基于裂縫波導(dǎo)的車地?zé)o線通信系統(tǒng)性能指標(biāo)測試分析*

趙朝娜 鄭國莘 徐 靖 尹柯偉

(1. 上海大學(xué)特種光纖與光接入網(wǎng)重點實驗室， 特種光纖與先進通信國際合作聯(lián)合實驗室， 上海先進通信與數(shù)據(jù)科學(xué)研究院， 200072， 上海； 2. 中電科微波通信(上海)股份有限公司， 201802， 上海//第一作者，工程師)

WLAN(無線局域網(wǎng))技術(shù)，在過去幾年內(nèi)已被廣泛應(yīng)用于軌道交通CBTC(基于通信的列車控制)車地通信系統(tǒng)[1]。LTE(長期演進)技術(shù)具有高帶寬、高移動性、長區(qū)間覆蓋、高擴展性等特點，可解決既有無線系統(tǒng)存在的不穩(wěn)定、移動性差等問題，近些年被廣泛應(yīng)用于軌道交通車地通信系統(tǒng)[2-3]。根據(jù)工業(yè)及信息化部2015年65號文件，軌道交通行業(yè)可供劃分使用的LTE頻段為1.785～1.805 GHz。 故LTE易與同樣獲準(zhǔn)采用1.8 GHz頻段的其他專用網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生異網(wǎng)同頻干擾。而且地鐵1.8 GHz專用頻段緊鄰中國移動DCS1800 系統(tǒng)的下行頻段及中國電信系統(tǒng)的上行頻段，還會產(chǎn)生鄰頻干擾。因此對傳輸媒介需認(rèn)真選擇。

車地?zé)o線通信系統(tǒng)采用的傳輸媒介主要有泄漏電纜、自由天線和裂縫波導(dǎo)三種。自由無線系統(tǒng)易受干擾，同時信號存在近大遠(yuǎn)小，系統(tǒng)穩(wěn)定性差和可靠性差等問題。 泄漏電纜和裂縫波導(dǎo)的特性比較類似，二者的信號場強都是比較均勻。但泄漏電纜的接收天線一般安裝于列車側(cè)面或者車頂，在高架和地面區(qū)段時，不僅更易受到外界干擾，還會輻射一定的信號對其他系統(tǒng)造成干擾。 裂縫波導(dǎo)的波導(dǎo)接收天線一般安裝于車底，因此，其信號穩(wěn)定性和抗干擾性更好。

裂縫波導(dǎo)能提供穩(wěn)定連續(xù)的通信[4-7]，被廣泛應(yīng)用于無線環(huán)境中復(fù)雜的場景。 文獻(xiàn)[4]給出了用于CBTC的裂縫波導(dǎo)的功能和布置原則，以及裂縫波導(dǎo)衰耗的計算方法。文獻(xiàn)[5]介紹了將裂縫波導(dǎo)結(jié)合 802.11 g協(xié)議應(yīng)用于CBTC的車地通信系統(tǒng)，并建立了無線電隧道通信模型，模擬裂縫波導(dǎo)在隧道內(nèi)的輻射特性，給出了結(jié)合AP(Wireless Access Point)的射頻性能以及解決方案。文獻(xiàn)[5]沒有說明波導(dǎo)在整個列車地面通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[6]給出在CBTC系統(tǒng)的相關(guān)波導(dǎo)性能測試內(nèi)容，介紹了測試方法的詳細(xì)信息，根據(jù)裂縫波導(dǎo)原理設(shè)計了一種簡單的、基于裂縫波導(dǎo)的列車地面通信系統(tǒng)，并給出了當(dāng)系統(tǒng)中使用802.11 g時，AP(無線接入點)與AP基站之間的裂縫波導(dǎo)覆蓋距離應(yīng)小于500 m的結(jié)論。文獻(xiàn)[7]給出了裂縫波導(dǎo)信道和自由空間瑞利信道的性能差異對比，證實了裂縫波導(dǎo)可提供大容量、更穩(wěn)定和高可信度的車地通信。

本文通過研究裂縫波導(dǎo)在波導(dǎo)接收天線不同高度的場強分布能力，得到波導(dǎo)接收天線的安裝的最佳高度位置參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，搭建 LTE車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)測試環(huán)境，模擬傳輸CBTC數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，驗證其在覆蓋、通信吞吐量、延時和丟包的能力，得出了基于裂縫波導(dǎo)的車地通信系統(tǒng)在CBTC應(yīng)用可行的結(jié)論，并分析了實際應(yīng)用中，裂縫波導(dǎo)存在熱脹冷縮的特性，給出裂縫波導(dǎo)每隔300 m連接一段跳線的安裝方式，并給出了系統(tǒng)鏈路損耗的計算方法。

