(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 109474935 A(43)申请公布日 2019.03.15
(21)申请号 201811435058.3(22)申请日 2018.11.28
(71)申请人 中科凯普（天津）卫星导航通信技术
有限公司
地址 301703 天津市武清区发达路2号306
室(72)发明人 崔君霞 金声震 庞峰 胡超
万庆涛 王兆瑞 高志勇 李建斌 (51)Int.Cl.
H04W 16/18(2009.01)H04W 16/26(2009.01)
权利要求书3页 说明书9页 附图5页
CN 109474935 A(54)发明名称
一种隧道微波通信传输系统及方法(57)摘要
本发明公开了一种隧道微波通信传输系统及方法，所述隧道微基站系统(1)包括支撑座架、天线、射频拉远单元、基带单元、核心网、网络服务器和电源；隧道微基站系统一方面用来与移动通信交换中心的MME/S-GW进行交互，实现与外网连接，另一方面用来与车载终端系统交互，对无线交互信号进行发送和接收处理；所述车载终端系统包括天线座、天线外罩、GNSS天线、车载天线、车载变频模块、GNSS和惯导组合的导航系统、车载终端设备、电子地图、车载服务器、电源模块和控制单元；车载终端系统(2)一方面用来与隧道微基站进行空中交互，另一方面为列车车厢内的用户提供WI-FI服务。首次提出在隧道中只需架设少数几个隧道微基站的方式来实现隧道内的通信，且对于复杂类型的隧道，包括弯曲隧道、分支隧道等隧道内通信提出了解决方法。
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权 利 要 求 书
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1.一种隧道微波通信传输系统，其特征在于，包括设置在隧道内的隧道微基站系统(1)和设置在列车顶部的车载终端系统(2)；
所述隧道微基站系统(1)包括支撑座架、天线、射频拉远单元、基带单元、核心网、网络服务器和电源；天线设置在支撑座架上，射频拉远单元与天线通过射频线缆连接，基带单元一端通过同轴线缆与射频拉远单元连接，另一端通过网线与核心网连接，核心网与网络服务器通过网线连接；隧道微基站系统(1)一方面用来与移动通信交换中心的MME/S-GW进行交互，实现与外网连接，另一方面用来与车载终端系统(2)交互，对无线交互信号进行发送和接收处理；
所述车载终端系统(2)包括天线座(16)、天线外罩(15)、GNSS天线(10)、车载天线(14)、车载变频模块(8)、GNSS和惯导组合的导航系统(12)、车载终端设备(9)、电子地图(13)、车载服务器(4)、电源模块和控制单元(11)；车载天线(14)和GNSS天线(10)安装在天线座(16)上，天线座(16)固定在列车车厢顶部外侧，车载变频模块(8)一端通过射频线缆与车载天线(14)连接，另一端通过同轴线缆与车载终端设备(9)连接，车载终端设备(9)的另一端通过网线与车载服务器(4)连接，GNSS天线(10)通过同轴线缆连接到车厢内的GNSS和惯导组合的导航系统(12)；车载终端系统(2)一方面用来与隧道微基站进行空中交互，另一方面为列车车厢内的用户提供WI-FI服务。
2.根据权利要求1所述的隧道微波通信传输系统，其特征在于，所述隧道微基站系统的天线采用高增益定向天线。
3.根据权利要求1所述的隧道微波通信传输系统，其特征在于，所述隧道微基站天线的波束平行于铁轨，并指向列车前进的方向。
4.根据权利要求1所述的隧道微波通信传输系统，其特征在于，所述隧道微基站系统的数量为一个或多个。
5.根据权利要求1-4之一所述的隧道微波通信传输系统，其特征在于，所述隧道微基站的安装方式为壁挂或垂挂。
6.根据权利要求1所述的隧道微波通信传输系统，其特征在于，所述车载天线为高增益收发天线。
7.一种基于权利要求1-6之一所述的隧道微波通信传输系统的隧道微波通信传输方法，其特征在于，该通信传输方法包括以下步骤：
(1)隧道微基站系统(mTN)的核心网与移动通信交换中心的MME/S-GW进行交互，实现与外网连接；
(2)射频拉远单元将基带单元信号转变成射频信号，通过隧道微基站系统的天线发送电磁波信号；
(3)车载终端系统(VTS)的车载天线接收电磁波信号，车载变频模块将射频信号转换成车载终端设备所需要的基带信号；
(4)车载终端设备连接到车厢内的WI-FI设备，向车厢内用户终端提供服务。8.根据权利要求7所述的隧道微波通信传输方法，其特征在于，通过以下计算步骤判断是否需要增设隧道微基站：首先，以第一个隧道微基站所处的隧道口处为距离基点，计算出电磁波以近似自由空间传播模式传播的第一区域和电磁波以受隧道壁限制的菲涅尔衍射模式传播的第二区域
