高鐵無線通信系統(tǒng)中的隧道信道模型.pdf

1、作為第五代(5th Generation，5G)移動通信系統(tǒng)的典型應用場景，高速移動場景（譬如:高鐵無線通信場景）正備受關注。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。高鐵中乘客密集且用戶的通信需求不斷增加，因而會產(chǎn)生大量的無線通信數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)遠遠超過目前高鐵通信系統(tǒng)的承受能力，因此，亟需提出一種可以提供較高網(wǎng)絡容量和可靠通信服務的新一代高鐵通信系統(tǒng)。高鐵在實際運行過程中會遇到諸多不同場景，如開闊場景、高架橋、路塹場景

2、、車站及隧道場景等。對于高鐵隧道場景而言，由于其自身的結構特點，使得無線信號在高鐵隧道內的傳輸不同于在其他幾種場景中的傳輸。為了設計和評估未來高鐵隧道無線通信系統(tǒng)，一個能夠準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?，F(xiàn)有的隧道模型研究主要側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確、全面的高鐵隧道信道模型和相應的統(tǒng)計特性分析，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景信道建模，歸納了一些目前已開展的隧道信道測量工作，總結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。結合高鐵隧道場景的有限可視性、空間狹長性特點以及產(chǎn)生的波導效應等，我們將著重從以下幾方面開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、準確地描述高鐵三維(3 Dimentional，3D)隧

4、道信道模型，彌補現(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。接收端的快速移動會帶來較大的多普勒頻移，這使得傳統(tǒng)的信道廣義平穩(wěn)的假設不再成立。然后，考慮到隧道內存在大量的反射、散射等傳播機制，我們首次采用單次反射(Single-bounced，SB)和多次反射(Multiple-bounced，MB)相結合的方式來建模隧道內信號的傳輸。最后，側重研究小尺度信道特性?，F(xiàn)有的隧道信道建模主

5、要針對大尺度衰落研究，簡化了小尺度衰落特性分析。但小尺度衰落特性對于無線系統(tǒng)的設計也是至關重要的，因而不容忽視?；谏鲜鰩c，我們需要提出一種新型的高鐵隧道信道模型來準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，我們擴展提出了時間相關的多模信道模型。基于所提模型，研究了信道內一系列相關的統(tǒng)計特性，如:時間自相關

6、(Autocorrelation Function，ACF)、功率譜密度（Power Spectrum Density，PSD）及功率分布情況等。同時，還研究了不同工作頻率、隧道尺寸、模式情況對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隧道內信號傳輸功率的影響。
　　從隨機建模的角度，考慮到隧道的尺寸、形狀等均會對隧道內信號的傳輸產(chǎn)生一定影響，提出了基于幾何特

7、性的隨機信道模型。對于長方形或馬蹄形隧道，將傳播空間抽象為一個長方體。假設在封閉的長方體隧道空間中，存在著大量的散射體隨機分布在隧道內壁上。結合WINNER模型的建模方法和隧道本身的結構特點，將隧道內的散射體分布轉化為一系列的簇隨機分布在隧道內部。基于該建模思路，考慮隧道內SB和MB的情況，提出了3D非平穩(wěn)寬帶幾何隨機理論信道模型。然后，分別對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)計特性，分析了信道的非平穩(wěn)特性，并通過測量數(shù)據(jù)對所提模型進行驗證?，F(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進行建模，簡化計算，開展基于簇分布的信道建模。首先，隨機產(chǎn)生一組初始的簇角度均值，通過角度均值和圓柱體聯(lián)合確定簇的位置。一旦角度確定，簇的位置坐標即可得到。此時，發(fā)送端、接收端和簇的位置坐標都可確

9、定，所有的信道信息均可得到，如到達角、離開角、時延和傳播距離等，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系，采用等體積法(Method of Equal Volume，MEV)對水平和俯仰角進行聯(lián)合估計，提出了相應的仿真信道模型。基于所提信道模型，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量數(shù)據(jù)進行驗證。
　　綜上所述，我們考慮到隧道內俯仰角的影響，采用3D隧道信道建模，并且通過