基于裂缝波导的车地无线通信系统性能指标测试分析*

赵朝娜 郑国莘 徐 靖 尹柯伟

(1. 上海大学特种光纤与光接入网重点实验室， 特种光纤与先进通信国际合作联合实验室， 上海先进通信与数据科学研究院， 200072， 上海； 2. 中电科微波通信(上海)股份有限公司， 201802， 上海//第一作者，工程师)

WLAN(无线局域网)技术，在过去几年内已被广泛应用于轨道交通CBTC(基于通信的列车控制)车地通信系统[1]。LTE(长期演进)技术具有高带宽、高移动性、长区间覆盖、高扩展性等特点，可解决既有无线系统存在的不稳定、移动性差等问题，近些年被广泛应用于轨道交通车地通信系统[2-3]。根据工业及信息化部2015年65号文件，轨道交通行业可供划分使用的LTE频段为1.785～1.805 GHz。 故LTE易与同样获准采用1.8 GHz频段的其他专用网络产生异网同频干扰。而且地铁1.8 GHz专用频段紧邻中国移动DCS1800 系统的下行频段及中国电信系统的上行频段，还会产生邻频干扰。因此对传输媒介需认真选择。

车地无线通信系统采用的传输媒介主要有泄漏电缆、自由天线和裂缝波导三种。自由无线系统易受干扰，同时信号存在近大远小，系统稳定性差和可靠性差等问题。 泄漏电缆和裂缝波导的特性比较类似，二者的信号场强都是比较均匀。但泄漏电缆的接收天线一般安装于列车侧面或者车顶，在高架和地面区段时，不仅更易受到外界干扰，还会辐射一定的信号对其他系统造成干扰。 裂缝波导的波导接收天线一般安装于车底，因此，其信号稳定性和抗干扰性更好。

裂缝波导能提供稳定连续的通信[4-7]，被广泛应用于无线环境中复杂的场景。 文献[4]给出了用于CBTC的裂缝波导的功能和布置原则，以及裂缝波导衰耗的计算方法。文献[5]介绍了将裂缝波导结合 802.11 g协议应用于CBTC的车地通信系统，并建立了无线电隧道通信模型，模拟裂缝波导在隧道内的辐射特性，给出了结合AP(Wireless Access Point)的射频性能以及解决方案。文献[5]没有说明波导在整个列车地面通信系统中的应用。文献[6]给出在CBTC系统的相关波导性能测试内容，介绍了测试方法的详细信息，根据裂缝波导原理设计了一种简单的、基于裂缝波导的列车地面通信系统，并给出了当系统中使用802.11 g时，AP(无线接入点)与AP基站之间的裂缝波导覆盖距离应小于500 m的结论。文献[7]给出了裂缝波导信道和自由空间瑞利信道的性能差异对比，证实了裂缝波导可提供大容量、更稳定和高可信度的车地通信。

本文通过研究裂缝波导在波导接收天线不同高度的场强分布能力，得到波导接收天线的安装的最佳高度位置参数。在此基础上，搭建 LTE车地无线网络测试环境，模拟传输CBTC数据业务，验证其在覆盖、通信吞吐量、延时和丢包的能力，得出了基于裂缝波导的车地通信系统在CBTC应用可行的结论，并分析了实际应用中，裂缝波导存在热胀冷缩的特性，给出裂缝波导每隔300 m连接一段跳线的安装方式，并给出了系统链路损耗的计算方法。

1 裂缝波导介绍

矩形波导是用于传输微波信号的一种传输线。当微波在波导中传输时，波导里电磁场的分布比较复杂，但是有特定的规律。 可在波导中独立存在的每一种电磁波分布称为“模”。图1为矩形波导中最常见的TE10模的场结构的立体图。 对于一定尺寸的波导，每一个模都有其对应的截止频率fc。当电磁波的频率低于fc时，就不能在波导中传输，处于截止状态。只有电磁波的工作频率高于截止频率，电磁波才能在传输波导中传输。所以金属波导具有“高通滤波器”性质[8]。

图1 TE10模的电磁场立体结构

裂缝波导是在矩形波导宽面上周期性开缝(见图2)。裂缝波导的材料为金属(一般为铝合金)，而且波导内有TE10的电磁波存在；因此，在裂缝波导的内壁上存在电流。 缝隙的存在截断了波导内壁表面电流线。一部分电流会绕过该缝隙，剩下的则通过位移电流的方式沿原来方向通过缝隙，使缝隙间产生变化的电磁场，从而产生电磁波[9]。 裂缝波导的缝隙都很小，泄漏出来的能量也就十分小，故传输损耗较小，适用于地铁沿线应用。

