高鐵隧道無(wú)線通信系統(tǒng)中的信道測(cè)量與建模綜述

陳克勇 焦峰

高鐵隧道無(wú)線通信系統(tǒng)中的信道測(cè)量與建模綜述

陳克勇 焦峰

廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司沈陽(yáng)分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000

高鐵的迅速發(fā)展為現(xiàn)有的高鐵無(wú)線通信系統(tǒng)帶來(lái)了一些新的挑戰(zhàn)。一個(gè)準(zhǔn)確描述隧道信道特性的信道模型，對(duì)高鐵通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和評(píng)估意義重大。由于隧道狹長(zhǎng)的空間、隧道本身的邊界性以及產(chǎn)生的波導(dǎo)效應(yīng)等，高鐵隧道中的信道特性不同于其他的高鐵場(chǎng)景。

高鐵隧道；無(wú)線通信系統(tǒng)；信道測(cè)量；建模綜述

引言

隧道信道的一些特性目前還沒(méi)有被充分研究。本文全面綜述了高鐵隧道無(wú)線通信系統(tǒng)中的信道測(cè)量與建模。

1 高鐵無(wú)線通信覆蓋的典型類型

1.1 公網(wǎng)覆蓋

公網(wǎng)覆蓋即在不增加新的基站以及不增加其他類型設(shè)備的情況下，通過(guò)重復(fù)利用沿線既有的站點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)，達(dá)到無(wú)線通信的目的[1]。當(dāng)然，這種方式需要使用既有站點(diǎn)，還要承擔(dān)周邊非高鐵相關(guān)用戶的通信任務(wù)。通過(guò)使用公網(wǎng)覆蓋可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路初期投資的控制，而且不需要較長(zhǎng)時(shí)間的施工周期，在一定程度上縮短了建設(shè)周期。但是，其依然存在著由于覆蓋范圍受限而不能對(duì)鐵路進(jìn)行全線覆蓋的問(wèn)題，而且因?yàn)樽畛跞萘渴芟薅荒茉诔俗屎芨叩那闆r下滿足所有的通信請(qǐng)求，從而使得高鐵用戶的體驗(yàn)度受限。

1.2 專網(wǎng)覆蓋

專網(wǎng)覆蓋就是通過(guò)建設(shè)專門(mén)的網(wǎng)絡(luò)用來(lái)實(shí)現(xiàn)高鐵的無(wú)線通信需要的一種組網(wǎng)方式[2]。建立的專網(wǎng)完全獨(dú)立于公網(wǎng)的基站、傳輸設(shè)備、反饋系統(tǒng)等，而且設(shè)置過(guò)程中不需要考慮公網(wǎng)的既有原頻點(diǎn)、位置區(qū)域的劃分以及其他相關(guān)的技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)了多變的組網(wǎng)方式，而且能夠確保整個(gè)組網(wǎng)方式更加靈活，提高高鐵無(wú)線通信的質(zhì)量，但是建設(shè)投入成本較高。

1.3 公網(wǎng)與專網(wǎng)相結(jié)合的方式

為了實(shí)現(xiàn)高鐵無(wú)線通信，采用專網(wǎng)建設(shè)的方式是必經(jīng)途徑，但是在某種情況下，由于專網(wǎng)組建的成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于使用鐵路沿線既有的公網(wǎng)進(jìn)行覆蓋建設(shè)的成本，因此在適當(dāng)?shù)臈l件下可以考慮公網(wǎng)與專網(wǎng)結(jié)合的方式進(jìn)行[3]。從無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的整體質(zhì)量角度來(lái)看，運(yùn)營(yíng)商必須通過(guò)加大對(duì)專網(wǎng)的建設(shè)投入力度，提高高鐵用戶的使用體驗(yàn)。對(duì)于一些地理環(huán)境惡劣的區(qū)域，專網(wǎng)覆蓋是唯一的通信覆蓋途徑。但是，在一些公網(wǎng)信號(hào)覆蓋較好的區(qū)域，例如火車站、市區(qū)等地方，則可以根據(jù)公網(wǎng)的具體情況進(jìn)行合理設(shè)置[4]。

2 高鐵隧道信道測(cè)量

2.1 隧道測(cè)量設(shè)置

現(xiàn)今的高鐵隧道信道測(cè)量，關(guān)鍵傾向一單輸入輸出天線配置。為了達(dá)到數(shù)據(jù)傳送不斷增多的要求，多輸入多輸出系統(tǒng)是不可缺少的，應(yīng)借助MIMO技術(shù)來(lái)提高信道容量的可行性。所以，越多地利用MIMO系統(tǒng)的隧道信道測(cè)量工作是人們所期待的。

2.2 隧道內(nèi)近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)

無(wú)線信號(hào)在隧道里傳送時(shí)，可依據(jù)所在的“斷點(diǎn)”將隧道空間大概劃分為兩個(gè)區(qū)域，即遠(yuǎn)近區(qū)不一樣的傳播區(qū)域要有不一樣的信道模型來(lái)描述。隧道信道的統(tǒng)計(jì)特點(diǎn)包括路徑損耗、陰影衰落和一些小尺度衰落特性。

