采用雙漏纜覆蓋的軌道交通LTE-M系統信道的測量研究

鄭國莘 林蘇燕 武藝鳴 藍燕銳 徐宗銘 匡震

(1.上海大學通信與信息工程學院 特種光纖與光接入網重點實驗室,上海 200072;2.中天科技射頻電纜有限公司,南通 226010)

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采用雙漏纜覆蓋的軌道交通LTE-M系統信道的測量研究

鄭國莘1林蘇燕1武藝鳴1藍燕銳2徐宗銘2匡震1

(1.上海大學通信與信息工程學院 特種光纖與光接入網重點實驗室,上海 200072;2.中天科技射頻電纜有限公司,南通 226010)

下一代軌道交通系統將采用LTE-M系統,并采用多根漏泄電纜(簡稱漏纜)組成多入多出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)系統．因此，需要研究漏纜設置與系統性能之間的關系。依據時域信道測量方法與MIMO信道相關理論,在典型的類地鐵隧道環境中,測量并分析了1.8 GHz頻段下基于雙根漏纜覆蓋的MIMO系統性能,通過測量不同極化方式下的漏纜和接收天線以及不同漏纜間距下的信道信息，分析了信道相關性，發現當接收機天線垂直極化而雙漏纜同采用水平極化時MIMO性能最優,相關性大小并不太依賴于漏纜間距．這些結果可對今后LTE-M系統部署提供參考．

隧道;泄漏電纜;LTE-M;MIMO;信道相關性

DOI 10.13443/j.cjors.2016070101

引 言

我國正在大規模地開展軌道交通的建設．國家城交協制定的LTE-M 規范中采用1 785～1 805 MHz頻段TD-LTE承載基于通信的列車控制系統(Communication Based Train Control,CBTC)、視頻監控(Image Monitoring System,IMS)、乘客信息系統(Passenger Information System,PIS)、列車運行狀態監測、集群調度等多種服務．LTE-M系統將采用漏纜多入多出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技術,保證通信的容量與可靠性．

目前,全國已有十多條線路布署LTE-M,而漏纜MIMO信道測量處于起步階段．文獻[1]中采用矢網分析儀在室內環境下,對2.4 GHz WiFi頻段的MIMO信道特征進行了測量研究．文獻[2]分析了使用單漏纜雙端饋入方案在2.4 GHz頻點下2×2 MIMO信道矩陣的條件數．文獻[3]中使用雙漏纜在2.4 GHz頻段上構建了4×4 MIMO系統,并分析了該系統MIMO信道矩陣的條件數．文獻[4]在2.4 GHz的頻段上,測量了基于漏纜覆蓋的試驗網絡的吞吐量．文獻[5]研究車廂內采用輻射電纜的LTE系統,對800～2 600 MHz的3個頻段內的信道矩陣的條件數進行了分析．現有研究較少涉及隧道1.8 GHz頻段．因此,本文在隧道環境中測量分析了漏纜和天線不同極化和不同漏纜間距下MIMO信道的相關性．

本文簡述了測量開展的場景以及測量方法，對測量數據進行了處理運算，分析了不同的漏纜、接收機的極化方式以及不同漏纜間距下的雙漏纜MIMO信道的相關性,對MIMO系統的性能做出了比較，最后進行了總結與展望．

1 測量場景和測量方法

1.1 測量場景

本次實驗場景選擇了中天科技公司的電磁環境測量隧道．該矩形隧道長50 m,寬5 m,高3 m,鋼筋混凝土結構．隧道內壁上設有6個位置的卡具擺放漏纜,采用位置1,3,5,6四個位置掛放的漏纜進行分析,分別標注為A1,A3,A5,A6．如圖1所示為隧道實際環境圖,漏纜間距如表 1所示．

由矢量信號發生器E8267D、GPS模塊構成發射控制臺,由接收天線與天線架、R&S FSG8頻譜儀、上位機構成接收控制臺．兩個控制臺通過同步時鐘源連接,保持同步．接收信號由FSG8采集后通過上位機的PCIE接口,存儲至上位機硬盤(圖2)．測量頻率為1.8 GHz,帶寬為40.8 MHz,采樣頻率為81.6 MHz．

圖1 隧道環境待測漏纜位置示意圖

漏纜位置漏纜間距A1-A380cm(4.8λ)A1-A5100cm(6λ)A1-A6190cm(11.4λ)A3-A520cm(1.2λ)

