基于高性能射线跟踪技术的城市隧道无线信号覆盖研究

唐庆涛，马子昂，官 科，罗 丹，徐 奂

(1．华东勘测设计研究院有限公司 交通市政工程院，杭州 311100； 2. 北京交通大学 a.轨道交通控制与安全国家重点实验室， b. 北京市高速铁路宽带移动通信工程技术研究中心，北京 100044)

城市隧道封闭狭长的结构以及隧道内的车流导致其内部的电波传播特性复杂多变，其内部的无线信号覆盖是保障隧道内车辆行驶安全与用户通信质量的基础.随着无线通信技术的快速发展和对高服务质量(Quality of Service, QoS)需求的不断增长[1]，城市隧道内的无线信号覆盖情况一直是隧道建设的重点.由于泄漏电缆具备传输信号稳定、场强覆盖均匀、多系统兼容性好、敷设距离远等优点，目前城市隧道内的无线信号覆盖主要依靠泄漏电缆实现[2].近年来，随着天线技术的不断成熟[3]，分布式天线系统[4]也逐步成为隧道内的无线信号覆盖方案.

隧道由于封闭狭长，组织进行测量工作只能在窗口期进行，导致测量数据获取困难.另外隧道场景可以看作一个半封闭室内场景，场景中的材料种类较少，电磁参数容易获取.这恰恰为射线跟踪技术在隧道内的应用提供了条件.近年来，利用射线跟踪技术开展隧道内的信道研究从未停止.

国内外许多专家学者对隧道内的电波传播特性进行了研究，文献[5]研究了隧道场景下泄漏电缆传播的小尺度衰落随时间的变化情况.文献[6]进行了基于隧道环境的泄漏电缆部署的多输入多输出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)信道测量活动.文献[7]分别在900 MHz、2.4 GHz和5.8 GHz频率下对不同天线类型的电波传播特性和半圆形截面弯曲隧道中的信道参数进行了测量.文献[8]基于测量进行了天线特性对公路隧道环境非平稳车-基础设施(Vehicle to Infrastructure, V2I)信道参数影响的实验研究.文献[9]对Ecuador的隧道进行场景重建并运用射线跟踪技术，对特高频(Ultra High Frequency，UHF)频段下的功率延迟曲线和接收信号强度进行了研究.文献[10]对隧道内高速列车(High-Speed Train，HST)通信系统接收功率和功率延迟分布进行分析，并通过仿真结果研究了载波频率、隧道形状、隧道尺寸、收发信机距离以及天线极化对于隧道信道特性影响.借助实际测量结果与射线跟踪仿真结果，文献[11]对路径损耗、时延扩展、角度扩展进行比较与验证，并以此得到一种新的路径损耗模型.

以往的研究主要通过测量手段针对单一无线信号覆盖方案进行研究，本文作者采用高性能射线跟踪技术，通过追踪接收机接收到的每一条多径，对隧道内分布式天线系统的无线信号覆盖情况进行预测，极大地提高了研究效率.同时不再只面向单一的一种无线信号覆盖方案，而是对分布式天线方案与泄漏电缆方案进行比较.

1 研究方案

1.1 高性能射线跟踪技术

在无线信号覆盖的研究中，对于无线信道的理解与描述是非常重要的.传统的信道建模方法依赖于大量数据的统计分析，往往面临实测数据难获取等问题.射线跟踪技术作为一种典型的确定性信道建模方法，从几何光学理论和电磁学理论出发，将电磁波等效于赋能的光学射线.通过对仿真环境的场景重建，追踪发射机到接收机之间的每条射线.计算过程运用几何学和电磁学的知识，可从追踪到的射线中得到准确的功率、时延、角度、极化等信道信息.射线跟踪技术具有高度的可解释性、准确性和稳定性，所以常应用于室内外场景的信道仿真、预测与建模.

为了兼顾准确性与效率，本文使用我国自主研发的高性能射线跟踪仿真平台CloudRT[12-13]，如图1所示，用户通过网站上的用户界面配置仿真任务.用户配置好环境模型、天线模型、收发机位置、频率、传播机理、计算节点后在高性能计算机上开始仿真.得到每个收发机位置的信道冲激响应和多径详细信息，包括多径传播机理类型、反散射阶数和反散射点位置、到达时间、距离、复数域场强、路径损耗、在垂直面和水平面的波离开角和到达角等.通过得到的多径信息可以计算路径损耗、功率时延谱、均方根时延扩展、莱斯K因子等关键的信道参数，从而进行高精度的信道表征与建模.