图2 裂缝波导示意图

本文研究的裂缝波导选取国家标准型号为BJ22型的波导管，频率为1.72～2.61 GHz，且宽边和窄边比为2∶1，标准型BJ22裂缝波导参数见表1。

表1 标准型号BJ22裂缝波导参数表 mm

裂缝波导为了适应轨道交通的应用场景，一般有1 m、3 m、6 m、9 m和11 m等长度规格。裂缝波导和裂缝波导之间采用中间密封法兰进行连接，直至所需传输距离(见图3)。 裂缝波导在需要连接基站的一端连接波导同轴转换，裂缝波导的另一端一般连接波导负载或者泄露负载。

2 裂缝波导仿真和测试

裂缝波导采用的是近场耦合的方式。目前裂缝波导的近场并没有准确的信道模型。裂缝波导与波导接收天线最佳位置关系，通常采用软件仿真和实际测试的方式获得。

2.1 软件仿真裂缝波导耦合强度

基于LTE技术的裂缝波导型车地通信系统的工作频段是1.785～1.805 GHz，因此本文重点关注此频段的天线耦合性能。

采用HFSS软件建立裂缝波导模型和波导接收天线模型波导管选用BJ22型号，长度设置为3 m，波导接收天线采用金属腔的结构方式，经过尺寸优化使其性能达到最佳。将波导接收天线放置在裂缝波导正上方进行仿真。将天线高度h分别设置为200 mm，315 mm和418 mm，采样间隔为30 mm，仿真频率选为中心频率1.795 GHz。创建的仿真模型见图4，插入损耗和耦合强度仿真结果见图5～6。根据仿真结果,裂缝波导的插入损耗为-0.046 1 dB/(3 m)，即1.53 dB/(100 m)。 耦合强度的仿真结果见表2。由表2可知，裂缝波导和波导接收天线之间的间距越小，耦合强度越好。

图4 裂缝波导仿真模型

天线高度/mm耦合强度平均值/dB50%耦合95%耦合200-59.516-60.121315-60.933-61.777418-64.081-65.327

图6 不同高度耦合强度仿真结果

2.2 实体试验

在微波实验室使用矢量网络分析仪和二维近场平面测试系统进行试验。在实际应用中列车的振动会导致波导接收天线左右的偏移，因此，不仅要验证波导接收天线在裂缝波导正上方的耦合情况，还需验证天线左右偏移后波导的耦合强度性能。

试验设备布置示意图见图7。试验测试了天线在不同h及不同的左右偏移L情况下的耦合场强。试验采用6 m裂缝波导管及对应的波导接收天线测试，采样间隔为30 mm，测试频率为1.795 GHz，h分别为200 mm、315 mm、365 mm、418 mm和480 mm，L分别为0(正对)、10 cm、20 cm和30 cm。将裂缝波导放置在近场测试支架上，将波导接收天线在裂缝波导上方匀速移动，按采样间隔记录测试数据。表3为测试结果,图8～12分别为不同高度的测试结果分布图。

图7 裂缝波导测试架构图

从表3可知，随着h增加，耦合场强是逐渐变小的，正对状态下，h>400 mm时的95%耦合场强比h=200 mm时的小约3 dB，比h=315 mm和365 mm时小约2 dB。可见，波导接收天线和裂缝波导之间的间距越小越好。 从图8～12可知，考虑耦合场强，h越小，则L越小。在h=200 mm时，位置偏移会导致无线信号波动较大，即无线信号分布很不均匀。基于测试结果，波导接收天线距离裂缝波导的最佳距离可选315～365 mm。

表3 波导接收天线不同高度和偏移位置的信号场强

图8 h=200 mm、不同L时的场强情况

2.3 测试数据分析

根据软件仿真和现场试验结果，波导接收天线在裂缝波导正上方的高度越低，耦合场强越好；天线偏移中心越大，耦合场强越差；偏移时的耦合场强与天线高度有关系，高度低，天线左右偏移的耦合场强分布不均匀，当偏移一定量时，位置低波导接收天线的耦合强度反而不如位置高的耦合强度好。315～365 mm是比较好的天线高度。

图9 h=315 mm、不同L时的场强情况

图10 h=365 mm、不同L时的场强情况

图11 h=418 mm、不同L时的场强情况

图12 h=480 mm、不同L时的场强情况

3 裂缝波导结合LTE技术的适用性分析

为进一步验证裂缝波导作为LTE技术的车地通信系统的传输介质的适用性，要测试LTE技术和裂缝波导的匹配性。轨道交通CBTC业务要求如表4所示[12]。系统测试模拟传输CBTC数据业务，测试裂缝波导技术覆盖、通信吞吐量、延时和丢包的能力。

