城市軌道交通隧道場景基于射線追蹤技術的LTE-M 系統性能仿真方法研究

唐 霈

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，430063，武漢∥高級工程師）

LTE-M（城市軌道交通車地綜合通信系統）是基于公網LTE（長期演進）技術專門為城市軌道交通定制的寬帶移動通信系統，實現了對基于通信的列車控制（CBTC）、集群調度和乘客信息系統（PIS）等多種業務的綜合承載，目前已廣泛應用于北京、重慶、深圳、上海等近80 條城市軌道交通線路［1-2］。LTE-M 系統性能仿真是開展關鍵技術和網絡優化部署等研究的重要手段。當前性能仿真均基于標準信道模型，然而LTE-M 作為專網，其電波傳播環境、工作頻段、網絡部署方式等都與LTE 公網有著顯著的不同，因此難以沿用LTE 公網的信道模型。

目前，學術界和工業界已經針對軌道交通特殊場景無線信道特性分析與建模開展了一定的研究，并針對部分場景建立了標準信道模型。例如，針對隧道漏纜場景，3GPP（第三代合作伙伴計劃）建立了單徑萊斯信道模型和多徑信道模型。然而上述標準信道模型，為了降低復雜度、提高普適性，進行了大量的簡化。例如，沒有考慮隧道截面、漏纜位置、漏纜掛高等因素，因此難以對具體工程環境的無線信道特性進行精確刻畫，進而對LTE-M 系統性能進行準確評估。

針對上述問題，本文提出了基于射線追蹤技術的LTE-M 系統性能仿真方法：

1）針對軌道交通工程環境，建立電波傳播場景3D 模型；

2）基于場景3D 模型，采用射線追蹤技術，仿真得到無線信道特性參量；

3）根據得到的無線信道特性參量，得到時變信道沖激響應，進行無線信道仿真；

4）在搭建的性能仿真平臺對LTE-M 系統性能進行仿真測試。

本文提出的方法與傳統基于信道模型的性能仿真評估方法相比，具有以下三方面主要優點：

1）不依賴于信道模型，適用場景更廣；

2）針對具體工程環境，針對性更好；

3）場景參數（如隧道截面、漏纜位置、漏纜掛高、漏纜輻射特性、車載天線等）均可靈活調整。

本文采用該方法，以國內某市域鐵路區間直線隧道漏纜場景為例，分析了無線信道特性，并在搭建的LTE-M 仿真系統上對LTE-M 系統性能進行了仿真，探究了影響機理。

1 電波傳播場景3D 建模

建立電波傳播場景的高精度3D 模型（包括環境中反散射體的物理位置、幾何尺寸和材質），是開展射線追蹤的基礎，直接關系到射線追蹤對信道特性刻畫的精度。但在實際研究中，為了降低場景建模和射線追蹤的復雜度，提升研究結果的普適性，通常需要對場景進行較大的簡化，即只考慮對信道特性有較大影響的場景特征，而忽略較多的細節，同時也會造成仿真精度一定程度的下降。

本文以鄭州機場至許昌市域鐵路區間矩形隧道直線地段為例（如圖1 所示），重點考慮隧道和列車車體，將隧道近似為如圖2 所示的矩形模型，隧道材質設定為混凝土；將列車近似為如圖3 所示的車輛模型（參考B 型車），車輛材質設定為鋁合金型材；對于接觸網、受電弓、電纜支架、水管等細節未加考慮。

圖1 鄭州機場至許昌市域鐵路區間矩形隧道直線地段建筑限界圖

圖2 隧道3D 模型

2 基于射線追蹤的無線信道特性分析

2.1 射線追蹤技術

圖3 列車3D 模型

射線追蹤技術基于一致性繞射理論（UTD），將高頻電磁波（如微波、毫米波等）在遠場的傳播特性簡化為射線模型，根據電波傳播場景的3D 模型，通過追蹤每根射線的傳播過程（包括反射［3］、繞射［4］和散射等），得到每根射線的無線信道特性參量（包括路徑損耗、時延、相移、頻移、離開角、到達角等），最后綜合得到整個信道的特性參量。

射線追蹤技術基于場景模型和海量計算，可以無需進行現場信道測量，具有實施成本低、周期短、靈活性好等優點，近年來得到了越來越廣泛的研究和應用。如文獻［5］采用射線追蹤技術對芬蘭赫爾辛基城區環境多徑傳播特性進行了研究；文獻［6］將射線追蹤技術得到的信道特性與基于實測的信道數據進行了對比，顯示具有很好的一致性。

北京交通大學和德國布倫瑞克工業大學聯合開發了射線追蹤平臺。為了驗證平臺仿真得到的信道特性的準確性，研發人員在多種場景下，對該平臺射線追蹤得到信道特性結果與現場的實測數據進行對比，并通過了中國計量科學研究院的檢測。例如，文獻［7］采用該平臺研究了列車車廂場景無線信道特性，并與實地測量結果進行了對比，結果表明，該平臺具有較高的精度。該平臺于2016 年投入試運行，2018 年7 月在英國倫敦正式向全球發布，目前已有美國、德國、瑞典等國的20 多個科研機構使用該平臺進行無線信道研究。