圖2 MIMO信道時域測量平臺簡圖

1.2 漏纜極化方式說明

垂直于地面開槽的漏纜,由于槽縫間電場為水平方向,被稱為水平極化;傾斜開槽時,電場既有水平分量又有垂直分量,由于垂直分量占主導,所以稱為垂直極化．圖3分別展示了垂直極化的漏纜以及水平極化的漏纜．

極化軸比與開槽形式有關,此次試驗用的漏纜為中天公司提供的專用試驗用纜．

(a) 水平極化的漏纜圖

(b) 垂直極化的漏纜圖

圖3 兩種不同極化方式的漏纜

1.3 測量方法

為了獲得漏纜沿線的信道傳播特性,在50 m隧道中選取了三個典型的測量區域,分別對應于隧道口處、50 m隧道中部、100 m隧道中部,記為R1、R2、R3,如圖4所示．每個測量區域選取15個測量點,為3×5矩陣形式．其中每兩個測量點之間間隔0.5 m(3λ),根據自由天線MIMO部署的經驗性結論,天線之間距離為3λ時,相關性較低,所以綜合隧道尺寸,本次測量間隔選取0.5 m．最近的測量點與墻面距離為2 m,在每次測量采集時間窗口內,盡可能避免人為因素的影響,確保無人員移動以及天線位置固定．

測量根據漏纜和接收天線極化方式的不同,分別測量了漏纜垂直/水平極化以及接收機垂直/水平極化情況．另外,根據漏纜間距的不同,分別測量了漏纜在A1,A3,A5,A6四個不同位置的情形,對應于4種漏纜間距．如圖4所示,展示了系統連接．此時,漏纜放置在圖中A1的位置,并且該漏纜垂直極化,標識為A1V．其他測量情況下的標識方式與此類似．

圖4 A1情形系統連接圖

2 測量數據處理

2.1 數據處理流程

信道相關性較小時,MIMO性能較優．分析步驟包括多徑提取與相關性計算．首先,將接收信息與本地PN序列滑動相關獲得功率延遲分布(Power Delay Profile,PDP),根據多徑提取的經驗準則(噪聲閾值、最大多徑數)從信道沖激響應(Channel Impulse Response,CIR)中提取有效徑．將每個有效徑進行矢量和來獲得窄帶的CIR,對于每個測量位置可以獲得4 102個周期的CIR信息．含有幅度和相位信息的各路CIR經過公式運算來得到信道相關性(圖5)．

圖5 數據處理流程圖

2.2 信道沖激響應的獲取

測試采用的PN序列時域測量方法是一種寬帶信道測量方法,比頻域信道測量靈敏度高,處理數據速度快,原理如下．

使用線性反饋移位寄存器產生PN序列,對任一狀態的ak,有

(1)

式中,ak∈{0,1},ak是以L為周期的有限的重復序列,即ai+L=ai．反饋線的連線狀態用ci表示,ci∈{0,1},ci的取值決定了序列的結構[6]．

如圖5所示,設接收到的信號為R(t),將其與本地PN序列S(t)進行相關運算,如式(2)所示:

(2)

式中：L為PN序列的長度;Ts為PN序列的采樣間隔．

設CIR為h(t),則R(t)=h(t)*S(t),帶入式(2)得:

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

≈δ(t)*h(t)=h(t).

(3)

式中*為卷積符號．因此,對接收信號與本地PN序列進行卷積即可得到CIR．接下來,通過選取門限閾值,并將所有獨立有效徑復CIR矢量相加,即可得到4 101個獨立所有徑的總CIR．

2.3 雙漏纜MIMO的信道相關性分析

本次測量中,兩根漏纜與兩根接收天線兩兩間信道相關性作為矩陣元素構成了2×2 MIMO相關矩陣．兩路信號S1、S2分別從漏纜的一個端饋入漏纜中．對于周期性輻射型漏纜來說,可以將一組槽孔看成單個槽孔簇,簡化后的槽孔簇呈周期性排列．單根漏纜看成一個輻射源．2×2系統包括了四個子信道的相關性分析．即由于接收端的自由天線相關性依賴于接收端散射體分布以及天線特性,所以本文集中分析了兩根漏纜與固定一根天線間所構成的信道的相關性,其信道空間相關公式為:

(4)

3 測量結果分析

3.1 測量結果

測量結果分析選取接收天線(R)為垂直(V)/水平(H)極化,雙根漏纜(L)均為垂直極化(VV)、均為水平極化(HH)、一根垂直極化一根水平極化(VH)的情形．同時,選取了雙漏纜的4種不同間距,分別為4.8λ、6λ、11.4λ、1.2λ,對不同間距下的MIMO信道相關性做出對比;并對漏纜間距為6λ時不同極化方式對相關性的影響進行了分析,如圖4所示連接圖．

