隧道場景無線自由波信道測量、特性分析和建模研究.pdf

1、隨著中國城鎮(zhèn)化步伐加快，城市交通的發(fā)展空間受到了嚴(yán)格制約，城市軌道交通能夠緩解城市交通壓力，提升城市經(jīng)濟活力，實現(xiàn)社會、經(jīng)濟和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。不斷增長的客運量對城軌的運行車輛密度及列車運行的自動化和智能化提出了更高要求。另外，對城市地下空間的有效利用和發(fā)展帶來了如防火防災(zāi)、治安監(jiān)測、乘客的通信需求等更多的問題，同時也隱藏著巨大的經(jīng)濟和社會效益。這些無疑都需要承載在高傳輸速率和可靠性的無線通信系統(tǒng)之上，對新的無線通信技術(shù)在地下空間中的應(yīng)

2、用提出了更高的要求。
　　無線信道是無線通信系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確認(rèn)知無線信道的傳播特性是設(shè)計無線通信系統(tǒng)的前提條件。國內(nèi)外學(xué)者對隧道環(huán)境下的電波傳播特性進行了大量研究，但對于多天線(Multiple Input Multiple Output，MIMO)信道特性的研究還不夠充分，尤其缺乏隧道內(nèi)的角度特征研究。借助對角度、多徑時延以及多徑功率的聯(lián)合判斷才能夠直觀地了解隧道內(nèi)反射、衍射、散射的傳播現(xiàn)象，從更深層次去理解波導(dǎo)效應(yīng)、鎖孔效

3、應(yīng)的成因。
　　另外，目前地下軌道交通隧道場景還沒有標(biāo)準(zhǔn)化的信道模型。信道模型的準(zhǔn)確與否主要體現(xiàn)在，是否能夠根據(jù)該環(huán)境的特殊性選取合適的建模方法，因此在模型建立前要對所測環(huán)境的特點有較為充分的認(rèn)識。有別于任何一類地面蜂窩及其它軌道交通移動通信傳播環(huán)境，在城市軌道交通中，地下隧道是一個主要的場景。與其他場景相比，該場景的特殊性主要體現(xiàn)在:狹長受限、結(jié)構(gòu)多變、場景固定等特點。通過對以往文獻(xiàn)的分析，目前已有的信道模型在適用性上都有一定的

4、局限。
　　針對以上問題，本文在如下幾個方面展開研究:
　　1)搭建了基于商用儀表的單天線測量平臺與自制虛擬MIMO測量系統(tǒng)?？偨Y(jié)了在隧道環(huán)境中各信道特征參數(shù)的提取方法。并在彎曲隧道實驗室環(huán)境進行了驗證測量。從路徑損耗、信道沖激響應(yīng)(Channel Impulse Response，CIR)、均方根（Root Mean Square，RMS）時延擴展、角度、MIMO幅度矩陣、信道矩陣奇異值及信道容量等方面，給出了彎隧道中直射

5、(Line of Sight，LOS)向非直射(Non Line of Sight，NLOS)條件過渡時不同頻點信道特征變化的過程，同時也為后續(xù)長直隧道場景信道測量提供了對比基礎(chǔ)。
　　2)分別采用單天線與虛擬MIMO測量平臺對長直隧道中LOS條件的電波傳播以及MIMO信道特性進行了測量分析。獲得了包括路徑損耗、CIR、RMS時延擴展、角度、MIMO幅度矩陣、信道矩陣奇異值及信道容量等參數(shù)。通過多徑信號角度-時延-功率的聯(lián)合分析，

6、并結(jié)合彎曲隧道中的測量結(jié)果，總結(jié)隧道內(nèi)信號反射和散射規(guī)律，為建立模型提供測量依據(jù)。
　　3)分析了隧道環(huán)境下信道的特殊性，列舉了采用統(tǒng)計模型、半確定性模型、確定性模型在隧道環(huán)境下建模的優(yōu)缺點，指明了在隧道場景下采用確定性模型和半確定性模型是最合適的建模方法。
　　采用射線跟蹤法對長直隧道信道建模。以測量結(jié)果分析所得隧道內(nèi)的反射次數(shù)為依據(jù)，調(diào)整仿真參數(shù)，得到仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比，討論射線跟蹤方法在隧道場景信道建模方面的可行性

7、，并分析該方法的優(yōu)缺點，以便后續(xù)改進。
　　采用一種基于分面法的改進傳播圖模型對長直隧道信道建模。將原來不加區(qū)分的散射點改進為以面為單位的散射點集合，使其更加符合反射規(guī)律，降低了能見度矩陣的計算量，增加了該模型的實用性。
　　采用一種射線跟蹤法與傳播圖法相結(jié)合的混合模型對長直隧道信道建模。分析了射線跟蹤法和傳播圖法在隧道場景信道建模的優(yōu)缺點，取兩種方法的優(yōu)勢，提出一種精度更好，同時也能保證靈活性的混合模型，并與實測數(shù)據(jù)對比，