鐵路隧道內公網漏纜設計的探討

2023年12月8日發(作者：最害怕的事)

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科技創新

鐵路隧道內公網漏纜設計的探討

張 凱，吳浠橋

（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610000）

摘要：鐵路隧道內公網利用多漏纜實現MIMO，文章通過分析MIMO系統容量與頻段、漏纜數量、漏纜水平間距之間的關系，提出工程中隧道內公網漏纜設計的建議。

關鍵詞：鐵路隧道；公網；MIMO漏纜

眾所周知，現在是一個高水平的信息化時代，人們的工作、學習、生活、娛樂越來越離不開網絡。旅途中想必有這樣一種體驗，火車在進入隧道后手機就沒了信號，帶來了諸多不便。鐵路旅客對網絡需求日益迫切，解決隧道內無信號的問題就需要進行公眾移動通信網絡（即公網）覆蓋。

1 鐵路隧道內公網覆蓋

鐵路隧道內公網覆蓋是把移動、電信、聯通的信號延伸覆蓋至隧道內，用于手機無線信號的接入。目前，一般將信源設備安裝在隧道設備洞室內，射頻無線信號經多系統平臺（POI）、功分器、合路器、漏泄同軸電纜（即漏纜）、饋纜等設施的傳輸和輻射，完成隧道內無線信號覆蓋。

2 MIMO技術

當手機有了信號之后，制約用戶體驗的重要因素是網速，而決定網速快慢的關鍵條件之一是系統信道容量。進入4G時代后，移動信息系統引入了一項關鍵技術，MIMO（多入多出）技術。

多入多出技術利用多天線空間分集獲得性能增益，可以提高信道容量和頻譜利用率，提升網絡吞吐率。

設發射端和接收端之間有N條獨立的衰落信道，符號x以空間分集的方式通過N條信道傳播出去，每個符號的能量為E。若信道的轉移矩陣為H，且表達式為：

H??h1,h2,?,hN? （2-1）

那么，接收的第i路的信號為：

yEi?Nhix?ni?Eihix?ni，i?1,2?,N （2-2）

式中，hi為第i路信號的信道，ni為第i路信號的高斯白噪聲。

當信號頻率為F，發射端和接收端之間有N條獨立的衰落信道，且各信道噪聲均為σ2，MIMO系統容量可以表示為：

NC?F?log??E?i?1?1?i?2?? （2-3）

?NFlog??E??1??2??bit/s由式（2-3），MIMO系統歸一化容量為：

C?C?E?norF?Nlog??1??2??=NCsymbit/s/Hz （2-4）

MIMO系統容量是香農容量的N倍，提高了資源利用率。

但是，在實際場景很難保證發射端和接收端之間各信道相互獨立，各信道存在一定的相關性。因此，MIMO系統實際容量總是小于系統最大容量Cnor。

C1auth?????1???N?Nlog???1?E??2??bit/s/Hz （2-5）

式中，ρ為信道的相關系數，且0<ρ<1。

Lee模型[1-2]中各信道的空間相關性表示為：

??d?=1?2?N?N??exp?d???2???BScos?n,m,AoD???1???-j???exp??-j??dMScos?n,m,AoA??n,m????（2-6）

式中，λ是信號波長，ΔdBS是基站天線陣元之間的間距，ΔdMS是移動臺天線之間的間距，θn,m,AOD是基站側第n條路徑的第m條子徑的離開角，θn,m,AOA是基站側第n條路徑的第m條子徑的到達角，φn,m為子徑隨機相位。

令ΔdMS=0，則基站側的空間相關系數為：

N??2?BS?d?=1N?exp?-j?d?BScos?n,m,AoD??n,m?i?1??? （2-7）

3 利用多漏纜實現MIMO

3.1 漏纜的水平間距

在鐵路隧道中，信源設備可利用多條漏纜發射信號（等效于多副天線），根據式（2-7），易得所需要的漏纜平行間距來保證相關性ρ，可以近似計算：

?dBS?2log???2??? （3-1）

?cos式中，σφ是隨機相位φ的標準差。

文獻[3]中規定，MIMO系統信道至少需要滿足中度非相關。在中度非相關條件下，基站側空間相關系數ρ=0.3。文獻[4]中規定，當空間相關系數ρ=0.3時，一般θAOD=20°，標準差σφ=5°。因此，隧道中漏纜最小平行間距為：