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权 利 要 求 书
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的分界点，即第一菲涅尔圆半径与隧道最大内切圆半径相等处，距离隧道口设置隧道微基站的距离：
根据第一菲涅尔区定义，
其中，d为发射源到接收天线的距离，d1为发射源到第一菲涅尔圆的距离，d2为第一菲涅尔圆到接收天线的距离，F1为第一菲涅尔圆的半径，λ为电磁波波长；
可以近似得到第一菲涅尔区的半径：
可以得到第一菲涅尔圆半径的最大值，为：
对于圆形隧道来说，第一菲涅尔圆半径即为隧道横截面的半径；对于其他形状隧道，隧道有效半径可取隧道最大内切圆半径。在计算实际隧道有效面积时，由于隧道并不是正圆形，所以应外加修正因子
约1.5-3dB；
由此可以得到电磁波以近似自由空间传播的距离r0，从而得到电磁波以近似自由空间传播与受隧道壁限制的菲涅尔衍射传播之间的分界点：
(2.1)对于长直隧道，当隧道总长L≤r0时，电磁波在隧道内衰减可按自由空间传播衰减值计算，自由空间范围内传播的衰减值PL0计算公式为：
PL0(dB)＝32.5+20log f(MHz)+20log d(km),(0≤d≤L)其中，f为工作频率；当隧道长度L>r0时，在[0,r0]区间内先按自由空间传播，然后在(r0,L]区间内再按受隧道壁限制的菲涅尔传播模型衰减，总的路径传播衰减值PL计算公式为：
PL＝Max(PL0,PF)，
其中PL0为自由空间范围内传播的衰减值，由以下公式计算：PL0(dB)＝32.5+20log f(MHz)+20log d(km),(r0＜d≤L)其中，f为工作频率，
PF为受隧道壁限制的菲涅尔传播衰减，由以下公式计算：PF(dB)＝-20log10(πF1max2/λ)+20log 10(d-r0)+A，(r0＜d≤L)其中，A为衍射效率常数，取值范围为3-6dB，与隧道口径非标准圆及衍射路径长度有关；
(2.2)对于弯曲隧道，电磁波在弯曲隧道内的衰减值Pc由以下公式计算：Pc(dB)＝-10log10(1-(L/(2R))2)-10log10(4-(dL))，当h/2R＜＜1
其中，R为隧道弯曲半径，L为内侧弯曲弧切线长度，
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h为隧道内切圆的直径；
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权 利 要 求 书
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(2.3)对于分支隧道，电磁波在分支隧道内的衰减值Pb由以下公式计算：Pb(dB)＝10log10(cos2α)+20log10(S/(λd))+A其中，α为分支隧道与主隧道夹角，d为接收机在分支隧道中与分支点的距离，S为分支隧道的横截切面圆面积，A为修正系数，其取值范围一般为3-6dB；
(3)车载终端系统接收到的信号功率为：
Pr(dBm)＝Pt(dBm)+Gt(dBi)-Lt(dB)-PL(dB)+Gr(dBi)-Lr(dB)；其中，Pt为隧道微基站的发射功率，单位为dBm；Gt为隧道微基站天线发射增益，单位为dBi；Lt为隧道微基站的功放到发射天线的插入损耗，单位为dB；Gr为车载终端系统接收天线的增益值，单位为dBi；Lr为车载终端系统接收天线到车载变频模块的线缆衰减，单位为dB；PL为总的路径传播衰减值，单位为dB，根据以下公式计算：
接收机的接收功率门限值一般为-110dBm，如果用上式计算得到的Pr结果小于-110dBm，则需要增加一个隧道微基站。
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说 明 书
一种隧道微波通信传输系统及方法
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技术领域
[0001]本发明属于移动通信领域，尤其涉及一种隧道中移动通信网络信号的微波贯穿/接力系统及通信传输方法。
背景技术