表4 轨道交通CBTC车地通信业务的要求

搭建LTE车地无线网络测试环境见图13。采用4根11 m的裂缝波导、1台基带处理单元(BBU)2台RRU(射频拉远单元)。RRU连接可调衰减器后，分别连接左右两侧各22 m的裂缝波导。可调衰减器用于模拟LTE信号衰落特性。测试模型分为近、中和远点，远点对应的信号强度为[-85,-95)dBm，中点为[-75,-85)dBm，近点为-75 dBm以下。小车上放置了波导接收天线、TAU(跟踪区更新)和车载服务器。天线放置高度为350mm。地面RRU通过光纤连接到BBU。而BBU通过网线连接至EPC核心网和地面服务器。服务器通过IXchariot软件模拟CBTC业务。测试中的LTE配置见表5。

图13 车地通信测试框图

项目配置内容LTE频率1.8 GHz小区频点配置相同频点65 300LTE系统频宽10 MHz邻区配置LTE:相邻小区的两个RRU配置为同一频点,RRU连接在一个BBU上配比上下行配比2∶2,特殊子帧10∶2∶2测试点远、中、近点

裂缝波导的插入损耗仿真值为1.53 dB/(100 m)。但实际使用中，100 m长的裂缝波导是一根根连接起来的，故实际损耗会比仿真值大一些。按照3 dB/(100 m)，进行模拟测试。在没加衰减器时，裂缝波导(5 m位置)正上方的测试信号强度为-57 dBm，根据该值模拟裂缝波导传输500～1 400 m。主要测试项目为：

(1) 承载CBTC业务的传输时延应小于150 ms。

(2) 无损和无缝切换延时性能测试中，延时单向<150 ms，丢包率≤0.5%。

(3) LTE吞吐量测试，吞吐量≥0.2 Mbit/s。

测试结果如表6～7所示。

表6 传输时延和吞吐量测试结果

表7 切换时延和丢包率测试结果

由测试结果分析，单侧传输模拟距离可达1 260 m(双侧可达2 500 m)。而实际工程中，因裂缝波导的热胀冷缩特性，长距离裂缝波导需要断开，并连接1段跳线(如图14所示)，以平衡热胀冷缩的压力。一般1段裂缝波导连的连续长度为300 m[11]。在实际工程中，每300 m波导的总损耗=裂缝波导传输损耗+同轴转换+射频跳线的损耗，则系统链路计算方法为：

Pr=Pt-L1-L2-L3-L4-L5

(1)

式中:

Pr——接收信号强度;

Pt——发射信号强度;

L1——连接裂缝波导射频电缆损耗;

L2——裂缝波导耦合损耗;

L3——裂缝波导传输损耗;

L4——300 m跳接损耗，为跳线损耗和2个同轴转换损耗(0.2 dB)之和;

L5——车载射频馈线传输损耗。

例如，若采用射频跳线的损耗为1 dB，则每隔300 m多出1.4 dB的损耗；根据上述已知0 m位置信号接收信号强度为-57 dBm，传输损耗3 dB/(100 m)，末端信号为-95 dBm，式(1)可算出，单侧最大传输距离为1 127 m。

图14 裂缝波导工程安装示意图

参考某品牌泄漏电缆的损耗情况，其在1.8 GHz的损耗为4.1 dB/100 m，接收天线高度为2 m时，50%耦合场强损耗的测试结果为61 dB，95%为66 dB[12]。经比较，泄漏电缆50%的耦合场强损耗与裂缝波导基本一致，95%的耦合场强损耗比裂缝波导大约3～4 dB。可见，裂缝波导的信号均匀性优于泄漏电缆。

4 结 语

本文提出了裂缝波导作为CBTC系统车地无线通信的传输媒介，通过仿真和实际测试得出裂缝波导最佳耦合高度，并搭载LTE基站配套裂缝波导进行了通信模拟测试，从而得出裂缝波导应用于CBTC系统车地无线传输的可行性结论，并为实际工程实施，提供了裂缝波导和波导接收天线之间的位置关系的理论基础。

考虑裂缝波导热胀冷缩的特性，给出长距离裂缝波导敷设时，系统链路损耗的计算方法，进一步保证了裂缝波导型车地通信系统应用于工程的可能。

裂缝波导不仅可以应用于基于WLAN技术的车地无线通信系统，并且可以扩展应用于基于LTE技术的车地通信系统，可以更加充分发挥LTE技术的优势。