?d?2log?BS,min?2??cos???2? （3-2）

?式中，信號波長λ=c/f，c是光速，f是信號頻率。為簡單分析，當漏纜平行間距小于2λ時，令系統信道為高度相關且ρ=0.9。

目前，運營商在鐵路4G、5G公網覆蓋的頻段及波長如表1所示。

表1 運營商4G、5G頻段及波長

運營商 頻段（MHz） 波長（m）

758-798 0.396

934-949 0.321

移動

1805-1830 0.166

1885-1920 0.159

2515-2675 0.119

870-880 0.345

電信 1860-1875 0.161

2110-2130 0.142

949-960 0.316

聯通

1845-1860 0.163

2130-2155 0.141

那么，漏纜最小間距ΔdBS，min如表2所示。

表2 不同頻段的漏纜最小間距

運營商 頻段（MHz） Δd（m）

758-798 0.792

934-949 0.642

移動

1805-1830 0.332

1885-1920 0.318

2515-2675 0.238

870-880 0.690

電信

1860-1875 0.322

2110-2130 0.284

949-960 0.632

聯通 1845-1860 0.326

2130-2155 0.282

3.2 MIMO系統實際容量

為簡單分析，當漏纜平行間距小于ΔdBS，min時，令系統信道為高度相關且ρ=0.9；當漏纜平行間距大于ΔdBS，min時，令系統信道為中度相關且ρ=0.3。那么，MIMO系統歸一化實際容量Catuh為：

CC??0.7N?1dBS，minauth?????1???N?1Cnor,??nor????0.3N?1Cnor，??d （3-3）

BS，min由此可得MIMO系統實際容量C為：

C?WC??0.7N?1W?NCsymauth=???0.3N?1W?NC （3-4）

sym其中，W為頻段帶寬，N為漏纜數量。

《華東科技》

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Technological Innovation

3.3 漏纜設計的建議

標準[5]規定漏纜宜掛設在距軌面1.8m-2.8m的高度，根據表2的結果隧道內最多掛設4條漏纜。假設隧道內覆蓋表2中的全部頻段，那么系統總容量與漏纜數量關系如圖1所示。當漏纜數量達到兩條時，系統總容量最大；隨著漏纜數量增加，漏纜間距越小，信道相關性越高，導致系統總容量不增返降。因此，工程設計中建議采用雙漏纜方案。

在雙漏纜條件下，系統總容量與漏纜間距關系如圖2所示。隨著漏纜間距增加，系統總容量上升；在0.2m-0.4m區間容量上升明顯，0.4m之后區域平緩。因此，工程設計中建議雙漏纜水平間距至少大于0.4m。

實際工程中，隧道內公網可能會選擇性地采用表2中的頻段，因此漏纜的設計還需要根據具體工程分析。

圖1 系統容量與漏纜數量關系圖 圖2 系統容量與漏纜間距關系圖

4 結語

在實際運用中，網速不僅受制于系統容量，還是受到信號強度、干擾等其他因素影響，本文只針對隧道內公網的MIMO系統容量進行了分析，對漏纜的設計提出以下建議：隧道內采用雙漏纜的方案；漏纜的水平間距至少需要大于0.4m。

參考文獻：

[1]李建東,郭梯云,鄔國揚,等.移動通信(第四版)[M].西安電子科技大學出版社,2006.

[2]吳浠橋,梁瑩,張凱.高速鐵路公眾移動通信網絡的設計探討[J].鐵道（上接第 20 頁）

對醫院的醫學影像存檔傳輸系統（PACS）進行功能改造，增加三維重建模塊，并在通用三維重建功能基礎上，增加組織提取、渲染和數字建模功能，使其能夠輸出能夠被3D打印機識別的“.stl”文件，減少對第三方工程建模軟件的依賴。

應用流程如下：

（1）醫學影像獲取。通過CT、核磁等影像設備，得到存儲患者二維醫學圖像的DICOM文件，存儲在PACS服務器上。考慮到三維重建和建模的需要，需要獲取患者的薄層檢查影像，經過實踐檢驗，小于1mm的CT薄層圖像重建效果最好。目前在實際應用過程中，選擇0.5mm的軸位CT圖像進行三維數字建模。