[0002]在移动通信中，存在着某些弱场地区或“盲区”。例如由于隧道、高大建筑物或山峰的屏蔽，致使其阴影区场强极为微弱。隧道等往往又是无线电波传播的“盲区”。电波可以在有限空间内传播，由于隧道壁的多次反射、多径效应等造成的衰落也是明显的。特别是在与隧道口距离较近的地段，由于隧道口内外耦合及不连续性，传输模式复杂，场强的深度衰落比较明显。此外，隧道弯曲，或传播路径上出现障碍，如车辆等，损耗还会加大。天线位置对传输损耗也有颇大的影响。[0003]对于无线电波而言，在隧道中的传播特性与在地面上的自由空间传播特性不同，在隧道中，因弯曲较多，直射波的传播距离很短。同时，隧道对无线信号具有一定的吸收、衰减与多径效应，从而使信号产生极化紊乱，并使传播衰减增加。因此，为了强化无线信号在隧道中的传播，目前国内的高铁工程采用的多是敷设漏泄电缆。[0004]泄漏同轴电缆(Leaky Coaxial Cable)通常又简称为泄漏电缆或漏泄电缆，其结构与普通的同轴电缆基本一致，由内导体、绝缘介质和开有周期性槽孔的外导体三部分组成。电磁波在泄漏电缆中纵向传输的同时通过槽孔向外界辐射电磁波，外界的电磁场也可通过槽孔感应到泄漏电缆内部并传送到接收端。[0005]目前，泄漏电缆的频段覆盖在450MHz-2GHz，适应现有的各种无线通信体制，应用场合包括无线传播受限的地铁隧道、铁路隧道和公路隧道等。[0006]然而，漏缆通信同时存在传播损耗以及耦合损耗，为了使常态无线通信达到可用标准，每公里隧道需铺设七公里漏缆。目前，包括中国移动、中国联通以及中国电信三大运营商网络，以及铁路专用的GSM-R系统，在隧道内均采用了漏缆的方式来解决通信问题。即便如此，当列车在隧道内运行时，通话时常掉线，上网更是受限，而铺设漏缆的成本更是居高不下。而且当工作频率高于3GHz，没有相应的泄露电缆产品，只能使用微波接力方式，解决隧道无线通信问题。[0007]目前，地铁隧道WLAN的解决方式是，在地铁轨道旁边的隧道壁上安装有多个接入点AP(Access Point),AP之间用光缆以及无线桥接相结合的方式进行连接，乘客在地铁车厢内，直接用手机无线接入到铁轨旁的AP，地铁列车本身不做任何改动。缺点是：需要克服信号穿过车厢体的损耗30dB左右；AP之间的距离一般为几百米，需要架设的AP站点数非常多，造价昂贵。发明内容
[0008]本发明的目的在于解决隧道中通信网络信号微波贯穿/接力的问题，使车辆在隧道(包括高铁隧道、普通铁路隧道、地铁隧道、公路隧道和矿井隧道)内运行的环境下，能够
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说 明 书
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给普通车辆，乃至高铁列车内的乘客提供连续的、优质的宽带移动通信、网络及多媒体服务。
[0009]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：[0010]一种隧道微波通信传输系统，包括设置在隧道内的隧道微基站系统1和设置在列车顶部的车载终端系统2。
[0011]所述隧道微基站系统1包括支撑座架、天线、射频拉远单元、基带单元、核心网、网络服务器和电源；天线设置在支撑座架上，射频拉远单元与天线通过射频线缆连接，基带单元一端通过同轴线缆与射频拉远单元连接，另一端通过网线与核心网连接，核心网与网络服务器通过网线连接；隧道微基站系统1一方面用来与移动通信交换中心的MME/S-GW进行交互，实现与外网连接，另一方面用来与车载终端系统2交互，对无线交互信号进行发送和接收处理。
[0012]所述车载终端系统2包括天线座16、天线外罩15、GNSS天线10、车载天线14、车载变频模块8、GNSS和惯导组合的导航系统12、车载终端设备9、电子地图13、车载服务器4、电源模块和控制单元11；车载天线14和GNSS天线10安装在天线座16上，天线座16固定在列车车厢顶部外侧，车载变频模块8一端通过射频线缆与车载天线14连接，另一端通过同轴线缆与车载终端设备9连接，车载终端设备9的另一端通过网线与车载服务器4连接，GNSS天线10通过同轴线缆连接到车厢内的GNSS和惯导组合的导航系统12；车载终端系统2一方面用来与隧道微基站进行空中交互，另一方面为列车车厢内的用户提供WI-FI服务。[0013]其中，隧道微基站系统的天线采用高增益定向天线。[0014]其中，隧道微基站天线的波束平行于铁轨，并指向列车前进的方向。[0015]其中，隧道微基站系统的数量为一个或多个。[0016]其中，隧道微基站的安装方式为壁挂或垂挂。[0017]其中，车载天线为高增益收发天线。
