唐 霈

（中鐵第四勘察設(shè)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(tǒng)）是基于公網(wǎng)LTE（長期演進）技術(shù)專門為城市軌道交通定制的寬帶移動通信系統(tǒng)，實現(xiàn)了對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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)信道模型，為了降低復(fù)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(huán)境的無線信道特性進行精確刻畫，進而對LTE-M 系統(tǒng)性能進行準(zhǔn)確評估。

針對上述問題，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）針對軌道交通工程環(huán)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(shù)，仿真得到無線信道特性參量；

3）根據(jù)得到的無線信道特性參量，得到時變信道沖激響應(yīng)，進行無線信道仿真；

4）在搭建的性能仿真平臺對LTE-M 系統(tǒng)性能進行仿真測試。

本文提出的方法與傳統(tǒng)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(yōu)點：

1）不依賴于信道模型，適用場景更廣；

2）針對具體工程環(huán)境，針對性更好；

3）場景參數(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，以國內(nèi)某市域鐵路區(qū)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(tǒng)上對LTE-M 系統(tǒng)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(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(fù)雜度，提升研究結(jié)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(jié)，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(qū)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(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；對于接觸網(wǎng)、受電弓、電纜支架、水管等細節(jié)未加考慮。

圖1 鄭州機場至許昌市域鐵路區(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）在遠場的傳播特性簡化為射線模型，根據(jù)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(shù)基于場景模型和海量計算，可以無需進行現(xiàn)場信道測量，具有實施成本低、周期短、靈活性好等優(yōu)點，近年來得到了越來越廣泛的研究和應(yīng)用。如文獻［5］采用射線追蹤技術(shù)對芬蘭赫爾辛基城區(qū)環(huán)境多徑傳播特性進行了研究；文獻［6］將射線追蹤技術(shù)得到的信道特性與基于實測的信道數(shù)據(jù)進行了對比，顯示具有很好的一致性。

北京交通大學(xué)和德國布倫瑞克工業(yè)大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了射線追蹤平臺。為了驗證平臺仿真得到的信道特性的準(zhǔn)確性，研發(fā)人員在多種場景下，對該平臺射線追蹤得到信道特性結(jié)果與現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)進行對比，并通過了中國計量科學(xué)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(jié)果進行了對比，結(jié)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(fā)布，目前已有美國、德國、瑞典等國的20 多個科研機構(gòu)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(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(shù)據(jù)，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(jù)上述信道數(shù)據(jù)，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(shù)，如表2 所示。在以此基礎(chǔ)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(shù)

表2 綜合得到的無線信道特征參數(shù)

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(dāng)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(shù)據(jù)的均方根時延擴展累計概率函數(shù)，中值約為12.1 ns（即累積分布函數(shù)為0.5 時的取值）。而本文中，當(dāng)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(jié)果有差異但基本吻合。差異產(chǎn)生原因，一方面是由于場景與參數(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，對場景進行了簡化，沒有考慮部分反散射體，從而會導(dǎo)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(xiàn)介紹基于射線追蹤技術(shù)得到的無線信道參量、生成時變信道沖激響應(yīng)，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(shù)，直接關(guān)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(guān)，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(fā)生變化。

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

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

其中，s為接收機時延分辨率，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、上下行時隙配比、特殊子幀等參數(shù)，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(biāo)準(zhǔn)信道模型和基于射線追蹤），能實現(xiàn)對吞吐量、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)針對鄭州機場至許昌市域鐵路區(qū)間矩形隧道場景，參照LTE-M 系統(tǒng)參數(shù)配置，采用上述射線追蹤技術(shù)得到無線信道和信道仿真方法，在LTE-M系統(tǒng)仿真中對下行性能進行了仿真評估，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速度下對LTE-M系統(tǒng)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(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)移動速度超過80 km/h 后，性能會發(fā)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(fā)時必須考慮采用性能更優(yōu)的多普勒頻偏和擴展校正算法。

圖6 性能仿真結(jié)果圖

5 結(jié)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(tǒng)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(yōu)點，能為LTE-M 工程建設(shè)和設(shè)備設(shè)計與優(yōu)化提供支持。