1 裂縫波導(dǎo)介紹

矩形波導(dǎo)是用于傳輸微波信號的一種傳輸線。當(dāng)微波在波導(dǎo)中傳輸時，波導(dǎo)里電磁場的分布比較復(fù)雜，但是有特定的規(guī)律。 可在波導(dǎo)中獨立存在的每一種電磁波分布稱為“模”。圖1為矩形波導(dǎo)中最常見的TE10模的場結(jié)構(gòu)的立體圖。 對于一定尺寸的波導(dǎo)，每一個模都有其對應(yīng)的截止頻率fc。當(dāng)電磁波的頻率低于fc時，就不能在波導(dǎo)中傳輸，處于截止?fàn)顟B(tài)。只有電磁波的工作頻率高于截止頻率，電磁波才能在傳輸波導(dǎo)中傳輸。所以金屬波導(dǎo)具有“高通濾波器”性質(zhì)[8]。

圖1 TE10模的電磁場立體結(jié)構(gòu)

裂縫波導(dǎo)是在矩形波導(dǎo)寬面上周期性開縫(見圖2)。裂縫波導(dǎo)的材料為金屬(一般為鋁合金)，而且波導(dǎo)內(nèi)有TE10的電磁波存在；因此，在裂縫波導(dǎo)的內(nèi)壁上存在電流。 縫隙的存在截斷了波導(dǎo)內(nèi)壁表面電流線。一部分電流會繞過該縫隙，剩下的則通過位移電流的方式沿原來方向通過縫隙，使縫隙間產(chǎn)生變化的電磁場，從而產(chǎn)生電磁波[9]。 裂縫波導(dǎo)的縫隙都很小，泄漏出來的能量也就十分小，故傳輸損耗較小，適用于地鐵沿線應(yīng)用。

圖2 裂縫波導(dǎo)示意圖

本文研究的裂縫波導(dǎo)選取國家標(biāo)準(zhǔn)型號為BJ22型的波導(dǎo)管，頻率為1.72～2.61 GHz，且寬邊和窄邊比為2∶1，標(biāo)準(zhǔn)型BJ22裂縫波導(dǎo)參數(shù)見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)型號BJ22裂縫波導(dǎo)參數(shù)表 mm

裂縫波導(dǎo)為了適應(yīng)軌道交通的應(yīng)用場景，一般有1 m、3 m、6 m、9 m和11 m等長度規(guī)格。裂縫波導(dǎo)和裂縫波導(dǎo)之間采用中間密封法蘭進行連接，直至所需傳輸距離(見圖3)。 裂縫波導(dǎo)在需要連接基站的一端連接波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換，裂縫波導(dǎo)的另一端一般連接波導(dǎo)負(fù)載或者泄露負(fù)載。

2 裂縫波導(dǎo)仿真和測試

裂縫波導(dǎo)采用的是近場耦合的方式。目前裂縫波導(dǎo)的近場并沒有準(zhǔn)確的信道模型。裂縫波導(dǎo)與波導(dǎo)接收天線最佳位置關(guān)系，通常采用軟件仿真和實際測試的方式獲得。

2.1 軟件仿真裂縫波導(dǎo)耦合強度

基于LTE技術(shù)的裂縫波導(dǎo)型車地通信系統(tǒng)的工作頻段是1.785～1.805 GHz，因此本文重點關(guān)注此頻段的天線耦合性能。

采用HFSS軟件建立裂縫波導(dǎo)模型和波導(dǎo)接收天線模型波導(dǎo)管選用BJ22型號，長度設(shè)置為3 m，波導(dǎo)接收天線采用金屬腔的結(jié)構(gòu)方式，經(jīng)過尺寸優(yōu)化使其性能達(dá)到最佳。將波導(dǎo)接收天線放置在裂縫波導(dǎo)正上方進行仿真。將天線高度h分別設(shè)置為200 mm，315 mm和418 mm，采樣間隔為30 mm，仿真頻率選為中心頻率1.795 GHz。創(chuàng)建的仿真模型見圖4，插入損耗和耦合強度仿真結(jié)果見圖5～6。根據(jù)仿真結(jié)果,裂縫波導(dǎo)的插入損耗為-0.046 1 dB/(3 m)，即1.53 dB/(100 m)。 耦合強度的仿真結(jié)果見表2。由表2可知，裂縫波導(dǎo)和波導(dǎo)接收天線之間的間距越小，耦合強度越好。

