高速磁浮交通毫米波通信系統場強測試分析*

胡昌桂 張仿琪 陳笑南 魏祥斌 董丹陽 虞 翊

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，430063，武漢；2.同濟大學磁浮交通工程技術研究中心，201804，上海；3.上海大學特種光纖與光接入網重點實驗室，200041，上海；4.同濟大學電子與信息工程學院，201804，上海 ∥ 第一作者，正高級工程師)

近期，國家磁浮交通工程技術研究中心在同濟大學嘉定校區高速磁浮試驗線(以下簡為“試驗線”)上試驗了速度為600 km/h的高速磁浮試驗樣車。試驗樣車采用的車地通信系統與文獻[1]中提及的相同。該車地通信系統采用38 GHz頻段承載車地間的列車定位數據、運行控制數據及乘客信息服務。通信系統關乎磁浮交通的安全運行[2-3]。因此，為了確保通信的可靠性，需要對車地間無線信道的特點進行研究。

文獻[4]在室內走廊環境下，對使用的定向天線28 GHz頻段信道進行了測量，利用射線跟蹤技術分析了28 GHz頻段的路徑損耗和小尺度衰落的特性。文獻[5-7]在室內環境下對60 GHz信道的路徑損耗和時間色散性進行了深入研究，結果表明，視距(LOS)下路徑損耗指數的變化范圍為0.40～2.10，非視距(NLOS)環境下路徑損耗指數的變化范圍為1.97～5.40，兩者存在顯著差異。文獻[8-9]在室外環境下對28 GHz、38 GHz、73 GHz頻段的傳播信道進行了測量與建模，研究發現，LOS與非視距環境下毫米波的傳播距離分別約為200 m和100 m；且在高鐵場景信道研究方面，非平穩信道、視距稀疏信道和視距多輸入多輸出(MIMO)受到廣泛關注。文獻[10-11]預測了毫米波在鐵路通信的應用模式。文獻[12]對鐵路環境中40 GHz頻段毫米波的傳播特性進行了測試，重點研究了高架線路中的傳播損耗。

為了確保高速磁浮交通典型場景下毫米波通信的可靠性，本文通過測試、計算和仿真等方法，對試驗線38 GHz頻段信道的傳輸特性進行了研究。

1 高速磁浮交通毫米波通信系統場強測試

1.1 高速磁浮交通車地無線通信系統場強測試平臺介紹

高速磁浮交通車地無線通信系統場強測試平臺由場強儀與電腦組成。場強儀安裝于三腳架接收平臺上，從水平和垂直兩個方向可對接收角度進行調節。頻譜儀通過信號電纜與場強儀信號輸出端口相連。數據處理計算機與頻譜儀采用以太網連接，由便攜式計算機對頻譜儀測量數據進行存儲、處理及顯示。

場強儀中的變頻模塊將測量信號的頻率線性降頻至易于觀測的低頻段，且將其輸入到頻譜儀進行觀測。混頻器和濾波器是變頻模塊的主要部件，其工作原理如圖1所示。本振信號(LO)倍頻后輸入到混頻器與射頻信號(RF)混頻，輸出頻率為和頻與差頻，經濾波器濾去和頻信號后，即得到頻率被降低的差頻信號(IF)。

圖1中，本振采用4.71 GHz信號源。將本振信號經過變頻后得到的37.68 GHz信號作為測量系統的基準信號。以38 GHz測量信號為例，經過變頻器后輸出的信號為320 MHz。

圖1 場強測試平臺變頻模塊工作原理圖

同理，對無線電頻率分別為37 GHz、38 GHz和39 GHz的信號進行測量，則經場強儀輸出對應的差頻信號值均小于6 GHz,可由頻譜儀進一步處理。

1.2 試驗線地面基站概況

試驗線地面基站位置示意圖，如圖2所示。試驗線全長1 500 m，其中，車庫長度為93 m。為了使磁浮列車運行過程中始終有兩個環路與列車保持有通信鏈路，根據運行控制系統雙分區設置的要求，試驗線進行了重疊布站。

圖2 試驗線地面基站位置示意圖

圖2中，試驗線的雙環覆蓋是指磁浮列車與兩個環路進行通信，以保證列車的安全運行。在一分區內，1A1、1A2、1A3為一個通信環路，此環路的地面基站頻率為37 128 MHz；1B1、1B2、1B3為另一個通信環路，此環路的地面基站頻率為3 338 MHz。在二分區內，2A1為一個環路，此環路地面基站頻率為3 352 MHz；2B1為另一個環路，此環路的地面基站頻率為37 563 MHz。不同環路的地面基站設置不同的頻率，不僅可以避免信號間的干擾，也可以更好地保證雙環覆蓋的效果。

將試驗線各基站的命名規則和相關信息統計在表1中。表1中，每個基站編號前的1和2分別表示基站所處的分區，1表示基站布置在一分區，2表示基站布置在二分區；每個基站編號后的L和R分別表示每個基站朝左的天線和朝右的天線。