（2）三維建模。通過PACS圖像瀏覽器直接調用三維重建模塊，進行CT軸位圖像的三維重建，并根據人體不同組織密度不同（CT值）的特點進行組織分割和特定組織的提取，進行三維數字模型的建模，添加必要的中空、支撐結構，將三維數字模型存儲為可以被3D打印機識別的STL（Standard Tesllation Language）格式。

（3）3D打印。將STL文件傳輸給3D打印設備，驅動3D打印機進行逐層打印，生成3D打印模型成品。

通過對3D打印技術的分析可知，在骨科應用中主要涉及兩個方向，一個是快速制造、一個是快速成型。快速制造是實現流水線式的制造，在手術器械、人工假體及骨移植等操作中實現快速制造的目的；快速成型則是在制作導板、模型及匹配的骨替代物中實現快速制作的目的。隨著材料技術、計算機技術的發展，以及媒體的推廣，人們對3D打印技術也必將越來越熟悉，3D打印的價格也會逐漸下降。在骨科領域內，3D打印技術在具有生命活性的人造骨骼打印中，依賴于生物材料、組織培養、干細胞等多學科技術，將替代缺損、壞死的骨組織部分，直接打印出具有生物活性的人工骨組織，該項技術也必將很快實現。

4 基于醫學影像存檔傳輸系統的三維重建和3D打印技術效益分析

4.1 簡化操作，降低學習成本

3D打印技術涉及的軟件比較多，且對于重建虛擬圖像的技術要求較高，需要臨床醫生要會用CAD、Mimics等工程類軟件，臨床醫生往往掌握不多。采用基于醫學影像存檔傳輸系統的三維重建和3D通信信號,2019(06):45-49.

[3]3GPP TS 36.101 V14.2.1. 3rd Generation Partnership Project; Tech-

nical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal

Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Ur Equipment (UE) radio tra-

nsmission and reception(Relea 14).2017-01.

[4]3GPP TR 25.996 V11.0.0. 3rd Generation Partnership Project; Tech-

nical Specification Group Radio Access Network;Spatial channel mo-

del Input Multiple Output (MIMO) simulations (Relea 11).2012.09.

[5]公眾移動通信隧道覆蓋工程技術規范[S].GB/T 51244-2017.

打印應用，大大的降低了臨床醫師的學習成本，簡化了操作和流程。

4.2 提高效率，加強了臨床醫生的參與感

采用基于醫學影像存檔傳輸系統的三維重建和3D打印應用，可以在院內完成醫學影像檢查到3D打印輸出完整的流程，縮短了各方協作所耗費的時間成本和經濟成本，提高了從醫學影像到3D打印模型的輸出效率，也加強了臨床醫生的參與感。

4.3 降低成本、提高患者使用的意愿

采用基于醫學影像存檔傳輸系統的三維重建和3D打印應用，減少了對第三方數字建模人員和3D打印服務商的依賴,獲取3D打印模型的成本得到降低，對目前還沒有納入醫保的3D打印模型，主要依賴患者自費使用，費用的降低將提高患者使用3D打印模型的意愿。

5 結語

由醫學影像存檔傳輸系統（PACS）直接進行醫學影像的三維重建和數字建模，生成可供3D打印機識別的三維數字模型文件格式，由3D打印機進行三維數字模型的打印。打印出1:1的3D模型，用于臨床手術模擬和示教,具有很大的實用性。項目旨在解決過去醫學影像掃描、三維數字建模和3D打印時空分散、流程繁瑣、成本居高不小等問題，省掉了中間專業三維數字建模的環節和到第三方3D打印機構進行模型打印的環節，可以減少臨床人員對三維建模等計算機專業人才的依賴，加快醫學影像到3D模型輸出的時間，有利于3D打印模擬手術技術的大規模推廣應用。隨著3D打印技術整體技術上的進步，3D打印技術必將在骨科領域積極廣泛的應用。

參考文獻：

[1]田捷,諸葛嬰,王靖,等.三維醫學圖象處理與分析系統[J].CT理論與應用研究,1999(02):39-43.

[2]周曉樞,袁偉,夏茂盛,等.3D打印結合計算機輔助導航在骨科教學中的應用[J]中國繼續醫學教育,2019(35):35-37．

[3]杜恒,周曉玲,尹思,等.3D打印技術在骨科臨床PBL教學中的應用[J]西北醫學教育,2015(4):701-704．

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《華東科技》

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