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        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*

        2019-02-15 07:29:12趙朝娜鄭國莘尹柯偉
        城市軌道交通研究 2019年1期
        關(guān)鍵詞:車地場強(qiáng)波導(dǎo)

        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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 特種光纖與先進(jìn)通信國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室, 上海先進(jìn)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(jìn))技術(shù)具有高帶寬、高移動(dòng)性、長區(qū)間覆蓋、高擴(kuò)展性等特點(diǎn),可解決既有無線系統(tǒng)存在的不穩(wěn)定、移動(dòng)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(hào)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(dòng)DCS1800 系統(tǒng)的下行頻段及中國電信系統(tǒng)的上行頻段,還會(huì)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(shí)信號(hào)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(hào)場強(qiáng)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(shí),不僅更易受到外界干擾,還會(huì)輻射一定的信號(hào)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(hào)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(jì)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(gè)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(jì)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(shí),AP(無線接入點(diǎn))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(shí)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(qiáng)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(yàn)證其在覆蓋、通信吞吐量、延時(shí)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(shí)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(jì)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(hào)的一種傳輸線。當(dāng)微波在波導(dǎo)中傳輸時(shí),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(dú)立存在的每一種電磁波分布稱為“?!薄D1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(gè)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(shí),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?cái)嗔瞬▽?dǎo)內(nèi)壁表面電流線。一部分電流會(huì)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(hào)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(hào)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(jìn)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(shí)際測試的方式獲得。

        2.1 軟件仿真裂縫波導(dǎo)耦合強(qiáng)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(diǎn)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(hào),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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度越好。

        圖4 裂縫波導(dǎo)仿真模型

        天線高度/mm耦合強(qiáng)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(qiáng)度仿真結(jié)果

        2.2 實(shí)體試驗(yàn)

        在微波實(shí)驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)。在實(shí)際應(yīng)用中列車的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致波導(dǎo)接收天線左右的偏移,因此,不僅要驗(yàn)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(yàn)證天線左右偏移后波導(dǎo)的耦合強(qiáng)度性能。

        試驗(yàn)設(shè)備布置示意圖見圖7。試驗(yàn)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(qiáng)。試驗(yàn)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(dòng),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(qiáng)是逐漸變小的,正對狀態(tài)下,h>400 mm時(shí)的95%耦合場強(qiáng)比h=200 mm時(shí)的小約3 dB,比h=315 mm和365 mm時(shí)小約2 dB??梢?,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(qiáng),h越小,則L越小。在h=200 mm時(shí),位置偏移會(huì)導(dǎo)致無線信號(hào)波動(dòng)較大,即無線信號(hào)分布很不均勻?;跍y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(hào)場強(qiáng)

        圖8 h=200 mm、不同L時(shí)的場強(qiáng)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(yàn)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(qiáng)越好;天線偏移中心越大,耦合場強(qiáng)越差;偏移時(shí)的耦合場強(qiáng)與天線高度有關(guān)系,高度低,天線左右偏移的耦合場強(qiáng)分布不均勻,當(dāng)偏移一定量時(shí),位置低波導(dǎo)接收天線的耦合強(qiáng)度反而不如位置高的耦合強(qiáng)度好。315~365 mm是比較好的天線高度。

        圖9 h=315 mm、不同L時(shí)的場強(qiáng)情況

        圖10 h=365 mm、不同L時(shí)的場強(qiáng)情況

        圖11 h=418 mm、不同L時(shí)的場強(qiáng)情況

        圖12 h=480 mm、不同L時(shí)的場強(qiáng)情況

        3 裂縫波導(dǎo)結(jié)合LTE技術(shù)的適用性分析

        為進(jìn)一步驗(yàn)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(shí)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(tái)基帶處理單元(BBU)2臺(tái)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)??烧{(diào)衰減器用于模擬LTE信號(hào)衰落特性。測試模型分為近、中和遠(yuǎn)點(diǎn),遠(yuǎn)點(diǎn)對應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度為[-85,-95)dBm,中點(diǎn)為[-75,-85)dBm,近點(diǎn)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(xiàng)目配置內(nèi)容LTE頻率1.8 GHz小區(qū)頻點(diǎn)配置相同頻點(diǎn)65 300LTE系統(tǒng)頻寬10 MHz鄰區(qū)配置LTE:相鄰小區(qū)的兩個(gè)RRU配置為同一頻點(diǎn),RRU連接在一個(gè)BBU上配比上下行配比2∶2,特殊子幀10∶2∶2測試點(diǎn)遠(yuǎn)、中、近點(diǎn)

        裂縫波導(dǎo)的插入損耗仿真值為1.53 dB/(100 m)。但實(shí)際使用中,100 m長的裂縫波導(dǎo)是一根根連接起來的,故實(shí)際損耗會(huì)比仿真值大一些。按照3 dB/(100 m),進(jìn)行模擬測試。在沒加衰減器時(shí),裂縫波導(dǎo)(5 m位置)正上方的測試信號(hào)強(qiáng)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(xiàng)目為:

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

        (2) 無損和無縫切換延時(shí)性能測試中,延時(shí)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(shí)延和吞吐量測試結(jié)果

        表7 切換時(shí)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(shí)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(shí)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(jì)算方法為:

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

        (1)

        式中:

        Pr——接收信號(hào)強(qiáng)度;

        Pt——發(fā)射信號(hào)強(qiáng)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(gè)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(hào)接收信號(hào)強(qiáng)度為-57 dBm,傳輸損耗3 dB/(100 m),末端信號(hào)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(shí),50%耦合場強(qiáng)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(qiáng)損耗與裂縫波導(dǎo)基本一致,95%的耦合場強(qiáng)損耗比裂縫波導(dǎo)大約3~4 dB??梢?,裂縫波導(dǎo)的信號(hào)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(shí)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(jìn)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(shí)際工程實(shí)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(shí),系統(tǒng)鏈路損耗的計(jì)算方法,進(jìn)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(kuò)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。

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