基于衰減因子模型的地鐵施工期通信系統設計*

周誠華 周 俊 胡 成

(南昌軌道交通集團有限公司，330038，南昌//第一作者，高級工程師)

地鐵地下區域機電施工時，由于無公網無線信號覆蓋，現場施工人員只能借助對講機進行短距離通話，不僅通話質量不佳，而且發生突發事件時極難溝通信息，會造成更大的損失。對于此問題，文獻[1]提出了基于Okumura-hata模型的通信系統設計方案，文獻[2]提出了基于對數路徑模型的通信系統設計方案。這兩種通信系統設計方案的傳播損耗算法不同，適用范圍也有相應差異。基于Okumura-hata模型的通信系統適用頻段為150～1 500 MHz，覆蓋范圍為1～20 km；基于對數路徑模型的通信系統適用頻段為800～2 500 MHz，覆蓋范圍為0～500 m。而國內運營商信號頻段為1 880～2 025 MHz，在地鐵站內及隧道區間的覆蓋范圍約為5 km。因此，上述兩種通信系統設計方案均不滿足外部條件。本文提出一種基于衰減因子模型的地鐵通信系統(以下簡為“衰減通信系統”)，適用于地鐵施工，是穩定可靠的實時通信系統。

1 衰減通信系統技術方案

1.1 系統概述

衰減通信系統由信源模塊、多系統合路平臺(POI)模塊及天饋系統模塊等組成。信源模塊包含GSM(全球移動通信)、CDMA(碼分多址)、WCDMA(寬帶碼分多址)制式的無線直放站各1臺、3副八木天線，以及UPS(不間斷電源)及蓄電池。POI模塊包含多個同頻合路器、異頻合路器和連接線纜等。天饋系統模塊包含耦合器、功分器、重發天線、饋線等無源器件。信源模塊、POI模塊及天饋系統模塊相互協同工作，從而實現地鐵站臺、站廳，以及隧道區間的公網信號覆蓋，保證機電施工現場通信暢通。

1.2 基于衰減因子模型的傳播損耗算法

傳播損耗對于測算手機接收到的信號場強十分重要。現有模型的適用頻段和覆蓋范圍不能滿足地鐵施工的環境要求。本次研究采用衰減因子模型來分析無線信號的傳播損耗。標準的衰減因子模型如式(1)所示[3]。

(1)

式中：

d——天線與手機間的距離；

PL(d) ——從天線發出的信號傳播d產生的衰耗；

n——室內傳播衰耗因子；

R——穿透損耗，即傳播過程中穿透混凝土墻、磚墻、玻璃門等阻隔產生的損耗；

dp——參考距離，一般取值為0.001 km；

PL(dp) ——距離天線dp處的傳播損耗。

由于dp非常小，所以按照自由空間傳播損耗的定義，以Friis傳輸公式來計算PL(dp)的值[4]。不考慮天線增益的情況下，Friis傳輸公式可表述為：

(2)

式中：

Pr——手機接收功率；

Pt——1副天線的發射功率；

λ——波長。

根據式(2)，令λ=c/f(其中，c為光速，取3×108m/s，f為公網信號工作頻段)，則可推導出自由空間傳播損耗為：

(3)

把式(3)代入式(1)中，即為基于衰減因子模型的傳播損耗算法：

(4)

1.3 基于衰減因子的信號場強算法

參照文獻[5]，手機接收的信號場強算法表述為:

Pr(d)=Pt—PL(d)+G

(5)

式中：

Pr(d) ——距離天線d處，手機收到的信號場強；

G——天線的增益。

Pt與天饋系統中無源器件的損耗有關，而且，功分器會把無源器件的輸出功率進行均分。所以，1副天線某種制式信號的發射功率為：

(6)

