隧道場(chǎng)景無線自由波信道測(cè)量、特性分析和建模研究.pdf

1、隨著中國(guó)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(jì)活力，實(shí)現(xiàn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。不斷增長(zhǎng)的客運(yùn)量對(duì)城軌的運(yùn)行車輛密度及列車運(yùn)行的自動(dòng)化和智能化提出了更高要求。另外，對(duì)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(cè)、乘客的通信需求等更多的問題，同時(shí)也隱藏著巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(duì)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(jì)的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確認(rèn)知無線信道的傳播特性是設(shè)計(jì)無線通信系統(tǒng)的前提條件。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道環(huán)境下的電波傳播特性進(jìn)行了大量研究，但對(duì)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(duì)角度、多徑時(shí)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(chǎng)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(duì)所測(cè)環(huán)境的特點(diǎn)有較為充分的認(rèn)識(shí)。有別于任何一類地面蜂窩及其它軌道交通移動(dòng)通信傳播環(huán)境，在城市軌道交通中，地下隧道是一個(gè)主要的場(chǎng)景。與其他場(chǎng)景相比，該場(chǎng)景的特殊性主要體現(xiàn)在:狹長(zhǎng)受限、結(jié)構(gòu)多變、場(chǎng)景固定等特點(diǎn)。通過對(duì)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(duì)以上問題，本文在如下幾個(gè)方面展開研究:
　　1)搭建了基于商用儀表的單天線測(cè)量平臺(tái)與自制虛擬MIMO測(cè)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)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(shí)延擴(kuò)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(shí)不同頻點(diǎn)信道特征變化的過程，同時(shí)也為后續(xù)長(zhǎng)直隧道場(chǎng)景信道測(cè)量提供了對(duì)比基礎(chǔ)。
　　2)分別采用單天線與虛擬MIMO測(cè)量平臺(tái)對(duì)長(zhǎng)直隧道中LOS條件的電波傳播以及MIMO信道特性進(jìn)行了測(cè)量分析。獲得了包括路徑損耗、CIR、RMS時(shí)延擴(kuò)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(hào)角度-時(shí)延-功率的聯(lián)合分析，

6、并結(jié)合彎曲隧道中的測(cè)量結(jié)果，總結(jié)隧道內(nèi)信號(hào)反射和散射規(guī)律，為建立模型提供測(cè)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(jì)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(diǎn)，指明了在隧道場(chǎng)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(duì)長(zhǎng)直隧道信道建模。以測(cè)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，討論射線跟蹤方法在隧道場(chǎng)景信道建模方面的可行性

7、，并分析該方法的優(yōu)缺點(diǎn)，以便后續(xù)改進(jìn)。
　　采用一種基于分面法的改進(jìn)傳播圖模型對(duì)長(zhǎng)直隧道信道建模。將原來不加區(qū)分的散射點(diǎn)改進(jìn)為以面為單位的散射點(diǎn)集合，使其更加符合反射規(guī)律，降低了能見度矩陣的計(jì)算量，增加了該模型的實(shí)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(duì)長(zhǎng)直隧道信道建模。分析了射線跟蹤法和傳播圖法在隧道場(chǎng)景信道建模的優(yōu)缺點(diǎn)，取兩種方法的優(yōu)勢(shì)，提出一種精度更好，同時(shí)也能保證靈活性的混合模型，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，