唐 霈

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，430063，武漢∥高級(jí)工程師）

LTE-M（城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)）是基于公網(wǎng)LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)）技術(shù)專門為城市軌道交通定制的寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)基于通信的列車控制（CBTC）、集群調(diào)度和乘客信息系統(tǒng)（PIS）等多種業(yè)務(wù)的綜合承載，目前已廣泛應(yīng)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(tǒng)性能仿真是開展關(guān)鍵技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署等研究的重要手段。當(dāng)前性能仿真均基于標(biāo)準(zhǔn)信道模型，然而LTE-M 作為專網(wǎng)，其電波傳播環(huán)境、工作頻段、網(wǎng)絡(luò)部署方式等都與LTE 公網(wǎng)有著顯著的不同，因此難以沿用LTE 公網(wǎng)的信道模型。

目前，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已經(jīng)針對(duì)軌道交通特殊場(chǎng)景無(wú)線信道特性分析與建模開展了一定的研究，并針對(duì)部分場(chǎng)景建立了標(biāo)準(zhǔn)信道模型。例如，針對(duì)隧道漏纜場(chǎng)景，3GPP（第三代合作伙伴計(jì)劃）建立了單徑萊斯信道模型和多徑信道模型。然而上述標(biāo)準(zhǔn)信道模型，為了降低復(fù)雜度、提高普適性，進(jìn)行了大量的簡(jiǎn)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(duì)具體工程環(huán)境的無(wú)線信道特性進(jìn)行精確刻畫，進(jìn)而對(duì)LTE-M 系統(tǒng)性能進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。

針對(duì)上述問題，本文提出了基于射線追蹤技術(shù)的LTE-M 系統(tǒng)性能仿真方法：

1）針對(duì)軌道交通工程環(huán)境，建立電波傳播場(chǎng)景3D 模型；

2）基于場(chǎng)景3D 模型，采用射線追蹤技術(shù)，仿真得到無(wú)線信道特性參量；

3）根據(jù)得到的無(wú)線信道特性參量，得到時(shí)變信道沖激響應(yīng)，進(jìn)行無(wú)線信道仿真；

4）在搭建的性能仿真平臺(tái)對(duì)LTE-M 系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真測(cè)試。

本文提出的方法與傳統(tǒng)基于信道模型的性能仿真評(píng)估方法相比，具有以下三方面主要優(yōu)點(diǎn)：

1）不依賴于信道模型，適用場(chǎng)景更廣；

2）針對(duì)具體工程環(huán)境，針對(duì)性更好；

3）場(chǎng)景參數(shù)（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(diào)整。

本文采用該方法，以國(guó)內(nèi)某市域鐵路區(qū)間直線隧道漏纜場(chǎng)景為例，分析了無(wú)線信道特性，并在搭建的LTE-M 仿真系統(tǒng)上對(duì)LTE-M 系統(tǒng)性能進(jìn)行了仿真，探究了影響機(jī)理。

1 電波傳播場(chǎng)景3D 建模

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

本文以鄭州機(jī)場(chǎng)至許昌市域鐵路區(qū)間矩形隧道直線地段為例（如圖1 所示），重點(diǎn)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(zhì)設(shè)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(zhì)設(shè)定為鋁合金型材；對(duì)于接觸網(wǎng)、受電弓、電纜支架、水管等細(xì)節(jié)未加考慮。

圖1 鄭州機(jī)場(chǎng)至許昌市域鐵路區(qū)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(wú)線信道特性分析

2.1 射線追蹤技術(shù)

圖3 列車3D 模型

射線追蹤技術(shù)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(yuǎn)場(chǎng)的傳播特性簡(jiǎn)化為射線模型，根據(jù)電波傳播場(chǎng)景的3D 模型，通過(guò)追蹤每根射線的傳播過(guò)程（包括反射［3］、繞射［4］和散射等），得到每根射線的無(wú)線信道特性參量（包括路徑損耗、時(shí)延、相移、頻移、離開角、到達(dá)角等），最后綜合得到整個(gè)信道的特性參量。

射線追蹤技術(shù)基于場(chǎng)景模型和海量計(jì)算，可以無(wú)需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)信道測(cè)量，具有實(shí)施成本低、周期短、靈活性好等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到了越來(lái)越廣泛的研究和應(yīng)用。如文獻(xiàn)［5］采用射線追蹤技術(shù)對(duì)芬蘭赫爾辛基城區(qū)環(huán)境多徑傳播特性進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［6］將射線追蹤技術(shù)得到的信道特性與基于實(shí)測(cè)的信道數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，顯示具有很好的一致性。

北京交通大學(xué)和德國(guó)布倫瑞克工業(yè)大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了射線追蹤平臺(tái)。為了驗(yàn)證平臺(tái)仿真得到的信道特性的準(zhǔn)確性，研發(fā)人員在多種場(chǎng)景下，對(duì)該平臺(tái)射線追蹤得到信道特性結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并通過(guò)了中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的檢測(cè)。例如，文獻(xiàn)［7］采用該平臺(tái)研究了列車車廂場(chǎng)景無(wú)線信道特性，并與實(shí)地測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，該平臺(tái)具有較高的精度。該平臺(tái)于2016 年投入試運(yùn)行，2018 年7 月在英國(guó)倫敦正式向全球發(fā)布，目前已有美國(guó)、德國(guó)、瑞典等國(guó)的20 多個(gè)科研機(jī)構(gòu)使用該平臺(tái)進(jìn)行無(wú)線信道研究。

2.2 無(wú)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(tái)上，可得到不同漏纜掛高時(shí)的無(wú)線信道特性，其相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 射線追蹤參數(shù)設(shè)置

