铁路隧道内公网漏缆设计的探讨

2023年12月8日发(作者：最害怕的事)

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科技创新

铁路隧道内公网漏缆设计的探讨

张 凯，吴浠桥

（中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610000）

摘要：铁路隧道内公网利用多漏缆实现MIMO，文章通过分析MIMO系统容量与频段、漏缆数量、漏缆水平间距之间的关系，提出工程中隧道内公网漏缆设计的建议。

关键词：铁路隧道；公网；MIMO漏缆

众所周知，现在是一个高水平的信息化时代，人们的工作、学习、生活、娱乐越来越离不开网络。旅途中想必有这样一种体验，火车在进入隧道后手机就没了信号，带来了诸多不便。铁路旅客对网络需求日益迫切，解决隧道内无信号的问题就需要进行公众移动通信网络（即公网）覆盖。

1 铁路隧道内公网覆盖

铁路隧道内公网覆盖是把移动、电信、联通的信号延伸覆盖至隧道内，用于手机无线信号的接入。目前，一般将信源设备安装在隧道设备洞室内，射频无线信号经多系统平台（POI）、功分器、合路器、漏泄同轴电缆（即漏缆）、馈缆等设施的传输和辐射，完成隧道内无线信号覆盖。

2 MIMO技术

当手机有了信号之后，制约用户体验的重要因素是网速，而决定网速快慢的关键条件之一是系统信道容量。进入4G时代后，移动信息系统引入了一项关键技术，MIMO（多入多出）技术。

多入多出技术利用多天线空间分集获得性能增益，可以提高信道容量和频谱利用率，提升网络吞吐率。

设发射端和接收端之间有N条独立的衰落信道，符号x以空间分集的方式通过N条信道传播出去，每个符号的能量为E。若信道的转移矩阵为H，且表达式为：

Hh1,h2,,hN （2-1）

那么，接收的第i路的信号为：

yEiNhixniEihixni，i1,2,N （2-2）

式中，hi为第i路信号的信道，ni为第i路信号的高斯白噪声。

当信号频率为F，发射端和接收端之间有N条独立的衰落信道，且各信道噪声均为σ2，MIMO系统容量可以表示为：

NCFlogEi11i2 （2-3）

NFlogE12bit/s由式（2-3），MIMO系统归一化容量为：

CCEnorFNlog12=NCsymbit/s/Hz （2-4）

MIMO系统容量是香农容量的N倍，提高了资源利用率。

但是，在实际场景很难保证发射端和接收端之间各信道相互独立，各信道存在一定的相关性。因此，MIMO系统实际容量总是小于系统最大容量Cnor。

C1auth1NNlog1E2bit/s/Hz （2-5）

式中，ρ为信道的相关系数，且0<ρ<1。

Lee模型[1-2]中各信道的空间相关性表示为：

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是信号波长，ΔdBS是基站天线阵元之间的间距，ΔdMS是移动台天线之间的间距，θn,m,AOD是基站侧第n条路径的第m条子径的离开角，θn,m,AOA是基站侧第n条路径的第m条子径的到达角，φn,m为子径随机相位。

令ΔdMS=0，则基站侧的空间相关系数为：

N2BSd=1Nexp-jdBScosn,m,AoDn,mi1 （2-7）

3 利用多漏缆实现MIMO

3.1 漏缆的水平间距

在铁路隧道中，信源设备可利用多条漏缆发射信号（等效于多副天线），根据式（2-7），易得所需要的漏缆平行间距来保证相关性ρ，可以近似计算：

dBS2log2 （3-1）

cos式中，σφ是随机相位φ的标准差。

文献[3]中规定，MIMO系统信道至少需要满足中度非相关。在中度非相关条件下，基站侧空间相关系数ρ=0.3。文献[4]中规定，当空间相关系数ρ=0.3时，一般θAOD=20°，标准差σφ=5°。因此，隧道中漏缆最小平行间距为：