圖4 裂縫波導(dǎo)仿真模型

天線高度/mm耦合強度平均值/dB50%耦合95%耦合200-59.516-60.121315-60.933-61.777418-64.081-65.327

圖6 不同高度耦合強度仿真結(jié)果

2.2 實體試驗

在微波實驗室使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和二維近場平面測試系統(tǒng)進行試驗。在實際應(yīng)用中列車的振動會導(dǎo)致波導(dǎo)接收天線左右的偏移，因此，不僅要驗證波導(dǎo)接收天線在裂縫波導(dǎo)正上方的耦合情況，還需驗證天線左右偏移后波導(dǎo)的耦合強度性能。

試驗設(shè)備布置示意圖見圖7。試驗測試了天線在不同h及不同的左右偏移L情況下的耦合場強。試驗采用6 m裂縫波導(dǎo)管及對應(yīng)的波導(dǎo)接收天線測試，采樣間隔為30 mm，測試頻率為1.795 GHz，h分別為200 mm、315 mm、365 mm、418 mm和480 mm，L分別為0(正對)、10 cm、20 cm和30 cm。將裂縫波導(dǎo)放置在近場測試支架上，將波導(dǎo)接收天線在裂縫波導(dǎo)上方勻速移動，按采樣間隔記錄測試數(shù)據(jù)。表3為測試結(jié)果,圖8～12分別為不同高度的測試結(jié)果分布圖。

圖7 裂縫波導(dǎo)測試架構(gòu)圖

從表3可知，隨著h增加，耦合場強是逐漸變小的，正對狀態(tài)下，h>400 mm時的95%耦合場強比h=200 mm時的小約3 dB，比h=315 mm和365 mm時小約2 dB。可見，波導(dǎo)接收天線和裂縫波導(dǎo)之間的間距越小越好。 從圖8～12可知，考慮耦合場強，h越小，則L越小。在h=200 mm時，位置偏移會導(dǎo)致無線信號波動較大，即無線信號分布很不均勻。基于測試結(jié)果，波導(dǎo)接收天線距離裂縫波導(dǎo)的最佳距離可選315～365 mm。

表3 波導(dǎo)接收天線不同高度和偏移位置的信號場強

圖8 h=200 mm、不同L時的場強情況

2.3 測試數(shù)據(jù)分析

根據(jù)軟件仿真和現(xiàn)場試驗結(jié)果，波導(dǎo)接收天線在裂縫波導(dǎo)正上方的高度越低，耦合場強越好；天線偏移中心越大，耦合場強越差；偏移時的耦合場強與天線高度有關(guān)系，高度低，天線左右偏移的耦合場強分布不均勻，當(dāng)偏移一定量時，位置低波導(dǎo)接收天線的耦合強度反而不如位置高的耦合強度好。315～365 mm是比較好的天線高度。

圖9 h=315 mm、不同L時的場強情況

圖10 h=365 mm、不同L時的場強情況

圖11 h=418 mm、不同L時的場強情況

圖12 h=480 mm、不同L時的場強情況

3 裂縫波導(dǎo)結(jié)合LTE技術(shù)的適用性分析

為進一步驗證裂縫波導(dǎo)作為LTE技術(shù)的車地通信系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)的適用性，要測試LTE技術(shù)和裂縫波導(dǎo)的匹配性。軌道交通CBTC業(yè)務(wù)要求如表4所示[12]。系統(tǒng)測試模擬傳輸CBTC數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，測試裂縫波導(dǎo)技術(shù)覆蓋、通信吞吐量、延時和丟包的能力。

表4 軌道交通CBTC車地通信業(yè)務(wù)的要求

搭建LTE車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)測試環(huán)境見圖13。采用4根11 m的裂縫波導(dǎo)、1臺基帶處理單元(BBU)2臺RRU(射頻拉遠(yuǎn)單元)。RRU連接可調(diào)衰減器后，分別連接左右兩側(cè)各22 m的裂縫波導(dǎo)。可調(diào)衰減器用于模擬LTE信號衰落特性。測試模型分為近、中和遠(yuǎn)點，遠(yuǎn)點對應(yīng)的信號強度為[-85,-95)dBm，中點為[-75,-85)dBm，近點為-75 dBm以下。小車上放置了波導(dǎo)接收天線、TAU(跟蹤區(qū)更新)和車載服務(wù)器。天線放置高度為350mm。地面RRU通過光纖連接到BBU。而BBU通過網(wǎng)線連接至EPC核心網(wǎng)和地面服務(wù)器。服務(wù)器通過IXchariot軟件模擬CBTC業(yè)務(wù)。測試中的LTE配置見表5。