图1 CloudRT使用流程Fig 1 CloudRT usage process

1.2 泄漏电缆链路预算

泄漏电缆作为一种电磁波传导器件，通过开槽孔的方式破坏外导体完整性，从而打乱外导体的纵向电流流动，使得电磁波从槽口向外辐射，实现隧道内的无线信号均匀覆盖.泄漏电缆的总损耗包括耦合损耗和传输损耗，其中总的传输损耗与轴向距离呈线性关系，标准测距下的耦合损耗定义[14]为

Lc0=-10·lg(Pr)/Pt

(1)

式中：Lc0表示标准测距下的耦合损耗，dB；Pr为与泄漏电缆距离为2 m的标准半波长偶极子天线所接收到的功率，mW；Pt为与正对天线处的泄漏电缆中传输的功率，mW.

当泄漏电缆与接收天线之间的距离为非标准测距时,耦合损耗需要用进行修正为

(2)

在基于泄漏电缆的城市隧道覆盖方案中，接收机的接收功率为[15]

(3)

式中：PRx为接收机的接收功率，dBm；PTx为基站设备输出功率，dBm；Ls为各种接头总体损耗，dB;Ld为功分器损耗，dB；LT为泄漏电缆每百米传输损耗，dB/100 m；d为接收机与射频拉远单元(Remote Radio Unit，RRU)之间的距离，m；Lc为修正后的泄漏电缆耦合损耗(2 m,95%)，dB；GRx为接收机增益，dBi.

2 场景模型搭建及仿真配置

2.1 场景及列车模型搭建

在场景方面，采用之江路拱形隧道这一典型城市隧道，利用SketchUp软件对其进行场景模型搭建，并且对隧道中的车辆进行建模，隧道和车体的关键几何参数设置为：隧道截面为拱形；隧道材料为清水混凝土；隧道长度2 000 m; 车体材料为金属、玻璃；车体长度为5 m,高度为1.6 m,宽度为2 m.隧道横断面图如图2所示，车体三维模型如图3所示.

图2 隧道横断面Fig.2 Tunnel cross section

图3 车体模型Fig.3 Vehicle model

2.2 仿真配置

本次仿真的中心频率为1.8 GHz，带宽为20 MHz，分别采用垂直极化的全向天线和泄漏电缆作为发射机，选择垂直极化的全向天线作为接收机.仿真的详细配置如表1所示.

表1 仿真参数配置Tab.1 Simulation parameter configurations

3 分布式天线方案

目前城市隧道内的分布式天线方案主要采用如图4所示的光纤天线系统，信号通过射频同轴电缆进入光近端机,电信号经电光转换转变为光信号,从光近端机输入至光纤,经过光扩展机后传输到各个光远端机,光远端机把光信号转为电信号,信号经过放大后送入发射天线,实现隧道内的无线信号覆盖.其中远端机在隧道中的位置需要在隧道建设时期进行规划并预留位置.

图4 光纤天线系统Fig.4 Fiberoptic antenna system

为确定合理的城市隧道分布式天线系统的无线信号覆盖方案，重点是确定城市隧道内远端机的安装位置，并以此确定天线安装位置.我们采用射线跟踪技术对1.8 GHz频段下不同天线间隔的分布式天线方案进行仿真，得到不同天线间隔下接收功率情况的仿真结果如图5所示.

图5 1.8 GHz频段不同天线间隔下接收功率情况Fig.5 Received power under different antenna deployments at 1.8 GHz

从仿真结果发现，衰落余量为15 dB的情况下，若要保证满足-85 dBm的接收机灵敏度要求，仿真结果需满足接收功率大于-70 dBm.其中天线间隔为200，400，800 m均满足覆盖要求，为了在单点故障的情况下仍然能够满足通信要求，即当某一个天线出现故障时，覆盖电平仍然能够达到系统规定的性能要求，故可确定分布式天线系统合理的天线间隔为400 m.

4 无线信号覆盖方案比较

4.1 分布式天线及泄漏电缆安装方案

根据对分布式天线方案的研究以及实际工程中的泄漏电缆部署方案得到本次无线信号覆盖仿真的安装方案.其中基于分布式天线的无线信号覆盖方案中，天线间隔为400 m；基于泄漏电缆的无线信号覆盖方案为在隧道内预留的洞室内安装RRU，间距为1000 m，RRU通过功分器向隧道两侧各敷设500 m的泄漏电缆.两种无线信号覆盖方案的具体安装方式如图6所示.

图6 城市隧道覆盖方案Fig.6 Urban tunnels coverage scheme

4.2 车载接收机接收功率

将接收机设置在车辆顶部距地面1.7 m处，分别得到分布式天线系统和泄漏电缆系统内的无线信号覆盖情况，仿真结果如图7所示.

