【摘要】由于城市轨道交通的特殊性，CBTC线路主要分布于开阔空间、高架桥和隧道。隧道及开阔空间区段主要采用无线自由波的方式进行传输，隧道中存在大量的反射、散射和折射现象，无线传播环境复杂，研究隧道内的无线电波传播特性对CBTC中无线设备布置规划有指导性作用。本文旨在提出一种建立隧道模型的方法，为进一步研究不同传输媒介在不同运营环境中的使用提供模型基础。
　　【关键字】CBTC 隧道 信道建模 几何光学模型 波导模型
　　一、绪论
　　随着世界经济的迅速发展，各国的交通运输建设也得到了极大发展。为了实现铁路运输的高效和安全，基于通信的列车运行控制（Communication-based Train Control，CBTC）技术成为了未来城市轨道交通发展的方向之一。CBTC中车地间的数据通信系统（Data Communication System，DCS）是地面和车载设备之间通信的桥梁，通过它可建立列车车辆与地面设备之间连续、双向、高速的数据通信。
　　目前，CBTC系统主要采用无线移动信道来传输车一地双向数字信息，CBTC的运营环境主要有：开阔空间、高架桥和隧道；为了适应不同的运营环境会有不同的传输媒介，CBTC的传输媒介主要有：自由波（天线）、漏泄电缆和漏泄波导三种。由此可见，CBTC无线传播环境非常复杂，无线信道的特性也会受到运营环境和传输媒介的影响。因此，需要分析不同运营环境及不同传输媒介下的传输性能。
　　而分析不同条件下传输性能的前提，即是对信道进行建模。本文主要针对隧道这种运营环境，从其理论出发，提出一种建立隧道模型的方法。
　　二、隧道环境简介
　　为了适应铁路在大城市通过的需要而在城市底下穿越的隧道称为城市隧道。由于隧道对无线电波的屏蔽、吸收和散射作用，使得电波无法沿隧道纵向远传，这就造成了隧道无线电波通信困难。若隧道太长，会由于电波纵向传播衰减严重，而使无线通信问题很难处理，而且此时实际投入使用的隧道通信方案成本也会很高，因此研究隧道内的无线电波传播特性就显得非常必要。在隧道内，空间波的传播方式指的是自然的传播方式（即自由波），也就是通过天线来辐射出无线电波，使其在隧道内的介质（即为空气）中进行传播。目前对隧道进行建模的方法主要有三种：几何光学模型（Geometrical Optical model，GO model）、波导模型和全波模型。
　　而在隧道无线传输的研究中，等效为波导的方法是基本方法，即将不含纵向导体的隧道看作空心介质波导，此时只有工作频率高于隧道截止频率的电磁波才能够传播（CBTC的工作频率为2.4GHz），这也是隧道的固有传播，其余电磁波会因为迅速衰减掉而无法传播。
　　本文中仅考虑矩形的隧道横截面这一种情况。矩形隧道可看作修正后的矩形波导，若矩形隧道的横截面宽为a，高为b，其截止频率为：
　　（式1）中，c是光速，m，n=0，1，2，3，…，且m、n不可同时为0，两者均为波模的阶次。隧道中无线电波的传播是由截止频率小于工作频率的基模和有限次高次模完成的。
　　三、隧道模型建立
　　本文采用了一种结合了GO模型和波导模型，并采用泊松求和公式的混合模型，对隧道近区和远区的传播情况进行了分析。主要有以下三步：
　　（1）将隧道看做多模式工作的波导模型，只有从波导模型中得到的几种模式的电磁波可在隧道中传播。
　　（2）每种模式的强度是由激励源决定的，因此需引入GO模型来分析激励源平面上的电磁波分布，即发射天线所在隧道横截面平面上的电磁波分布，这个场的分布可看做所有模式的电场的加权和。
　　（3）模式强度可由模式匹配方法得到，一旦激励源平面上的模式强度确定，则隧道中的模式传播就可确定了。隧道中其他位置的电磁波场强也可由每个模式场强的总和来预测。
　　本文将隧道横截面看做宽为a，高为b的矩形。将矩形隧道的中心设为原点来建立笛卡尔坐标系，如图1所示。
　　四、总结及进一步计划
　　本文从理论出发，分析了CBTC中隧道这种运营环境的传播特性，建立了隧道的信道模型。本文提出的模型为CBTC无线设备规划提供了指导。
　　基于本文的隧道模型，论文还可对以下几点进一步研究和优化：
　　1.将隧道模型与实际测试进行比对，进一步验证模型的可用性；
　　2.本文隧道模型为理论模型，与实际环境有些差别，还需进一步研究。