基于射線追蹤技術(shù)，可以得到距離車載天線最近的201 個(gè)縫隙（從信號(hào)饋入漏纜的方向，縫隙索引號(hào)依次為-100 ～+100）的信道數(shù)據(jù)，包括第i 個(gè)縫隙輻射的第j 條射線的信道增益αi，j、時(shí)延τi，j、離開角、到達(dá)角等。根據(jù)上述信道數(shù)據(jù)，計(jì)算得到各縫隙到車載天線無(wú)線信道的信道特征參量，包括路徑損耗、平均時(shí)延、均方根時(shí)延擴(kuò)展等，如圖4 所示。

由圖4 可綜合得到整個(gè)無(wú)線信道的特征參數(shù)，如表2 所示。在以此基礎(chǔ)上可進(jìn)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(shù)

表2 綜合得到的無(wú)線信道特征參數(shù)

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

文獻(xiàn)［8］對(duì)2.145 GHz 頻段隧道漏纜場(chǎng)景的無(wú)線信道進(jìn)行了實(shí)地測(cè)量，測(cè)量時(shí)漏纜與車載天線存在直射徑。文獻(xiàn)［8］給出了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的均方根時(shí)延擴(kuò)展累計(jì)概率函數(shù)，中值約為12.1 ns（即累積分布函數(shù)為0.5 時(shí)的取值）。而本文中，當(dāng)漏纜掛高為4.0 m時(shí)，均方根時(shí)延擴(kuò)展約為10.73 ns，與文獻(xiàn)［8］的實(shí)地測(cè)量結(jié)果有差異但基本吻合。差異產(chǎn)生原因，一方面是由于場(chǎng)景與參數(shù)設(shè)置存在差異；另一方面，為了降低復(fù)雜度，在射線追蹤仿真時(shí)，對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行了簡(jiǎn)化，沒有考慮部分反散射體，從而會(huì)導(dǎo)致均方根時(shí)延擴(kuò)展有一定程度的下降。

3 無(wú)線信道仿真方法

現(xiàn)介紹基于射線追蹤技術(shù)得到的無(wú)線信道參量、生成時(shí)變信道沖激響應(yīng)，以及進(jìn)行無(wú)線信道仿真的方法。具體流程如下：

1）計(jì)算多普勒頻移：多普勒頻移是無(wú)線信道的重要參數(shù)，直接關(guān)系到信道的時(shí)變特性。由于隧道漏纜場(chǎng)景中只有車載天線處于移動(dòng)中，因此多普勒頻移只與射線到達(dá)角中的俯仰角θi，j和水平角ωi，j有關(guān)，可得

其中，fc為載波頻率，v 為列車移動(dòng)速度，c 為光速。這里假定多普勒頻移不隨時(shí)間發(fā)生變化。

2）得到時(shí)變信道系數(shù)：根據(jù)各射線的多普勒頻移fi，j和復(fù)信道增益αi，j，得到各射線的時(shí)變信道系數(shù)為

3）得到時(shí)變信道沖激響應(yīng)：將具有相同時(shí)延的射線的信道系數(shù)相加，得到時(shí)變信道沖激響應(yīng)

其中，s為接收機(jī)時(shí)延分辨率，δ（ - ns）為沖激函數(shù)。

4）得到信道輸出y（t），完成信道仿真：

4 LTE-M 系統(tǒng)性能仿真

4.1 LTE-M 系統(tǒng)性能仿真

本文基于Matlab 軟件的仿真工具，按照3GPP規(guī)范，搭建了LTE-M 系統(tǒng)仿真。該仿真可以靈活設(shè)置頻段、帶寬、上下行時(shí)隙配比、特殊子幀等參數(shù)，能支持多種場(chǎng)景無(wú)線信道和多種信道仿真方法（包括基于標(biāo)準(zhǔn)信道模型和基于射線追蹤），能實(shí)現(xiàn)對(duì)吞吐量、丟包率、誤比特率等性能指標(biāo)的仿真。仿真流程如圖5 所示。

圖5 LTE-M 系統(tǒng)仿真流程圖

4.2 性能仿真結(jié)果

現(xiàn)針對(duì)鄭州機(jī)場(chǎng)至許昌市域鐵路區(qū)間矩形隧道場(chǎng)景，參照LTE-M 系統(tǒng)參數(shù)配置，采用上述射線追蹤技術(shù)得到無(wú)線信道和信道仿真方法，在LTE-M系統(tǒng)仿真中對(duì)下行性能進(jìn)行了仿真評(píng)估，仿真參數(shù)如表3 所示。

表3 仿真參數(shù)表

本案例在不同信噪比和移動(dòng)速度下對(duì)LTE-M系統(tǒng)性能進(jìn)行了仿真測(cè)試。由圖6 可見：隨著信噪比增大，LTE-M 系統(tǒng)吞吐量增加，丟包率和誤比特率下降，系統(tǒng)性能不斷提高；但當(dāng)信噪比達(dá)到15 dB后，性能提升不明顯。因此，建議將信噪比優(yōu)化目標(biāo)設(shè)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(dāng)移動(dòng)速度超過(guò)80 km/h 后，性能會(huì)發(fā)生明顯惡化。此時(shí)多普勒頻偏和擴(kuò)展是影響性能的主要因素，在接收機(jī)研發(fā)時(shí)必須考慮采用性能更優(yōu)的多普勒頻偏和擴(kuò)展校正算法。

圖6 性能仿真結(jié)果圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文以隧道漏纜場(chǎng)景為例，介紹了所提出的基于射線追蹤的LTE-M 系統(tǒng)性能評(píng)估方法。該方法具有適用面廣、精度較高、靈活性好等優(yōu)點(diǎn)，能為L(zhǎng)TE-M 工程建設(shè)和設(shè)備設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供支持。