地鐵站環境下水平與垂直移動的通信信號特性研究

陳劍培

(1.云南民族大學 電氣信息工程學院信息工程系，云南 昆明 650500；2.云南大學 信息學院， 云南 昆明 650500)

為了緩減與城市發展相伴出現的地面交通壓力，各大城市的軌道交通系統建設也突飛猛進.截至2019年7月，中國開通地鐵的城市已經達到43個，而昆明地鐵到2020年11月，已開通了5條交通路線，有效緩減了昆明市的交通壓力.

隨著地鐵的發展，移動通信的發展也成為城市建設的重點工程.目前廣泛采用直放站或基站接入，在車站站臺區域設置天饋系統的方案，然而，地鐵移動通信并不完善，仍面臨通信質量差、建設費用高等難題[1].國內外對地鐵移動通信的研究也炙手可熱，其中北京交通大學陶成教授團隊的相關研究較多.文獻[2]對地鐵環境下的站廳、站臺以及隧道環境下通信系統的設計以及信號的覆蓋進行了研究.文獻[3]對地鐵隧道信號進行了建模研究，采用了射線跟蹤、模態理論和經驗模型.文獻[4]同樣采用基于射線跟蹤法的鏡像法建立信道模型，并研究了地下隧道環境下的大尺度衰落和小尺度衰落.文獻[5]對特定頻段下地鐵隧道環境的路徑損耗進行分析，研究隧道斷面類型，收發位置，斷面面積和天線的極化對路徑損耗特性的影響.越區切換模型很早就被應用于了民用無線通信系統中，尤其是對車站站內和站外的越區切換，具有高于接收信號強度閾值的平滑切換區域是決定越區切換成功的關鍵[6-7].

但地鐵環境的一些特殊區域的信號特性研究卻很少，如地鐵站的站臺、站廳和地鐵出入口等環境.由于越區切換頻繁和依靠地面通信網絡，使得這些特殊區域的信號質量弱.本文以昆明地鐵為例，對地鐵站中垂直和水平移動下的通信信號特性進行了研究.首先在地鐵環境下對地鐵站外、售票站廳和乘車站臺等環境的水平與垂直移動時的接收功率進行測量，然后采用對數正態陰影模型、越區切換和建筑物分隔損耗模型對通信信號進行建模仿真.

1 傳播相關理論

1.1 對數正態陰影模型

對數正態陰影模型在對數距離路徑損耗模型的基礎上，考慮了在接發雙方距離相同的環境下，不同位置的周圍環境差別非常大，導致測試信號與預測的平均結果存在很大差異而建立的模型.某一距離發射機d處的接收功率的路徑損耗服從隨機正態分布[8]，即：

(1)

Pr(d)=Pt-PL(d).

(2)

1.2 建筑物分隔損耗

建筑物的樓層間的損耗由建筑物外部面積和材料以及建造樓層和外部環境確定的建筑物類型決定，甚至建筑物窗口的數量和外在的顏色(會衰減無線電波的能量)也會對其產生影響.研究學者使用衰減因子(FAF)來描述分隔損耗對信號傳播帶來的影響[8].

1.3 越區切換

切換是指當移動終端在通話期間從一個小區進入另一個小區時，將呼叫在其進程中從一個無線信道轉換到另一個信道的過程，是移動終端系統中移動性管理的基本內容之一，也是實現移動通信的必要條件.

2 數據測試

測試工具采用一款手機軟件——信號管家，該軟件可測手機信號強度，并有信號分時圖清楚顯示信號強弱，簡單易操作，且與頻譜儀比較，精度可以保證大尺度衰落下的通信信號功率測量.測試路線為昆明市呈貢區地鐵1號線的大學城南站環境.為了研究地鐵站外、售票站廳和乘車站臺等環境下終端垂直或水平移動時的通信信號特性，選取了3類測試路線：測試路線1為地鐵站外的水平移動，測試路線2為地鐵站內垂直移動，測試路線3為地鐵站內(站廳層和站臺層)水平移動.

地鐵站外的水平移動測試路線1：昆明地鐵1號線的大學城南站出口A，C，D向外的3條路線，其中A、C口的測試路線在云南白藥街，地勢寬闊，遮擋物較少，D口位于欣慧路，在云南開發大學側門附近.測試數據如表1.

