隧道场景无线自由波信道测量、特性分析和建模研究

发布时间：2020-08-08 10:55

【摘要】：随着中国城镇化步伐加快,城市交通的发展空间受到了严格制约,城市轨道交通能够缓解城市交通压力,提升城市经济活力,实现社会、经济和环境的可持续发展。不断增长的客运量对城轨的运行车辆密度及列车运行的自动化和智能化提出了更高要求。另外,对城市地下空间的有效利用和发展带来了如防火防灾、治安监测、乘客的通信需求等更多的问题,同时也隐藏着巨大的经济和社会效益。这些无疑都需要承载在高传输速率和可靠性的无线通信系统之上,对新的无线通信技术在地下空间中的应用提出了更高的要求。无线信道是无线通信系统设计的基础,准确认知无线信道的传播特性是设计无线通信系统的前提条件。国内外学者对隧道环境下的电波传播特性进行了大量研究,但对于多天线(Multiple Input Multiple Output,MIMO)信道特性的研究还不够充分,尤其缺乏隧道内的角度特征研究。借助对角度、多径时延以及多径功率的联合判断才能够直观地了解隧道内反射、衍射、散射的传播现象,从更深层次去理解波导效应、锁孔效应的成因。另外,目前地下轨道交通隧道场景还没有标准化的信道模型。信道模型的准确与否主要体现在,是否能够根据该环境的特殊性选取合适的建模方法,因此在模型建立前要对所测环境的特点有较为充分的认识。有别于任何一类地面蜂窝及其它轨道交通移动通信传播环境,在城市轨道交通中,地下隧道是一个主要的场景。与其他场景相比,该场景的特殊性主要体现在:狭长受限、结构多变、场景固定等特点。通过对以往文献的分析,目前已有的信道模型在适用性上都有一定的局限。针对以上问题,本文在如下几个方面展开研究:1)搭建了基于商用仪表的单天线测量平台与自制虚拟MIMO测量系统。总结了在隧道环境中各信道特征参数的提取方法。并在弯曲隧道实验室环境进行了验证测量。从路径损耗、信道冲激响应(Channel Impulse Response,CIR)、均方根(Root Mean Square,RMS)时延扩展、角度、MIMO幅度矩阵、信道矩阵奇异值及信道容量等方面,给出了弯隧道中直射(Line of Sight,LOS)向非直射(Non Line ofSight,NLOS)条件过渡时不同频点信道特征变化的过程,同时也为后续长直隧道场景信道测量提供了对比基础。2)分别采用单天线与虚拟MIMO测量平台对长直隧道中LOS条件的电波传播以及MIMO信道特性进行了测量分析。获得了包括路径损耗、CIR、RMS时延扩展、角度、MIMO幅度矩阵、信道矩阵奇异值及信道容量等参数。通过多径信号角度-时延-功率的联合分析,并结合弯曲隧道中的测量结果,总结隧道内信号反射和散射规律,为建立模型提供测量依据。3)分析了隧道环境下信道的特殊性,列举了采用统计模型、半确定性模型、确定性模型在隧道环境下建模的优缺点,指明了在隧道场景下采用确定性模型和半确定性模型是最合适的建模方法。采用射线跟踪法对长直隧道信道建模。以测量结果分析所得隧道内的反射次数为依据,调整仿真参数,得到仿真结果与实测数据对比,讨论射线跟踪方法在隧道场景信道建模方面的可行性,并分析该方法的优缺点,以便后续改进。采用一种基于分面法的改进传播图模型对长直隧道信道建模。将原来不加区分的散射点改进为以面为单位的散射点集合,使其更加符合反射规律,降低了能见度矩阵的计算量,增加了该模型的实用性。采用一种射线跟踪法与传播图法相结合的混合模型对长直隧道信道建模。分析了射线跟踪法和传播图法在隧道场景信道建模的优缺点,取两种方法的优势,提出一种精度更好,同时也能保证灵活性的混合模型,并与实测数据对比,验证了模型的准确性。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN92
【图文】：

无线通信,列车运行

为了列车的安全运行，在轨道交通中要采用闭塞机制，以避免生碰撞。上世纪主要采用的是基于轨道电路的固定闭塞方法。随着运量提升，固定闭塞系统己经无法满足运行列车密度需求，从本世纪初我国引国外基于通信的移动闭塞系统（Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ邋Ｂａｓｅｄ邋Ｔｒａｉｎ邋Ｃｏｎｔｒｏｌ邋ＳｙｓｔｅＢＴＣ），从而吸收并发展了中国铁路控制系统（Ｃｈｉｎｅｓｅ邋Ｔｒａｉｎ邋Ｃｏｎｔｒｏｌ邋ＳｙｓｔｅＴＣＳ）。由于对传输速率、技术成熟度、兼容性有较高的要求，该系统采局域网（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ邋Ｌｏｃａｌ邋Ａｒｅａ邋Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ＷＬＡＮ）技术作为主要通信制式车在途监测。为了满足未来列车运行信息化、自动化、智能化的需求，列车运行状态进行实施监测和安全预警。在途监测系统关键技术内容包器网络、故障诊断、在途预警、大容量传输技术等等，是全自动驾驶系提和保障。通过列车关键部位建立传感器网络，感知列车运行安全状态，大容量无线传输技术实时传送至管理中心，当故障发生时，能够快速检断及发出预警信息，提高列车的安全性和维修效率。在列车自动驾驶系统够进行能量优化控制、人误预测以及人机适配等功能，实现轨道交通的

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无线通信,媒介,漏泄电缆

漏泄电缆是采用同轴漏泄电缆来传输信号，通过电缆所开缝隙对外辐射来传逡逑播无线信号。漏泄电缆一般铺设于两旁隧道壁，收发机间距１．５－２ｍ，传输损耗＞逡逑０．０６ｄＢ／ｍ，工作频段为９００ＭＨｚ、１８００ＭＨｚ、２．４ＧＨｚ，信号覆盖平稳，抗干扰能逡逑力强。缺点是造价较高，安装复杂，且在工作频率较高时传输损耗过大，只适用逡逑于较低频点［４］。逡逑漏泄波导与漏泄电缆相似，铺设于轨旁，采用开缝波导的方式向外辐射信号，逡逑一般收发天线相距较近，为３０－５０ｃｍ，传输损耗约０．０２邋ｄＢ／ｍ，其特点在于信号覆逡逑盖更加平稳，且支持氋频信号传输。缺点在于，其造价比漏泄电缆更高，安装复逡逑杂，维护成本较高［４］。逡逑无线自由波方式，其命名方式是为了区别于漏泄电缆和漏泄波导。该方式采逡逑用隧道壁上安装的定向天线，收发天线间距通常小于３００ｍ。由于该方式是任由信逡逑号沿着隧道方向传播，而非以上两种通过间距较短的开缝实现覆盖，其信号幅度逡逑较前两种波动更加剧烈。其优势也十分明显，造价较低，且安装与维护方便，不逡逑受频点限制，甚至可以使用多天线配置。逡逑－

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