式中：

Pi——第i臺某種制式直放站的下行輸出功率；

N0——某種制式直放站的數量；

α——單個耦合器的插入損耗；

N1——1副天線所在路徑中耦合器的個數；

β——單個功分器的分配損耗；

φ——單個功分器的功分系數；

N2——1副天線所在路徑中功分器的個數；

L——1副天線所在路徑中饋線的長度；

φ——百米饋線損耗系數。

綜上所述，將式(6)與式(4)代入式(5)中，即可得出基于衰減因子的信號場強算法。

2 測試方案與測試結果

在南昌地鐵2號線雅苑路站(未開通并處于機電施工中)搭建測試環境，對衰減通信系統進行測試。

2.1 測試方案

第一步，通過管理軟件對3臺直放站進行配置，并實時采樣輸入、輸出功率等參數。

第二步，選擇測試的位置。選擇在站廳層和站臺層的公共區域進行測試。測試區域并不完全規則，其間有多堵承重墻、木門、玻璃門等。測試把一對重發天線單端對應的地面位置作為原點端，另一端作為終點端。每對天線的距離設置為30 m，其間每隔3 m取1個測試點。共選擇10個位置進行測試。重發天線距離地面的高度約為2.0～2.7 m。在站廳層測試的路徑中，離原點8 m處有承重墻；在站臺層測試的路徑中，離原點10 m處有一木門；而隧道區間的測試路徑是一條直道，且無任何阻隔物。以站廳層為例，測試位置情況如圖1所示。

第三步，對理論值進行計算。按照測試點，根據傳播損耗算法與信號場強算法計算手機接收到的信號場強。以圖1為例，先估算d1、d2的值，再把d1和d2代入式(5)得Pr(d1)與Pr(d2)。手機接收信號應滿足“趨強原則”[6]，即手機只能接收原點端和終點端信源中信號強度最大的1個，所以，測試點手機接收到的信號場強理論值等于max(Pr(d1),Pr(d2)) 。

注：l——測試點距原點的距離；h——重發天線距地面的高度；d1——原點端重發天線距測試點的距離；d2——終點端重發天線距測試點的距離

圖1 站廳層測試示意圖

第四步，對測試環境進行實測。通過數據線把手機與筆記本電腦相連，使用手機在測試點上接收重發天線的信號。可通過電腦中的Probe軟件顯示收到的信號場強大小。實測界面見圖2。

圖2 Probe測試軟件界面圖

第五步，把信號場強的實測值、理論值與設計規范中的邊緣場強對比。按照設計規范要求，理論值與實測值誤差不得大于3 dB，且手機收到的信號場強必須大于規范中要求的邊緣場強，該系統才能進行正常的語音通話[7-9]。

2.2 測試結果與分析

按照測試方案，以移動GSM信號為例，繪制信號場強測試結果圖。

2.2.1 站廳層測試結果

站廳層測試結果如圖3所示。由于選擇的測試路線中有1面承重墻，且位于第2個測試點與第3個測試點之間，原點側的信號穿透墻面后強度急劇衰減，所以第3個測試點信號最弱。按照“趨強原則”，此時手機的信源從原點端切換至終點端，隨著l的大小逐漸增加，距終點端信源的距離就會減少，所以第3個測試點后信號場強會逐漸增強。

圖3 站廳層GSM信號場強測試結果

2.2.2 站臺層測試結果

站臺層的測試情況與站廳層類似，木門位于第3個與第4個測試點之間。站臺層測試結果如圖4所示。

圖4 站臺層GSM信號場強測試結果

2.2.3 隧道區間測試結果

隧道區間的信號場強測試結果圖5所示。隧道區間選擇的是一條規則且無任何阻隔物的測試路徑，所以任何測試點上都未出現信號急劇衰減。信號的衰減僅與l的大小有關，依據“趨強原則”，在第5個節點之后，手機的信源切換至終點端，隨著l越大，信號場強又逐步增強。

圖5 隧道區間GSM的信號場強測試結果圖

2.2.4 測試結果分析

綜上所述，由于隧道區間選擇了類自由空間的測試環境，信號測試值與理論值的誤差顯然小于3 dB。站廳層與站臺層的測試環境不規則，其阻隔物加劇了信號的衰減，但基于衰減因子的傳播損耗算法考慮了阻隔物的穿透損耗。所以信號的實測值與理論值間誤差有所增大，但仍小于3 dB。此外，測試值與理論值均大于移動通信網設計規范中的邊緣場強(-85 dB)。可見，上述測試結果符合移動通信網設計規范的要求。

3 結語

本次研究提出了一種基于衰減因子模型的通信系統設計方案，采用了衰減因子模型分析了無線信號的傳播損耗以及手機接收到的信號場強，并搭建了測試環境對該通信系統進行測試。測試結果證明，在地鐵地下區域機電施工過程中，該通信系統能保證相關人員使用手機進行正常的語音通信。