图7 接收功率仿真结果Fig.7 Simulation results of received power

从仿真结果中可以发现：在400 m间隔的分布式天线系统中每个发射天线使用同一频率，所以多径分量在接收端可以进行合并，使得接收功率能保持在-55 dBm以上，在该天线间距下能保证接收信号质量.在1.8 GHz频段，泄漏电缆的耦合损耗与每100 m的传输损耗较高，导致1000 m的RRU设置间距已无法保证覆盖效果.在此布置方案下，分布式天线系统的覆盖情况要明显优于泄漏电缆系统.若仍选择泄漏电缆进行覆盖，可考虑保持RRU间距不变的情况下采用双侧铺设泄漏电缆进行覆盖补偿，即在隧道双侧洞室内交错布置RRU进行泄漏电缆铺设.或者继续沿用单侧泄漏电缆铺设，通过缩小RRU间距，以提高覆盖效果.

4.3 三维覆盖情况

分别对泄漏电缆系统和分布式天线系统覆盖下的隧道内部进行仿真，得到隧道内部三维覆盖如图8和图9所示.

图8 泄漏电缆系统三维覆盖Fig.8 3D coverage of leaky cable system

图9 分布式天线系统三维覆盖Fig.9 3D coverage of distributed antenna system

在泄漏电缆系统中随着接收机与RRU距离增加，传输损耗也不断增加，导致整体系统损耗呈线性升高，使得在泄漏电缆末端的覆盖情况明显变差.分布式天线系统中接收机可将来自相邻发射天线的信号进行合并，使得接收功率处在-55 dBm以上，覆盖情况优于泄漏电缆，且能达到类似泄漏电缆系统的均匀覆盖效果.同时可满足隧道内不同天线挂高，不同行驶轨迹的车辆信号需求.

4.4 横断面覆盖情况

为了更清晰地了解横断面上的无线信号覆盖情况，在泄漏电缆系统和分布式天线系统的覆盖条件下，选取隧道横断面进行仿真，分别得到泄漏电缆系统和分布式天线系统内的横断面覆盖情况如图10和图11所示.

图10 泄漏电缆系统横断面覆盖Fig.10 Cross-sectional coverage of leaky cable system

图11 分布式天线系统横断面覆盖Fig.11 Cross-sectional coverage of distributed antenna system

根据仿真结果可知，从泄漏电缆中辐射出的信号在空间中进行传播会造成损耗，使得当泄漏电缆安装在隧道一侧时会导致靠近泄漏电缆侧的车道接收功率比另一侧高6 dB左右.在同一横断面内分布式天线系统的覆盖情况随机性更强，这是由于复杂的多径分量在接收端进行相干叠加，导致出现图10中红框内标记的深衰落区域.

通过以上仿真得到两种覆盖方案下的覆盖效果对比如表2所示，可以发现分布式天线系统中车载台接收到的接收信号功率要明显高于泄漏电缆系统.将同一横断面内的接收功率最大值与最小值做差得到横断面接收功率最大差值，发现泄漏电缆系统的接收功率起伏更小.

表2 覆盖方案对比Tab.2 Comparison of coverage schemes

5 结论

本文介绍了一种典型的隧道内分布式天线部署方案，基于此方案比较了不同间隔的分布式天线系统，并根据接收信号门限和可克服单点故障确定了最佳天线间隔为400 m.另外分别进行了1.8 GHz频段下分布式天线系统与泄漏电缆系统的无线信号覆盖方案仿真，通过比较这两种城市隧道覆盖方案发现：

1)在1.8 GHz频段下，分布式天线系统能够满足-70 dBm接收信号门限值要求.泄漏电缆系统由于系统内的高损耗，使得目前的泄漏电缆部署方案在泄漏电缆的末端区域并不能很好地满足覆盖需求，可考虑采用双向交错覆盖或缩短RRU布置间距的方式改善泄漏电缆系统的覆盖情况.

2)分布式天线系统由于多个天线发射同一信号，从而使得接收端可接收到更多的多径分量，通过相干叠加可使得分布式天线系统达到类似泄漏电缆系统的均匀覆盖效果.

3) 在当前场景中，1.8 GHz频段的分布式天线的覆盖情况要优于泄漏电缆的覆盖情况，并且泄漏电缆存在价格高、安装与维护困难、具有截止频率等缺点，所以考虑用分布式天线替代泄漏电缆能够在保证城市隧道内覆盖质量的前提下，大大节省资金.

通过高性能射线跟踪技术，比较了分布式天线方案和泄漏电缆方案，并确定采用分布式天线方案.该研究为城市隧道内分布式天线系统的布置提供依据，促进了智慧交通的发展.在弯曲隧道中来自相邻天线的信号会由于弯曲的隧道壁遮挡，使得分布式天线系统的无线信号覆盖情况变差，并且随着曲率半径的减小，这种情况会更加严重，所以本次仿真只针对直隧道.未来可探究曲率半径对分布式天线系统的无线信号覆盖影响，从而研究更加细化的分布式天线部署方案，以期在实际城市隧道的网络规划中给出具体的覆盖方案.