铁路隧道环境下无线信道建模与优化

发布时间：2020-04-30 22:12

【摘要】：近年来,我国高铁迅猛发展,因其具有快速、便捷、绿色的特点成为最受人们青睐的出行方式,高铁上座率逐年上升。高铁运行过程中,会经历山区、路堑、高架桥、隧道等不同的场景,而我国山地面积占地较广,为了缩短列车运行时间并避免列车高速运行转弯时产生的离心力,隧道建设是必不可少的。相比开阔场景和室内场景,隧道是一个狭长受限的空间,电磁波会经历多次的反射、绕射、透射等,还会出现锁孔效应,电波传播特性有显著的不同。对于任何一个通信系统来说,为了更好地规划系统设计,避免出现误判,导致严重不良结果,必须建立准确的信道模型,全面掌握该无线信道内电磁波传播特性。射线跟踪法是一种适用于隧道环境中无线信号覆盖预测的传播模型,具有较高的准确性。本文主要针对隧道环境下的无线信道建模与优化进行研究,以射线跟踪模型及灰狼算法为理论基础展开研究,提出了一种基于对立搜索和Levy飞行策略的改进灰狼优化算法,用于隧道模型校正。论文主要内容和研究成果如下:(1)首先针对列车运行的坏境,建立射线跟踪无线信道模型。该模型为确定性传播模型,其预测合理性取决于地理数据库的准确性和校正参数的优化,模型中的一部分参数根据经验值及客观条件已被证实最优;对模型精度影响很小的参数,取经验值即可;严重影响模型预测精度的参数,则需要校正,使得模型准确性更好。据此,明确了模型需要校正的参数及衡量模型性能的指标。(2)针对灰狼优化(grey wolf optimization,GWO)算法易陷入局部最优和收敛精度差的问题,本文提出了一种基于对立搜索和Levy飞行策略的改进灰狼优化算法(OLGWO)。在算法初始化阶段,采用对立搜索策略以缩小可行解范围;在灰狼位置更新过程中,为避免算法陷入局部最优采用了Levy飞行策略。4个标准测试函数的仿真实验表明,所提OLGWO算法在收敛速度及求解精度方面均优于GWO算法,可以较快且准确地搜索到目标函数的最优值。然后,基于OLGWO优化算法对隧道射线跟踪传播模型进行校正,对比分析四种不同隧道横截面形状(单轨矩形、双轨矩形、拱形、圆形)下的路径损耗,通过仿真实验证明,校正后的模型在均方根误差和线性相关性方面具有较优的性能,能够实现铁路隧道环境中信号接收功率的精确预测。(3)基于校正后的隧道射线跟踪模型,根据不同的信号载波频率、天线极化方式、收发端相对位置,以及直隧道与弯曲隧道等参量,进行理论仿真实验。结果表明:载波频率越高,信号传播损耗越大;在长度一定的隧道,较宽的隧道内传输的信号衰减更小;不同的天线位置以及不同的天线极化方式都会对隧道内信号的传输产生一定的影响;信号通过弯道部分时会发生更多次反射,导致信号在弯道部分的损耗要大于长直隧道部分的损耗。
【图文】：

垂直极化,电磁波

播机制中，除了最简单的直射外，还有反射、绕射、透射与接收端间传输的过程中，除直射径外，还有很多反射径隧道壁等障碍物的反射。如果是隧道壁厚度比较大的情景道壁就会出现两种情形，一种是部分能量会被反射，另一种耗掉。如果隧道的粗糙度比较大，那么在传播过程中电磁波安置在车体内部时，隧道内传输的电磁波一部分会与隧道体而出现透射。有时隧道内会有一些较为尖锐的物体存在了解电磁波的传播方式对于实现在隧道内较为准确地电磁波电磁波传播方式之前，，首先介绍电磁波的极化方式。播于空间中电磁波电场矢量的瞬间方向，垂直极化和水平极[12]。入射面是由电磁波入射方向所在的面和介质法线方向所电磁波的入射电场方向垂直于反射面，则可称该入射波为

平行极化

图 2.2 平行极化射程中最简单的方式是直射，也就是发送天线到接收天线之强计算可表示为[13]：0Dj dlDE E e d ，λ 为自由空间的电波波长，0E 为距发射点 1m 远处的长。种不同介质的交界面，将会发生反射，反射的射线遵从反角相等。计算反射径场强的公式可表示为：01Rnj dRiiReE R Ed 反射的累计次数，dR为反射径的总长，Ri为第 i 次反射波的介质的相对介电常数、电导率，电磁波的频率、入射角以及
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U285.2;TN92;TP18

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