2.2 無線信道特性分析

基于建立的隧道和列車3D 模型，在射線追蹤平臺上，可得到不同漏纜掛高時的無線信道特性，其相關參數設置如表1 所示。

表1 射線追蹤參數設置

基于射線追蹤技術，可以得到距離車載天線最近的201 個縫隙（從信號饋入漏纜的方向，縫隙索引號依次為-100 ～+100）的信道數據，包括第i 個縫隙輻射的第j 條射線的信道增益αi，j、時延τi，j、離開角、到達角等。根據上述信道數據，計算得到各縫隙到車載天線無線信道的信道特征參量，包括路徑損耗、平均時延、均方根時延擴展等，如圖4 所示。

由圖4 可綜合得到整個無線信道的特征參數，如表2 所示。在以此基礎上可進一步開展信道建模和信道仿真。

圖4 各縫隙輻射信道的信道特征參數

表2 綜合得到的無線信道特征參數

由圖4 和表2 可知，漏纜掛高對信道特性有顯著的影響。漏纜掛高為3.4 m 時，相對于掛高為3.8 m 和4.0 m 的路徑損耗和平均時延都明顯增加（如路徑損耗增加約60 dB）。這是因為車載天線高度3.85 m、車體高度為3.8 m，當漏纜掛高為3.4 m 時直射射線被車體遮擋，只能通過隧道壁和車體的反射到達車載天線；而漏纜掛高為3.8 m 和4.0 m 時，射線主要以直射方式到達車載天線，因此路徑損耗和平均時延要小得多。

文獻［8］對2.145 GHz 頻段隧道漏纜場景的無線信道進行了實地測量，測量時漏纜與車載天線存在直射徑。文獻［8］給出了實測數據的均方根時延擴展累計概率函數，中值約為12.1 ns（即累積分布函數為0.5 時的取值）。而本文中，當漏纜掛高為4.0 m時，均方根時延擴展約為10.73 ns，與文獻［8］的實地測量結果有差異但基本吻合。差異產生原因，一方面是由于場景與參數設置存在差異；另一方面，為了降低復雜度，在射線追蹤仿真時，對場景進行了簡化，沒有考慮部分反散射體，從而會導致均方根時延擴展有一定程度的下降。

3 無線信道仿真方法

現介紹基于射線追蹤技術得到的無線信道參量、生成時變信道沖激響應，以及進行無線信道仿真的方法。具體流程如下：

1）計算多普勒頻移：多普勒頻移是無線信道的重要參數，直接關系到信道的時變特性。由于隧道漏纜場景中只有車載天線處于移動中，因此多普勒頻移只與射線到達角中的俯仰角θi，j和水平角ωi，j有關，可得

其中，fc為載波頻率，v 為列車移動速度，c 為光速。這里假定多普勒頻移不隨時間發生變化。

2）得到時變信道系數：根據各射線的多普勒頻移fi，j和復信道增益αi，j，得到各射線的時變信道系數為

3）得到時變信道沖激響應：將具有相同時延的射線的信道系數相加，得到時變信道沖激響應

其中，s為接收機時延分辨率，δ（ - ns）為沖激函數。

4）得到信道輸出y（t），完成信道仿真：

4 LTE-M 系統性能仿真

4.1 LTE-M 系統性能仿真

本文基于Matlab 軟件的仿真工具，按照3GPP規范，搭建了LTE-M 系統仿真。該仿真可以靈活設置頻段、帶寬、上下行時隙配比、特殊子幀等參數，能支持多種場景無線信道和多種信道仿真方法（包括基于標準信道模型和基于射線追蹤），能實現對吞吐量、丟包率、誤比特率等性能指標的仿真。仿真流程如圖5 所示。

圖5 LTE-M 系統仿真流程圖

4.2 性能仿真結果

現針對鄭州機場至許昌市域鐵路區間矩形隧道場景，參照LTE-M 系統參數配置，采用上述射線追蹤技術得到無線信道和信道仿真方法，在LTE-M系統仿真中對下行性能進行了仿真評估，仿真參數如表3 所示。

表3 仿真參數表

本案例在不同信噪比和移動速度下對LTE-M系統性能進行了仿真測試。由圖6 可見：隨著信噪比增大，LTE-M 系統吞吐量增加，丟包率和誤比特率下降，系統性能不斷提高；但當信噪比達到15 dB后，性能提升不明顯。因此，建議將信噪比優化目標設定為15 dB。另外，隨著速度增加，吞吐量下降，誤比特率和丟包率上升，特別是當移動速度超過80 km/h 后，性能會發生明顯惡化。此時多普勒頻偏和擴展是影響性能的主要因素，在接收機研發時必須考慮采用性能更優的多普勒頻偏和擴展校正算法。

圖6 性能仿真結果圖

5 結語

本文以隧道漏纜場景為例，介紹了所提出的基于射線追蹤的LTE-M 系統性能評估方法。該方法具有適用面廣、精度較高、靈活性好等優點，能為LTE-M 工程建設和設備設計與優化提供支持。