莘 E-mail：gxzheng@staff.shu.edu.cn