高鐵無(wú)線通信系統(tǒng)中的隧道信道模型.pdf

1、作為第五代(5th Generation，5G)移動(dòng)通信系統(tǒng)的典型應(yīng)用場(chǎng)景，高速移動(dòng)場(chǎng)景（譬如:高鐵無(wú)線通信場(chǎng)景）正備受關(guān)注。伴隨高鐵的迅猛發(fā)展，高鐵通信系統(tǒng)也快速發(fā)展起來(lái)。高鐵中乘客密集且用戶的通信需求不斷增加，因而會(huì)產(chǎn)生大量的無(wú)線通信數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前高鐵通信系統(tǒng)的承受能力，因此，亟需提出一種可以提供較高網(wǎng)絡(luò)容量和可靠通信服務(wù)的新一代高鐵通信系統(tǒng)。高鐵在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中會(huì)遇到諸多不同場(chǎng)景，如開(kāi)闊場(chǎng)景、高架橋、路塹場(chǎng)景

2、、車站及隧道場(chǎng)景等。對(duì)于高鐵隧道場(chǎng)景而言，由于其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得無(wú)線信號(hào)在高鐵隧道內(nèi)的傳輸不同于在其他幾種場(chǎng)景中的傳輸。為了設(shè)計(jì)和評(píng)估未來(lái)高鐵隧道無(wú)線通信系統(tǒng)，一個(gè)能夠準(zhǔn)確描述高鐵隧道大尺度和小尺度特性的信道模型是不可或缺的。現(xiàn)有的隧道模型研究主要側(cè)重于大尺度衰落特性分析，而忽略了小尺度衰落特性。因此，考慮到目前仍然缺少準(zhǔn)確、全面的高鐵隧道信道模型和相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特性分析，本博士課題將致力于研究非平穩(wěn)的多輸入多輸出(Multiple-I

3、nput Multiple-Output，MIMO)高鐵隧道信道模型。
　　本論文中，我們首次全面地綜述了高鐵隧道場(chǎng)景信道建模，歸納了一些目前已開(kāi)展的隧道信道測(cè)量工作，總結(jié)了基于不同建模方法的信道模型，并列出了現(xiàn)有的隧道信道特性。結(jié)合高鐵隧道場(chǎng)景的有限可視性、空間狹長(zhǎng)性特點(diǎn)以及產(chǎn)生的波導(dǎo)效應(yīng)等，我們將著重從以下幾方面開(kāi)展高鐵隧道信道建模工作。首先，考慮俯仰角的影響，更加形象、準(zhǔn)確地描述高鐵三維(3 Dimentional，3D)隧

4、道信道模型，彌補(bǔ)現(xiàn)有的二維(2 Dimentional，2D)信道模型之不足。其次，引入高鐵隧道信道的非平穩(wěn)特性。接收端的快速移動(dòng)會(huì)帶來(lái)較大的多普勒頻移，這使得傳統(tǒng)的信道廣義平穩(wěn)的假設(shè)不再成立。然后，考慮到隧道內(nèi)存在大量的反射、散射等傳播機(jī)制，我們首次采用單次反射(Single-bounced，SB)和多次反射(Multiple-bounced，MB)相結(jié)合的方式來(lái)建模隧道內(nèi)信號(hào)的傳輸。最后，側(cè)重研究小尺度信道特性?，F(xiàn)有的隧道信道建模主

5、要針對(duì)大尺度衰落研究，簡(jiǎn)化了小尺度衰落特性分析。但小尺度衰落特性對(duì)于無(wú)線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的，因而不容忽視?；谏鲜鰩c(diǎn)，我們需要提出一種新型的高鐵隧道信道模型來(lái)準(zhǔn)確地描述高鐵隧道信道特性。
　　從確定性建模的角度，我們首次提出采用模式方法建模高鐵隧道信道，分析了一些小尺度信道特性的影響及功率分布情況等?；诂F(xiàn)有的多模分布模型，我們擴(kuò)展提出了時(shí)間相關(guān)的多模信道模型?；谒崮Ｐ停芯苛诵诺纼?nèi)一系列相關(guān)的統(tǒng)計(jì)特性，如:時(shí)間自相關(guān)

6、(Autocorrelation Function，ACF)、功率譜密度（Power Spectrum Density，PSD）及功率分布情況等。同時(shí)，還研究了不同工作頻率、隧道尺寸、模式情況對(duì)ACF的影響等。此外，基于高鐵隧道射線追蹤模型，我們分析了不同參數(shù)，例如載波頻率、隧道尺寸、隧道形狀和天線極化等對(duì)隧道內(nèi)信號(hào)傳輸功率的影響。
　　從隨機(jī)建模的角度，考慮到隧道的尺寸、形狀等均會(huì)對(duì)隧道內(nèi)信號(hào)的傳輸產(chǎn)生一定影響，提出了基于幾何特

7、性的隨機(jī)信道模型。對(duì)于長(zhǎng)方形或馬蹄形隧道，將傳播空間抽象為一個(gè)長(zhǎng)方體。假設(shè)在封閉的長(zhǎng)方體隧道空間中，存在著大量的散射體隨機(jī)分布在隧道內(nèi)壁上。結(jié)合WINNER模型的建模方法和隧道本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將隧道內(nèi)的散射體分布轉(zhuǎn)化為一系列的簇隨機(jī)分布在隧道內(nèi)部。基于該建模思路，考慮隧道內(nèi)SB和MB的情況，提出了3D非平穩(wěn)寬帶幾何隨機(jī)理論信道模型。然后，分別對(duì)水平和俯仰角采用修正的等面積法(Modified Method of EqualArea,MM

8、EA)得到離散角度值，提出相應(yīng)的仿真模型。最后，基于所提模型，研究了隧道信道模型的一系列統(tǒng)計(jì)特性，分析了信道的非平穩(wěn)特性，并通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)所提模型進(jìn)行驗(yàn)證。現(xiàn)有的高鐵隧道中，圓形或拱形隧道也占據(jù)了一定比例。考慮將拱形或圓形隧道近似抽象為圓柱體來(lái)進(jìn)行建模，簡(jiǎn)化計(jì)算，開(kāi)展基于簇分布的信道建模。首先，隨機(jī)產(chǎn)生一組初始的簇角度均值，通過(guò)角度均值和圓柱體聯(lián)合確定簇的位置。一旦角度確定，簇的位置坐標(biāo)即可得到。此時(shí)，發(fā)送端、接收端和簇的位置坐標(biāo)都可確

9、定，所有的信道信息均可得到，如到達(dá)角、離開(kāi)角、時(shí)延和傳播距離等，從而得到3D的非平穩(wěn)寬帶圓形隧道信道模型。此外，考慮到水平和俯仰角的相互關(guān)系，采用等體積法(Method of Equal Volume，MEV)對(duì)水平和俯仰角進(jìn)行聯(lián)合估計(jì)，提出了相應(yīng)的仿真信道模型?；谒嵝诺滥Ｐ?，研究了信道的一些小尺度衰落特性，最后，將所提信道模型特性與測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。
　　綜上所述，我們考慮到隧道內(nèi)俯仰角的影響，采用3D隧道信道建模，并且通過(guò)