表1 地鐵站外的測試數據

地鐵站內垂直移動測試路線2：從地鐵口進入站廳層和從站廳層進入站臺層2個測試.從大學城南站地鐵口外進入地鐵內，沿樓梯向下.從站口到站廳垂直移動時，信號接收功率逐漸減弱后又出現增強的趨勢，符合越區切換的傳播機制；從站廳到站臺垂直移動時，接收功率變化先降低后上升的趨勢，同樣符合越區切換.測試數據見表2.

表2 地鐵內垂直移動的測試數據

地鐵站內(站廳層和站臺層)水平移動的測試路線3：在站臺和站廳環境下，選擇同2個環境下同一個位置為起點測試移動臺接收功率，每隔 5 m 測一個數據，測試數據如表3.

表3 地鐵內垂直移動的測試數據

從表3中可以觀察到，在站廳和站臺的水平移動過程中，在 70 m 以前站廳信號接收功率比站臺好，而 70 m 以后則相反.分析原因，站內吸頂天線是呈間隔分布的，在測量的過程中出現了測試信號的越區切換.

3 地鐵通信信號建模

3.1 對數正態陰影模型

對數正態陰影模型適合對只存在一個基站覆蓋下的通信信號進行建模.因此采用該模型對大學城南站室外環境下A出站口和D出站口的2條測試路線做對數正態陰影建模仿真分析.

采用最小均方誤差法，得到A出站口線路的對數正態陰影模型為：

(2)

其中Xσ是均值為0，標準差為7.530 9的高斯分布隨機變量.A出站口的接收功率的實測與預測比較如圖1所示，可以看出實測值跟預測值相符合，均呈現接收功率隨距離指數衰減，實測值在預測值附近上下波動.

圖1 A出站口測試的實測與預測比較 圖2 D出站口的實測與預測比較

同樣，采用最小均方誤差法，得到D出站口的對數正態陰影模型為：

(3)

其中Xσ是均值為0，標準差為9.289 7的高斯分布隨機變量.D出站口的接收功率的實測與預測比較如圖2所示，可以看出D出站口的線路接收功率的實測值與預測值也相符，但其波動比A出站口要大，從標準差上也能看出.

3.2 越區切換建模

站內小區與室外小區之間的切換主要發生在地鐵站口附近，在乘客乘坐自動扶梯或步行進出地鐵車站時.本文對C出站口到站廳的接收功率數據進行了越區切換建模，建模結果如圖3所示.

圖3 室外到站廳越區切換仿真 圖4 站臺、站廳仿真結果

可以看出，行人在進入地鐵后在5～7 m 的位置完成切換，而此時切換的接收功率閾值為 -90 dBm，比運營商要求的覆蓋信號最低閾值 -95 dBm 高 5 dB，說明基站的規劃合理，覆蓋無縫隙.

3.3 地鐵室內分隔損耗研究

利用分隔損耗來研究信號在地鐵站廳層與站臺層環境下的傳播特性，站廳層的信號會受到站臺層的覆蓋小區影響，站臺層也是如此.受到墻體、混凝土等障礙物的分隔損耗，以及來自地鐵列車隧道泄露電纜的影響，使信號接收功率變得非常復雜.

圖4是站臺、站廳的接收功率測試結果.在垂直位置相同時，由于站廳層和站臺層處于不同建筑樓層，其接收功率呈現不同的情況：1) 測試距離為0～9 m 和57～100 m 2個距離段內，站臺層接收功率高于站廳層，說明室內信源(即吸頂天線)放置在站臺層；2) 測試距離為9～57 m 時，站廳層的接收功率高于站臺層，說明信源放置在站廳層.因此，將站臺、站廳層的信號覆蓋情況劃分為3部分(圖4中用紅色虛線分隔)：小區1、小區2和小區3.可以看出在站臺和站廳環境中，室內信源，即吸頂天線采用站臺-站廳-站臺間隔分布的方式，從而來達到覆蓋兩樓層的效果.

(4)

式中xn為第n個測試位置是移動臺在站臺的接收功率測試值，為第n個測試位置是移動臺在站廳的接收功率測試值，測試數據共21組.

4 結語

地鐵通信信號的建模研究是無線通信信號特性研究的重要組成部分，本文對地鐵站環境下的3種典型環境進行了水平和垂直移動通信信號測量、建模仿真.通過對測試數據的分析，分別采用對數正態陰影模型、越區切換和分隔損耗對地鐵站內外的通信信號進行建模，仿真結果表明，模型可以較好地描述測試環境下的無線通信傳播特性，為地鐵站環境下的網絡規劃提供了理論和預測支持.