[0018]本发明还提供一种基于该系统的隧道微波通信传输方法。该通信传输方法包括以下步骤：[0019](1)隧道微基站系统1的核心网与移动通信交换中心的MME/S-GW进行交互，实现与外网连接；[0020](2)射频拉远单元将基带单元信号转变成射频信号，通过隧道微基站系统1的天线发送电磁波信号；[0021](3)车载终端系统2的车载天线14接收电磁波信号，车载变频模块8将射频信号转换成车载终端设备9所需要的基带信号；[0022](4)车载终端设备9连接到车厢内的WI-FI设备6，向车厢内用户终端5提供服务。[0023]进一步的，通过以下计算步骤判断是否需要增设隧道微基站：[0024]首先，以第一个隧道微基站所处的隧道口处为距离基点，计算出电磁波以近似自由空间传播模式传播的第一区域和电磁波以受隧道壁限制的菲涅尔衍射模式传播的第二区域的分界点，即第一菲涅尔圆半径与隧道最大内切圆半径相等处，距离隧道口设置隧道微基站的距离：
[0025]根据第一菲涅尔区定义，
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说 明 书
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其中，d为发射源到接收天线的距离，d1为发射源到第一菲涅尔圆的距离，d2为第一
菲涅尔圆到接收天线的距离，F1为第一菲涅尔圆的半径，λ为电磁波波长；[0028]可以近似得到第一菲涅尔区的半径：
[0027][0029][0030][0031][0032]
可以得到第一菲涅尔圆半径的最大值，为：
对于圆形隧道来说，第一菲涅尔圆半径即为隧道横截面的半径；对于其他形状隧
道，隧道有效半径可取隧道最大内切圆半径。在计算实际隧道有效面积时，由于隧道并不是
约1.5-3dB；
正圆形，所以应外加修正因子
[0033]
由此可以得到电磁波以近似自由空间传播的距离r0，从而得到电磁波以近似自由空间传播与受隧道壁限制的菲涅尔衍射传播之间的分界点：
[0034]
(2.1)对于长直隧道，
[0036]当隧道总长L≤r0时，电磁波在隧道内衰减可按自由空间传播衰减值计算，自由空间范围内传播的衰减值PL0计算公式为：
[0037]PL0(dB)＝32.5+20logf(MHz)+20logd(km),(0≤d≤L)[0038]其中，f为工作频率；[0039]当隧道长度L>r0时，在[0,r0]区间内先按自由空间传播，然后在(r0,L]区间内再按受隧道壁限制的菲涅尔传播模型衰减，总的路径传播衰减值PL计算公式为：[0040]PL＝Max(PL0,PF)
[0041]其中PL0为自由空间范围内传播的衰减值，由以下公式计算：[0042]PL0(dB)＝32.5+20logf(MHz)+20logd(km),(r0＜d≤L)[0043]其中，f为工作频率，
[0044]PF为受隧道壁限制的菲涅尔传播衰减，由以下公式计算：[0045]PF(dB)＝-20log10(πF1max2/λ)+20log10(d-r0)+A，(r0＜d≤L)[0046]其中，A为衍射效率常数，取值范围为3-6dB，与隧道口径非标准圆及衍射路径长度有关；[0047](2.2)对于弯曲隧道，电磁波在弯曲隧道内的衰减值Pc由以下公式计算：[0048]Pc(dB)＝-10log10(1-(L(2R))2)-10log10(4-(dL))，当h/2R＜＜1
[0049]
[0035]
其中，R为隧道弯曲半径，L为内侧弯曲弧切线长度，h为隧道内切圆的
直径；
[0050][0051]
(2.3)对于分支隧道，电磁波在分支隧道内的衰减值Pb由以下公式计算：
Pb(dB)＝10log10(cos2α)+20log10(S/(λd))+A
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其中，α为分支隧道与主隧道夹角，d为接收机在分支隧道中与分支点的距离，S为
分支隧道的横截切面圆面积，A为修正系数，其取值范围一般为3-6dB；[0053](3)车载终端系统接收到的信号功率为：
[0054]Pr(dBm)＝Pt(dBm)+Gt(dBi)-Lt(dB)-PL(dB)+Gr(dBi)-Lr(dB)；[0055]其中，Pt为隧道微基站的发射功率，单位为dBm；Gt为隧道微基站天线发射增益，单位为dBi；Lt为隧道微基站的功放到发射天线的插入损耗，单位为dB；Gr为车载终端系统接收天线的增益值，单位为dBi；Lr为车载终端系统接收天线到车载变频模块的线缆衰减，单位为dB；PL为总的路径传播衰减值，单位为dB，根据以下公式计算：
[0056]
接收机的接收功率门限值一般为-110dBm，如果用上式计算得到的Pr结果小于-110dBm，则需要增加一个隧道微基站。
[0058]本发明的技术方案克服了目前隧道通信面临的技术难题，具有以下优点：
[0059]本发明建立了一种对于工作频率从400MHz到12GHz范围内都适用的隧道通信的解决方法，而漏缆的通信方式工作频率最高只能到2GHz；