d2logBS,min2cos2 （3-2）

式中，信号波长λ=c/f，c是光速，f是信号频率。为简单分析，当漏缆平行间距小于2λ时，令系统信道为高度相关且ρ=0.9。

目前，运营商在铁路4G、5G公网覆盖的频段及波长如表1所示。

表1 运营商4G、5G频段及波长

运营商 频段（MHz） 波长（m）

758-798 0.396

934-949 0.321

移动

1805-1830 0.166

1885-1920 0.159

2515-2675 0.119

870-880 0.345

电信 1860-1875 0.161

2110-2130 0.142

949-960 0.316

联通

1845-1860 0.163

2130-2155 0.141

那么，漏缆最小间距ΔdBS，min如表2所示。

表2 不同频段的漏缆最小间距

运营商 频段（MHz） Δd（m）

758-798 0.792

934-949 0.642

移动

1805-1830 0.332

1885-1920 0.318

2515-2675 0.238

870-880 0.690

电信

1860-1875 0.322

2110-2130 0.284

949-960 0.632

联通 1845-1860 0.326

2130-2155 0.282

3.2 MIMO系统实际容量

为简单分析，当漏缆平行间距小于ΔdBS，min时，令系统信道为高度相关且ρ=0.9；当漏缆平行间距大于ΔdBS，min时，令系统信道为中度相关且ρ=0.3。那么，MIMO系统归一化实际容量Catuh为：

CC0.7N1dBS，minauth1N1Cnor,nor0.3N1Cnor，d （3-3）

BS，min由此可得MIMO系统实际容量C为：

CWC0.7N1WNCsymauth=0.3N1WNC （3-4）

sym其中，W为频段带宽，N为漏缆数量。

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3.3 漏缆设计的建议

标准[5]规定漏缆宜挂设在距轨面1.8m-2.8m的高度，根据表2的结果隧道内最多挂设4条漏缆。假设隧道内覆盖表2中的全部频段，那么系统总容量与漏缆数量关系如图1所示。当漏缆数量达到两条时，系统总容量最大；随着漏缆数量增加，漏缆间距越小，信道相关性越高，导致系统总容量不增返降。因此，工程设计中建议采用双漏缆方案。

在双漏缆条件下，系统总容量与漏缆间距关系如图2所示。随着漏缆间距增加，系统总容量上升；在0.2m-0.4m区间容量上升明显，0.4m之后区域平缓。因此，工程设计中建议双漏缆水平间距至少大于0.4m。

实际工程中，隧道内公网可能会选择性地采用表2中的频段，因此漏缆的设计还需要根据具体工程分析。

图1 系统容量与漏缆数量关系图 图2 系统容量与漏缆间距关系图

4 结语

在实际运用中，网速不仅受制于系统容量，还是受到信号强度、干扰等其他因素影响，本文只针对隧道内公网的MIMO系统容量进行了分析，对漏缆的设计提出以下建议：隧道内采用双漏缆的方案；漏缆的水平间距至少需要大于0.4m。

参考文献：

[1]李建东,郭梯云,邬国扬,等.移动通信(第四版)[M].西安电子科技大学出版社,2006.

[2]吴浠桥,梁莹,张凯.高速铁路公众移动通信网络的设计探讨[J].铁道（上接第 20 页）

对医院的医学影像存档传输系统（PACS）进行功能改造，增加三维重建模块，并在通用三维重建功能基础上，增加组织提取、渲染和数字建模功能，使其能够输出能够被3D打印机识别的“.stl”文件，减少对第三方工程建模软件的依赖。

应用流程如下：

（1）医学影像获取。通过CT、核磁等影像设备，得到存储患者二维医学图像的DICOM文件，存储在PACS服务器上。考虑到三维重建和建模的需要，需要获取患者的薄层检查影像，经过实践检验，小于1mm的CT薄层图像重建效果最好。目前在实际应用过程中，选择0.5mm的轴位CT图像进行三维数字建模。