3.2 極化方式與信道的相關性

漏纜MIMO相關性分析結果如表2和圖6所示．

由表2行之間比較可以看到:1) 接收機垂直極化、雙漏纜同極化(HH)時性能最優;接收機垂直極化、雙漏纜交叉極化(VH)時性能其次;接收機水平極化、雙漏纜同極化(VV)時性能最差．2) 接收機垂直接收時的性能優于接收機水平接收．3) 當接收機垂直極化接收時,同極化(HH)時性能最優．4) 當接收機水平極化接收時,雙漏纜交叉極化(VH)時性能最優．

以上現象起主要作用的有兩個因素:1) 當漏纜與天線極化方式不同時,影響了信號接收,但同時降低了信道相關性,對于提高MIMO信道容量是有利的．2) 漏纜與天線的通信在隧道沿水平方向傳遞,因此垂直極化情況下信道性能較好．兩種因素在不同情況下各自發揮作用,造成了漏纜極化與接收天線極化不同組合下的復雜結果．

表2 漏纜MIMO相關性均值表

(a) 漏纜VV極化接收機V極化 (b) 漏纜VV極化接收機H極化

(c) 漏纜HH極化接收機V極化 (d) 漏纜HH極化接收機H極化

(e) 漏纜VH極化接收機V極化 (f) 漏纜VH極化接收機H極化

(g) 漏纜間距為6λ，接收機V極化 (h) 漏纜間距為6λ，接收機H極化圖6 不同漏纜間距及不同極化方式下的MIMO信道相關性曲線

3.3 漏纜間距與信道的相關性

由表2列之間比較可以看到:1) 均值表明,當漏纜間距為1.2λ時,相關性最高,性能最差;當漏纜間距達到4.8λ之后,相關性將隨著間距的增大變化緩慢,性能趨于穩定．2) 特例說明:當接收機垂直極化、漏纜水平極化時,此時選擇A3-A5位置放置漏纜可得最優性能．

總之,相關性均值大小總體上小于0.5．雖然在不同的漏纜間距下,MIMO相關性大小有差異,但是,相關性受漏纜間間距大小影響不大．這點與室內環境[1]、車廂艙體[5]內的信道研究結果基本一致．

自由空間中,天線間距越大,信道相關性越小,但在隧道中由于多徑反射原理以及漏纜視為陣列天線的特殊性,漏纜間距與信道相關性呈現非單調關系,這對今后的布署有工程參考價值．

4 結論與展望

本文采用了時域信道測量方法,測量了隧道環境下基于漏纜覆蓋信道的性能,集中考察了不同極化方式和不同漏纜間距對MIMO系統性能的影響．

通過結果分析可以觀察到接收機天線垂直極化,雙漏纜同采用水平極化時MIMO性能最優．

在不同的漏纜間距下,MIMO系統的整體相關性不高,相關性大小并不太依賴于漏纜間距的大小．由于隧道空間有限,若漏纜之間的距離有嚴格要求,工程上會有諸多不便．本文結果放寬了MIMO對間距的要求,可對今后LTE-M部署提供工程上的參考．

文中結果只是對特定的漏纜測試的結果,當極化純度較差時,相應的結果將向另一種極化情況發生偏移．下一步將對這一問題以及基于雙漏纜覆蓋的MIMO系統的容量、條件數以及接收機之間的相關性等方面繼續進行研究．

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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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鄭國莘 (1950-),男,山西人,上海大學通信與信息工程學院教授,中國電子學會微波分會委員．2010年、2014年軌道交通無線通信信道技術曾兩次獲上海市科技進步獎,主要研究方向為限定空間無線通信．

林蘇燕 (1993-),女,江蘇人,上海大學通信與信息工程學院碩士研究生，主要研究方向為限定空間無線通信．

武藝鳴 (1988-),男,江蘇人,上海大學通信與信息工程學院博士研究生,主要研究方向為限定空間無線信道建模．

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

鄭國莘, 林蘇燕, 武藝鳴, 等.采用雙漏纜覆蓋的軌道交通LTE-M系統信道的測量研究[J].電波科學學報,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

國家自然科學基金重點項目(61132003)； 國家自然科學基金面上項目(61571282)

TN92

A

1005-0388(2016)05-0906-06

聯系人：鄭國莘 E-mail：gxzheng@staff.shu.edu.cn