[0060]本发明与目前隧道中采用漏缆进行通信的方式不同，首次提出在隧道中只需架设少数几个隧道微基站的方式来实现隧道内的通信，甚至在目前国内最长的35km长直铁路隧道中，只需要架设一个隧道微基站，建设成本和维护成本都大大降低；而地铁WLAN的方式中，每隔几百米就需要建一个AP站，造价和维护费用高昂。[0061]本发明对于复杂类型的隧道，包括弯曲隧道、分支隧道等，也提出了解决方案，只需根据本发明中的链路衰减计算方法，视情况在弯曲处、或分支处增架隧道微基站，即可实现在隧道内的通信。
[0062]本发明车厢顶部放置车载高增益定向天线系统，增大了信号强度；而地铁WLAN的方式，对车体不做任何改动，使用乘客手机信号直接接入AP的方式，必须要克服30dB车厢穿透损耗，又因此必须每隔几百米建设一个AP站。[0063]本发明与地铁隧道中布置AP的方式相比，大大减少了建站数量。[0064]本发明的高铁隧道微波通信系统与传统的LTE技术完全兼容，更能兼容未来的第五代移动通信体制，同时也适用于类似的高动态载体通信，通用性强。附图说明
[0065]图1为本发明通信网络信号在隧道中微波贯穿/接力传输方法的工作示意图，其中图1a为在隧道口上方架设隧道微基站的方法；图1b为挂壁的方式架设隧道微基站示意图；[0066]图2为本发明弯曲隧道的微基站设置方法示意图；[0067]图3为本发明车载天线指向控制示意图；
[0068]图4为本发明隧道三个传播区域的划分示意图；
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图5为本发明传播衰减模型示意图；
[0070]图6为本发明弯曲隧道信号传播衰减的示意图；[0071]图7为本发明分支隧道信号传播衰减的示意图；
[0072]图8为本发明16km隧道5.9GHz频率实测数据和衰减模型之间的对比图。[0073]其中，1为隧道微基站系统(mTN)；2为车载终端系统(VTS)；3为基站(eNode B)；4为车载服务器；5为用户终端；6为WI-FI设备；7为车内多模网关；8为车载变频模块(VFCM)；9为车载终端设备(CPE)；10为GNSS天线；11为控制单元：12为GNSS和惯导组合的导航系统；13为电子地图；14为车载天线；15为天线外罩；16为天线座。具体实施方式
[0074]下面结合附图对本发明做进一步的说明。[0075]如图1a所示，本发明提供一种当列车等进入隧道后与隧道外的基站3失去信号连接时，通信网络信号在隧道中微波贯穿/接力的传输方法，并给出了信号在长直、弯曲、分支等多种复杂隧道中的传播衰减模型，根据此模型进行链路计算，判断具体的信号强度是否低于接收门限，而决定是否增设新的隧道微基站系统(mTN)，保证WIFI接入点6在车内多模网关7的控制下，与用户终端5之间的通信质量满足需求，从而可以实现隧道内的网络通信。[0076]在隧道上方口沿的位置，向下垂挂隧道微基站系统(mTN)1；如图1b所示，若隧道顶部有高压电缆，如高铁隧道，则可以采取挂壁的方式，将隧道微基站系统挂在隧道壁上，离开高压保护区20cm以外，尽量离轨面较高的位置，挂高一般为7-8m。[0077]隧道微基站系统(mTN)1包括支撑座架、天线、射频拉远单元(RRU)、基带单元(BBU)、核心网(EPC)、网络服务器(NS)和电源(图中未示出)，其中天线设置在支撑座架上，射频拉远单元(RRU)与天线通过射频线缆连接，基带单元(BBU)一端通过同轴线缆与射频拉远单元(RRU)相连接，另一端通过网线与核心网(EPC)相连接，核心网(EPC)与网络服务器通过网线相连接，电源用于向隧道微基站系统各部件供电。隧道微基站系统一方面用来与移动通信交换中心的MME/S-GW进行交互，实现与外网相连接，另一方面用来与车载终端系统(VTS)交互，对无线交互信号进行发送和接收处理。[0078]无论是隧道口，还是隧道内壁挂的隧道微基站系统(mTN)，其天线均采用高增益的定向天线，增益为20dBi左右，天线指向隧道内，波束主轴平行于列车轨道延伸的方向；发射功率可根据隧道的长度选择1W-20W，系统工作频率为400MHz-12GHz。隧道微基站系统的其余设备，放置在隧道内附近的工作涵洞中。[0079]列车车头和车尾车厢的顶部，各配置一个包含两个定向高增益天线的车载终端系统(VTS)，以便在刚进入隧道时的指向切换，以及进入隧道后互为备份。列车车厢顶部还安装了GNSS(全球卫星导航系统)卫星接收天线，在列车内安装GNSS和惯导组合的导航系统，车载终端系统(VTS)通过铁路专用电子地图获得隧道微基站(mTN)的位置及覆盖信息。进入隧道后，列车通过惯性导航系统获取列车的实时位置。
[0080]隧道微基站(mTN)与车载终端系统(VTS)之间通过微波无线通信的方式进行车地之间的通信，来解决隧道内信号覆盖的问题。铁路专用电子地图包括该隧道的名称，隧道微基站(mTN)的数量及具体的位置(经、纬度)，当列车驶入隧道时，通过控制单元自动切换成隧道通信模式，如图3所示。