圖13 車地通信測試框圖

項目配置內(nèi)容LTE頻率1.8 GHz小區(qū)頻點配置相同頻點65 300LTE系統(tǒng)頻寬10 MHz鄰區(qū)配置LTE:相鄰小區(qū)的兩個RRU配置為同一頻點,RRU連接在一個BBU上配比上下行配比2∶2,特殊子幀10∶2∶2測試點遠(yuǎn)、中、近點

裂縫波導(dǎo)的插入損耗仿真值為1.53 dB/(100 m)。但實際使用中，100 m長的裂縫波導(dǎo)是一根根連接起來的，故實際損耗會比仿真值大一些。按照3 dB/(100 m)，進行模擬測試。在沒加衰減器時，裂縫波導(dǎo)(5 m位置)正上方的測試信號強度為-57 dBm，根據(jù)該值模擬裂縫波導(dǎo)傳輸500～1 400 m。主要測試項目為：

(1) 承載CBTC業(yè)務(wù)的傳輸時延應(yīng)小于150 ms。

(2) 無損和無縫切換延時性能測試中，延時單向<150 ms，丟包率≤0.5%。

(3) LTE吞吐量測試，吞吐量≥0.2 Mbit/s。

測試結(jié)果如表6～7所示。

表6 傳輸時延和吞吐量測試結(jié)果

表7 切換時延和丟包率測試結(jié)果

由測試結(jié)果分析，單側(cè)傳輸模擬距離可達(dá)1 260 m(雙側(cè)可達(dá)2 500 m)。而實際工程中，因裂縫波導(dǎo)的熱脹冷縮特性，長距離裂縫波導(dǎo)需要斷開，并連接1段跳線(如圖14所示)，以平衡熱脹冷縮的壓力。一般1段裂縫波導(dǎo)連的連續(xù)長度為300 m[11]。在實際工程中，每300 m波導(dǎo)的總損耗=裂縫波導(dǎo)傳輸損耗+同軸轉(zhuǎn)換+射頻跳線的損耗，則系統(tǒng)鏈路計算方法為：

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

(1)

式中:

Pr——接收信號強度;

Pt——發(fā)射信號強度;

L1——連接裂縫波導(dǎo)射頻電纜損耗;

L2——裂縫波導(dǎo)耦合損耗;

L3——裂縫波導(dǎo)傳輸損耗;

L4——300 m跳接損耗，為跳線損耗和2個同軸轉(zhuǎn)換損耗(0.2 dB)之和;

L5——車載射頻饋線傳輸損耗。

例如，若采用射頻跳線的損耗為1 dB，則每隔300 m多出1.4 dB的損耗；根據(jù)上述已知0 m位置信號接收信號強度為-57 dBm，傳輸損耗3 dB/(100 m)，末端信號為-95 dBm，式(1)可算出，單側(cè)最大傳輸距離為1 127 m。

圖14 裂縫波導(dǎo)工程安裝示意圖

參考某品牌泄漏電纜的損耗情況，其在1.8 GHz的損耗為4.1 dB/100 m，接收天線高度為2 m時，50%耦合場強損耗的測試結(jié)果為61 dB，95%為66 dB[12]。經(jīng)比較，泄漏電纜50%的耦合場強損耗與裂縫波導(dǎo)基本一致，95%的耦合場強損耗比裂縫波導(dǎo)大約3～4 dB。可見，裂縫波導(dǎo)的信號均勻性優(yōu)于泄漏電纜。

4 結(jié) 語

本文提出了裂縫波導(dǎo)作為CBTC系統(tǒng)車地?zé)o線通信的傳輸媒介，通過仿真和實際測試得出裂縫波導(dǎo)最佳耦合高度，并搭載LTE基站配套裂縫波導(dǎo)進行了通信模擬測試，從而得出裂縫波導(dǎo)應(yīng)用于CBTC系統(tǒng)車地?zé)o線傳輸?shù)目尚行越Y(jié)論，并為實際工程實施，提供了裂縫波導(dǎo)和波導(dǎo)接收天線之間的位置關(guān)系的理論基礎(chǔ)。

考慮裂縫波導(dǎo)熱脹冷縮的特性，給出長距離裂縫波導(dǎo)敷設(shè)時，系統(tǒng)鏈路損耗的計算方法，進一步保證了裂縫波導(dǎo)型車地通信系統(tǒng)應(yīng)用于工程的可能。

裂縫波導(dǎo)不僅可以應(yīng)用于基于WLAN技術(shù)的車地?zé)o線通信系統(tǒng)，并且可以擴展應(yīng)用于基于LTE技術(shù)的車地通信系統(tǒng)，可以更加充分發(fā)揮LTE技術(shù)的優(yōu)勢。