（2）三维建模。通过PACS图像浏览器直接调用三维重建模块，进行CT轴位图像的三维重建，并根据人体不同组织密度不同（CT值）的特点进行组织分割和特定组织的提取，进行三维数字模型的建模，添加必要的中空、支撑结构，将三维数字模型存储为可以被3D打印机识别的STL（Standard Tesllation Language）格式。

（3）3D打印。将STL文件传输给3D打印设备，驱动3D打印机进行逐层打印，生成3D打印模型成品。

通过对3D打印技术的分析可知，在骨科应用中主要涉及两个方向，一个是快速制造、一个是快速成型。快速制造是实现流水线式的制造，在手术器械、人工假体及骨移植等操作中实现快速制造的目的；快速成型则是在制作导板、模型及匹配的骨替代物中实现快速制作的目的。随着材料技术、计算机技术的发展，以及媒体的推广，人们对3D打印技术也必将越来越熟悉，3D打印的价格也会逐渐下降。在骨科领域内，3D打印技术在具有生命活性的人造骨骼打印中，依赖于生物材料、组织培养、干细胞等多学科技术，将替代缺损、坏死的骨组织部分，直接打印出具有生物活性的人工骨组织，该项技术也必将很快实现。

4 基于医学影像存档传输系统的三维重建和3D打印技术效益分析

4.1 简化操作，降低学习成本

3D打印技术涉及的软件比较多，且对于重建虚拟图像的技术要求较高，需要临床医生要会用CAD、Mimics等工程类软件，临床医生往往掌握不多。采用基于医学影像存档传输系统的三维重建和3D通信信号,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]公众移动通信隧道覆盖工程技术规范[S].GB/T 51244-2017.

打印应用，大大的降低了临床医师的学习成本，简化了操作和流程。

4.2 提高效率，加强了临床医生的参与感

采用基于医学影像存档传输系统的三维重建和3D打印应用，可以在院内完成医学影像检查到3D打印输出完整的流程，缩短了各方协作所耗费的时间成本和经济成本，提高了从医学影像到3D打印模型的输出效率，也加强了临床医生的参与感。

4.3 降低成本、提高患者使用的意愿

采用基于医学影像存档传输系统的三维重建和3D打印应用，减少了对第三方数字建模人员和3D打印服务商的依赖,获取3D打印模型的成本得到降低，对目前还没有纳入医保的3D打印模型，主要依赖患者自费使用，费用的降低将提高患者使用3D打印模型的意愿。

5 结语

由医学影像存档传输系统（PACS）直接进行医学影像的三维重建和数字建模，生成可供3D打印机识别的三维数字模型文件格式，由3D打印机进行三维数字模型的打印。打印出1:1的3D模型，用于临床手术模拟和示教,具有很大的实用性。项目旨在解决过去医学影像扫描、三维数字建模和3D打印时空分散、流程繁琐、成本居高不小等问题，省掉了中间专业三维数字建模的环节和到第三方3D打印机构进行模型打印的环节，可以减少临床人员对三维建模等计算机专业人才的依赖，加快医学影像到3D模型输出的时间，有利于3D打印模拟手术技术的大规模推广应用。随着3D打印技术整体技术上的进步，3D打印技术必将在骨科领域积极广泛的应用。

参考文献：

[1]田捷,诸葛婴,王靖,等.三维医学图象处理与分析系统[J].CT理论与应用研究,1999(02):39-43.

[2]周晓枢,袁伟,夏茂盛,等.3D打印结合计算机辅助导航在骨科教学中的应用[J]中国继续医学教育,2019(35):35-37．

[3]杜恒,周晓玲,尹思,等.3D打印技术在骨科临床PBL教学中的应用[J]西北医学教育,2015(4):701-704．

[4]岳梅.3D打印技术在医学教学中的应用研究[J].中国继续医学教育,2020(02):56-58.

[5]吴骏豪,王洪,叶哲伟,等.3D打印技术在新时代骨科临床教学中的应用[J].生物骨科材料与临床研究,2020(01):33-36.

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