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说 明 书
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当隧道较短，或者为长直隧道时，在隧道洞口上方或者在隧道口内侧壁挂一个隧
道微基站(mTN)就可以实现对整个隧道内的无线信号覆盖，其余位置不需要建设隧道微基站。对于隧道弯度较大，以及不同坡度、弯度组合的复杂隧道，则应在隧道内设2个或者多个隧道微基站(mTN)实现在整个隧道内的通信连接，如图2所示。[0082]如图3所示，车载终端系统(VTS)2包括：天线座16、天线外罩15(通常为流线型天线外罩)、GNSS天线10和车载天线14、车载变频模块(VFCM)8、GNSS和惯导组合的导航系统12、车载终端设备(CPE)9、电子地图(通常为铁路专用电子地图)13、车载服务器4、电源模块和控制单元。其中，GNSS天线10和车载天线14(通常为高增益收发天线)通过天线座用固定螺栓安装在列车顶部之上；其余的放置在列车车厢内部。
[0083]车载天线14(通常为高增益收发天线)通过固定螺栓安装在天线座16上，天线座16通过固定螺栓固定在列车车厢顶部外侧，车载变频模块(VFCM)8一端通过射频线缆与车载高增益收发天线14连接，另一端通过同轴线缆与车载终端设备(CPE)9相连接，车载终端设备(CPE)9的另一端通过网线与车载服务器4相连接。GNSS天线10安装在车厢顶部外侧，通过同轴线缆连接到车厢内的GNSS和惯导组合的导航系统12，该GNSS和惯导组合的导航系统12将输出的定位信息发送到电子地图，匹配后的结果传送到控制单元11，控制单元根据匹配结果判断何时将车载高增益收发天线切换到指向隧道微基站系统，并根据信号衰落控制车载天线是否需要指向下一个微基站。[0084]其中，GNSS天线接收GPS或北斗导航卫星信号，得到的定位结果发送到GNSS和惯导组合的导航系统。GNSS和惯导组合的导航系统作用是在GNSS卫星可用情况下对车载天线进行高精度定位，在GNSS卫星非可视的情况下利用惯性导航为车载天线进行定位。电子地图包含铁轨的位置信息、所有隧道微基站(mTN)的位置信息(微基站编号、经纬度、高度、与铁轨的垂直距离、覆盖距离)等。控制单元的作用是根据电子地图判断车载终端系统(VTS)的工作模式为普通车地模式，还是隧道通信模式，根据GNSS和惯导组合的导航系统的定位信息和电子地图信息进行车载天线指向控制，使得车载天线始终指向eNode B基站或隧道内的微基站(mTN)天线。位于车厢内部的用户终端设备(CPE)用于解调或调制为LTE所需的基带信号，车载服务器的作用是车厢内的用户管理和用户接入。车载变频模块的作用是将信号上变频、放大后发送给车载高增益天线；并将从天线收到的射频信号低噪声放大、下变频为CPE所需的基带信号。
[0085]在进入隧道区域后，车载终端系统(VTS)工作在隧道通信模式。隧道内的通信具体工作过程为：根据列车和隧道微基站(mTN)的位置信息，车载终端系统(VTS)利用惯导组合的导航系统及控制单元对车载高增益天线进行指向控制，使得列车顶部2个高增益天线波束，始终平行于铁轨的轨道，并指向相反的方向。高增益天线增益可选15dBi左右。[0086]传统的漏缆通信方式，同时存在传输损耗和耦合损耗，为了使常态无线通信达到可用标准，每公里隧道需铺设七公里漏缆，建设成本高昂。在本发明的方法下，车载天线可以与微基站直接进行无线通信，同时也避免了车体的穿透损耗***********，加上15dB天线增益，共增加约45dB的增益。
[0087]下面结合附图4a和4b中的信号传播模型，以及在复杂隧道中建站的依据给出进一步的说明何时需要增设隧道微基站，即给出确定隧道微基站个数的算法。[0088]如图4所示，按电磁波传播形式整个隧道被分成了三个区域，第一个区域为自由空
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间传播区域，第二个区域为受隧道壁限制的菲涅尔衍射传播区域，从隧道口到第一、二区域分界点的距离为r0；第三个区域为夫琅和费衍射传播区域，从隧道口到第二、三个区域分界点的距离为r2。由于当隧道长度相当于无限长的时候，才满足夫琅和费的衍射条件，而现实中目前最长也不超过40Km，因此本发明的算法基于电磁波在上述第一区域和第二区域的传播。
[0089]首先，以第一个隧道微基站所处的隧道口处为距离基点，计算出电磁波以近似自由空间传播模式传播的第一区域和电磁波以受隧道壁限制的菲涅尔衍射模式传播的第二区域的分界点，即第一菲涅尔圆半径与隧道最大内切圆半径相等处，距离隧道口设置隧道微基站的距离：