表1 試驗線各基站的命名規則和相關信息統計表

由圖2可知，試驗線由直道區域與彎道區域組成，其中，K0+300—K0+600為彎道區域，其他區域為直道區域。為了使地面基站能夠覆蓋足夠大的區域，在直道區域地面基站選擇了波束寬度較窄但增益較高的天線，而在彎道區域地面基站選擇了波束寬度較寬但增益較低的天線。彎道區域的地面基站包括1A2與1B2，其他地面基站都處于直道區域。彎道區域和直道區域地面基站天線的參數如表2所示。

表2 試驗線彎道區域和直道區域地面基站天線的參數

試驗線地面基站實際安裝位置如圖3所示。圖3中，安裝基站天線的抱桿距試驗線軌道中心線的距離為 2 m，基站的高度距軌道平面的距離為3.05 m。

圖3 試驗線地面基站的實際安裝位置圖

2 試驗線基站場強的冗余覆蓋

將試驗線地面各基站天線設置為背對背模式，基站垂直下方“燈下黑”，導致場強覆蓋存在盲區，其解決方案是依靠相鄰基站的信號保證應有的場強覆蓋。通過現場對試驗線全線基站的場強分布進行測試來驗證該方案的可行性。

以1B1基站為例，其無線信號將保證對相鄰基站下方覆蓋。通過現場測試，獲得場強覆蓋情況，如圖4所示。由圖4可知，基站兩個方向的信號接收功率均隨著離基站距離的增大而減小，沿線場強總體控制在-55 dBm以上。其信號接收功率在鄰近基站1A1R和1A2盲區處均大于-60 dBm，實現了對鄰近基站盲區的有效覆蓋。基站盲區出現在K260處，盲區長度約為30 m，且盲區將由基站1A1R和 1A2L保障覆蓋。

圖4 基站1B1的場強分布圖

基站1A1R處的場強覆蓋情況，如圖5所示。由圖5可知，基站處信號接收功率在-50 dBm之上；在基站1B1盲區附近的信號接收功率約為-45 dBm，該值大于地面基站接收信號閾值-85 dBm，滿足了基站覆蓋要求。

圖5 基站 1A1R的場強分布圖

基站1A2處的場強覆蓋情況，如圖6所示。由圖6可知，基站兩個方向的信號接收功率都隨著離基站距離的增大而減小；基站沿線總體場強控制在-60 dBm以上；基站盲區出現在K0+416處，盲區長度約為22 m，其信號接收功率在鄰近基站1B1和1B2盲區處都大于-60 dBm，實現了對鄰近基站盲區的有效覆蓋。

圖6 基站1A2場強分布圖

由此可見，試驗線沿線的信號接收功率高于-60 dBm，各基站實現了對相連基站盲區的有效覆蓋，從而使得試驗線全線沒有信號接收盲區。另一方面，由于實際運行的磁浮列車頭車與尾車的總長度約為54 m，因此，磁浮列車的頭車和尾車不會同時出現在某個基站盲區內。綜上所述，試驗線的基站場強分布可以滿足實際高速磁浮列車的通信需求。

3 毫米波路徑損耗的預測

實測系統中，路徑損耗PL的計算公式為：

PL=Pt-Pr+Gt+Gr-Ls

(1)

式中：

Pt，Pr——分別為信號的發射功率與接收功率；

Gt，Gr——分別為基站天線的增益與測試使用喇叭天線的增益；

Ls——場強儀與低頻線L3 的總損耗，通過系統標定為28.80 dB。

由式(1)計算出試驗線各基站的路徑損耗值后，通過線性擬合得到各基站的路徑損耗，見圖7。

圖7 試驗線沿線各基站處路徑損耗擬合曲線

圖7中，試驗線沿線各基站的路徑損耗擬合直線對應的參數 如表3所示。由表3可知，試驗線沿線各基站處的實測路徑損耗擬合直線的路徑損耗指數β的取值范圍為1.9～2.1，路徑損耗截距α為66.56～74.10 dB。自由空間的路徑損耗指數一般取2，β與自由空間的路徑損耗指數存在差距，一方面是由于實際測試環境下信號在傳播過程中由于受到周圍障礙物反射而降低了傳播時的衰減；另一方面是由于測試中基站天線增益可能存在損耗，導致接收功率變小。根據上述分析，α取70.33 dB，β取2。

表3 試驗線各基站處實測路徑損耗擬合直線對應參數表

進一步在相同的天線配置與場景下，預測基站遠距離毫米波覆蓋下接收機接收到的信號功率，如表4所示。由表4可知，若將-85 dBm作為最低接收功率，則表4中僅存在1項低于接收功率指標，說明基站間距離可望進一步增加，以減少投資和維護成本。

表4 試驗線基站不同里程與發射功率下的信號接收功率

4 結語

在同濟大學嘉定校區1.5 km的磁浮試驗線上全面測試了試驗線沿線基站的場強覆蓋，針對背靠背天線設置下的“燈下黑”盲區，通過相鄰基站的相互冗余覆蓋可以使該區域接收信號的功率大于-65 dBm，滿足通信需求。對試驗線全線的測試結果表明，典型磁浮場景下毫米波車地信道的路徑衰減截距為70.33，衰減指數為2，由此預測了不同基站功率、不同距離下的信號覆蓋。該結果對超高速磁浮的毫米波通信系統基站布設具有一定的參考意義。