[0090]根据第一菲涅尔区定义，
[0091]
其中，d为发射源到接收天线的距离，d1为发射源到第一菲涅尔圆的距离，d2为第一
菲涅尔圆到接收天线的距离，F1为第一菲涅尔圆的半径，λ为电磁波波长；[0093]可以近似得到第一菲涅尔区的半径：
[0094][0095][0096][0097]
[0092]
可以得到第一菲涅尔圆半径的最大值，为：
对于圆形隧道来说，第一菲涅尔圆半径即为隧道横截面的半径；对于其他形状隧
道，隧道有效半径可取隧道最大内切圆半径。在计算实际隧道有效面积时，由于隧道并不是
约1.5-3dB；
正圆形，所以应外加修正因子
[0098]
由此可以得到电磁波以近似自由空间传播的距离r0，从而得到电磁波以近似自由空间传播与受隧道壁限制的菲涅尔衍射传播之间的分界点：
[0099]
对于长直隧道，
[0101]当隧道总长L≤r0时，电磁波在隧道内衰减可按自由空间传播衰减值计算，在自由空间范围内传播的衰减值PL0的计算公式为：
[0102]PL0(dB)＝32.5+20logf(MHz)+20logd(km),(0≤d≤L)[0103]其中，f为工作频率；[0104]当隧道长度L>r0时，在[0,r0]区间内先按自由空间传播，然后在(r0,L]区间内再按受隧道壁限制的菲涅尔传播模型衰减，总的路径传播衰减值PL为：[0105]PL＝Max(PL0,PF)，[0106]如图5所示，其中PL0为为自由空间范围内传播的衰减值，由以下公式计算：[0107]PL0(dB)＝32.5+20logf(MHz)+20logd(km),(r0＜d≤L)[0108]PF为受隧道壁限制的菲涅尔传播衰减，由以下公式计算：
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[0100]
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PF(dB)＝-20log10(πF1max2/λ)+20log10(d-r0)+A，(r0＜d≤L)。其中，A为衍射效率常数，取值范围为3-6dB，与隧道口径非标准圆及衍射路径长度如图6所示，对于弯曲隧道，电磁波在弯曲隧道内的衰减值Pc由以下公式计算：Pc(dB)＝-10log10(1-(L(2R))2)-10log10(4-(dL))，当h/2R＜＜1其中，R为隧道弯曲半径，L为内侧弯曲弧切线长度，
h为隧道内切圆的
有关；
[0111][0112][0113]
直径；
如图7所示，对于分支隧道，电磁波在分支隧道内的衰减值Pb由以下公式计算：
[0115]Pb(dB)＝10log10(cos2α)+20log10(S/(λd))+A[0116]其中，α为分支隧道与主隧道夹角，d为接收机在分支隧道中与分支点的距离，S为分支隧道的横截切面圆面积，A为修正系数，其取值范围一般为3-6dB；[0117](3)车载终端系统接收到的信号功率为：
[0118]Pr(dBm)＝Pt(dBm)+Gt(dBi)-Lt(dB)-PL(dB)+Gr(dBi)-Lr(dB)；[0119]其中，Pt为隧道微基站的发射功率，单位为dBm；Gt为隧道微基站天线发射增益，单位为dBi；Lt为隧道微基站的功放到发射天线的插入损耗，单位为dB；Gr为车载终端系统接收天线的增益值，单位为dBi；Lr为车载终端系统接收天线到车载变频模块的缆线衰减，单位为dB；PL为总的路径传播衰减值，单位为dB，根据以下公式计算：
[0114]
[0120]
接收机的接收功率门限值一般为-110dBm，如果用上式计算得到的Pr结果小于-110dBm，则需要增加一个隧道微基站(或拉远站)。[0122]下面结合介绍几种不同隧道情况下，根据本发明的上述隧道微波通信传输系统和方法的具体实施情况。
[0123]以下实施例中所得计算结果均依据本发明的隧道微波通信传输方法。[0124]实施例1
[0125]一段长度为16km的隧道，是一条长直隧道。在隧道口入口铁轨旁，用人字梯架设微基站天线，天线增益为20dBi，发射功率为10W，天线挂高为4米。测试终端搭载在测试车辆上，天线增益为15dBi，发射功率为10瓦，天线高度为2米。列车未进入隧道时，车载终端天线与LTE基站之间进行通信。GNSS和惯导组合的导航系统收到的精准位置信息匹配到车载专用电子地图，车载终端系统(VTS)控制单元通过计算得知在t1时刻后车头天线将进入该段隧道，在隧道中连续行驶16km。系统工作频率为5.9GHz,隧道截面为圆拱形，高为9米，宽为13.4米。计算得到自由空间传播区域(第一个区域)与受限的菲涅尔衍射传播区域(第二个区域)的分界点为距离隧道口1593m处。第一区内的自由空间传播衰减值为：112.0dB。计算得到第二个区域内的衰减值为：27dB。距发射基站16km处，即出隧道口的位置处的传播衰减值PL为：139dB。发射功放到发射天线的插入损耗为1dB，车载接收天线到车载变频模块的缆
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[0121]
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线衰减为3.5dB，计算得到车载接收系统接收到的信号功率为-98.5dBm。结果大于-110dBm，因此隧道中不用增加微基站天线。[0126]实施例2
[0127]一段长度为55km的长直隧道。在隧道口入口铁轨旁，用人字梯架设微基站天线，天线增益为20dBi，发射功率为10W，天线挂高为4米。测试终端搭载在测试车辆上，天线增益为15dBi，天线高度为2米。列车未进入隧道时，车载终端天线与LTE基站之间进行通信。GNSS和惯导组合的导航系统收到的精准位置信息匹配到车载专用电子地图，车载终端系统(VTS)控制单元通过计算得知在t2时刻后车头天线将进入该段隧道，在隧道中连续行驶55km。系统工作频率为5.9GHz,隧道截面为圆拱形，高为9米，宽为13.4米。计算得到自由空间传播区域(第一个区域)与受限的菲涅尔衍射传播区域(第二个区域)的分界点为距离隧道口1593m处。第一区内的自由空间传播衰减值为：112.0dB。计算得到第二个区域内的衰减值为：40dB。距发射基站55km处，即出隧道口的位置处的传播衰减值PL为：152dB。发射功放到发射天线的插入损耗为1dB，车载接收天线到车载变频模块的缆线衰减为3.5dB，计算得到车载接收系统接收到的信号功率为-111.5dBm。结果小于-110dBm，因此隧道中需增加1个微基站系统，架设地点在距离隧道口49km处。[0128]实施例3
[0129]一段长度为5456m的带弯曲的隧道。起始为直线型隧道，长度为3806米，之后是弧长为1650米、半径为10000米的弯曲隧道。在隧道口正中间的位置，向下悬挂一个微基站天线，天线增益为20dBi，发射功率为1W，天线挂高为7米；测试终端搭载在测试车辆上，天线增益为15dBi，天线高度为2米。列车未进入隧道时，车载终端天线与隧道微微基站(mTN)之间进行通信。GNSS和惯导组合的导航系统收到的精准位置信息匹配到车载专用电子地图，车载终端系统(VTS)控制单元通过计算得知在t3时刻后车头天线将进入该段隧道一直到列车车头驶出隧道，恢复与LTE基站的通信。系统工作频率为5.9GHz,隧道截面为圆拱形，高为9米，宽为13.4米。计算得到自由空间传播区域(第一个区域)与受限的菲涅尔衍射传播区域(第二个区域)的分界点为距离隧道口1593m处。第一区内的自由空间传播衰减值为：112.0dB。计算得到第二个区域内直线部分的的衰减值为：11.9dB。隧道弯曲部分衰减值为11.7dB，则整个隧道的传播衰减值为：135.6dB。隧道出口处的信号功率值为-105.1dBm，大于门限值-110dBm，因此不用再增设微基站系统。[0130]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
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说 明 书 附 图
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图1(a)
图1(b)
图2
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说 明 书 附 图
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图3
图4(a)
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说 明 书 附 图
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图4(b)
图5
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说 明 书 附 图
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图6
图7
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图8
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