2.3 隧道內(nèi)典型的傳播區(qū)域

一般地，傳統(tǒng)高鐵通信場(chǎng)景中直射路徑所占的比重很大。在隧道中，由于隧道場(chǎng)景的密閉性，反射波可以極大程度地保留下來(lái)并占據(jù)接收信號(hào)的絕大部分。考慮到隧道內(nèi)因反射導(dǎo)致的長(zhǎng)時(shí)延特性，針對(duì)不同區(qū)域開(kāi)展了測(cè)量活動(dòng)，并分析了簇的時(shí)延特性。隧道內(nèi)的傳播區(qū)域大致可分為3種，即直射區(qū)、非直射區(qū)與遠(yuǎn)直射區(qū)。當(dāng)接收端距離發(fā)送端非常近時(shí)，直射區(qū)出現(xiàn)；火車駛離發(fā)送端時(shí)，直射區(qū)消失，相應(yīng)地，非直射區(qū)出現(xiàn)；當(dāng)火車距離發(fā)送端很遠(yuǎn)時(shí)，遠(yuǎn)直射區(qū)出現(xiàn)。隨著隧道內(nèi)傳輸距離的增加，直射徑消失。與此同時(shí)，隧道中保留了大量的反射信號(hào)。這些反射會(huì)導(dǎo)致時(shí)延簇，此時(shí)在非直射區(qū)服從廣義極值分布，在遠(yuǎn)直射區(qū)服從有界Johnson分布。

2.4 隧道內(nèi)無(wú)線信號(hào)傳播的影響因素

相較于高鐵場(chǎng)景，隧道里的電磁波傳播會(huì)產(chǎn)生較多的反射、散射與衍射等。一些有關(guān)參數(shù)，如隧道尺寸、隧道形狀、隧道墻壁的電磁特性和表面粗糙程度、收發(fā)天線的位置和輻射方式等，均會(huì)多少影響到隧道里無(wú)線信號(hào)的傳播[5]。隧道的橫截面也會(huì)影響傳播信號(hào)的衰減，并且伴隨信號(hào)頻率的增加。這種影響更為明顯。隧道表面的粗糙程度及隧道墻壁的電磁特性，也會(huì)影響隧道內(nèi)無(wú)線信號(hào)的傳輸。

3 高鐵隧道信道模型

3.1 隧道內(nèi)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

隧道內(nèi)采用兩種方案來(lái)提供無(wú)線覆蓋，即泄漏電纜和DAS。泄漏電纜目前被廣泛用于高鐵隧道通信系統(tǒng)中。它可以提供很好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，并且不需要專門(mén)的規(guī)劃。但是，它的安裝費(fèi)用比較昂貴且后期維護(hù)相當(dāng)復(fù)雜，尤其是對(duì)于新建的中等或是很長(zhǎng)的高鐵隧道。相比之下，DAS更具吸引力。在DAS中，所有的天線元素按一定的間隔放置，并通過(guò)有線或光纖進(jìn)行連接。相比泄漏電纜方案，DAS可以在網(wǎng)絡(luò)覆蓋、容量方面提供較大的增益，通過(guò)在不同位置放置不同的天線元素來(lái)提供較大的空間分集抵抗衰落，具有安裝迅速、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 高鐵隧道模型的建模方法

3.2.1射線追蹤模型

射線追蹤技術(shù)被廣泛應(yīng)用于預(yù)測(cè)有限空間中的無(wú)線電波傳播。射線追蹤模型可以用于預(yù)測(cè)接收端的路徑損耗和隧道內(nèi)的信號(hào)時(shí)延等。鑒于幾何光學(xué)與一致性繞射理論，隧道里收到的信號(hào)可當(dāng)成一連串隧道墻壁反射與隧道邊沿衍射的射線的疊加。不一樣相位的射線疊加可造成接收信號(hào)順著距離的功率而產(chǎn)生變化，并且可深入來(lái)探究隧道里的信號(hào)傳播預(yù)測(cè)。

3.2.2波導(dǎo)信道模型

考慮隧道的幾何形狀和隧道材料的電特性等，無(wú)線波在隧道內(nèi)傳播可以被建模為類似在波導(dǎo)內(nèi)的傳播。當(dāng)載波頻率高于幾百M(fèi)Hz時(shí)，隧道中將出現(xiàn)波導(dǎo)效應(yīng)。由于隧道獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，將會(huì)產(chǎn)生大量的反射和散射成分，進(jìn)而產(chǎn)生波導(dǎo)效應(yīng)。

3.2.3全波模型

全波模型利用有限差分技術(shù)，通過(guò)數(shù)值法解Maxwell方程得出，是現(xiàn)今利用最多的一種明確性的信道建模方式。此辦法通過(guò)將Maxwell方程組分別在空域和時(shí)域上實(shí)施差分處理，來(lái)交替運(yùn)算出空間中的電磁場(chǎng)，再通過(guò)時(shí)域上的更新來(lái)描述電磁場(chǎng)的變化，進(jìn)一步展開(kāi)數(shù)值運(yùn)算。此辦法可直接模擬電磁場(chǎng)分布，具備極高的精度。

3.2.4混合模型

現(xiàn)今有大量的手段可用于建模隧道中的電波傳播。每一種手段都有不同限度的優(yōu)缺點(diǎn)，為了使優(yōu)勢(shì)能充足互補(bǔ)，一些探究者開(kāi)始探究混合信道模型。使用幾何光學(xué)模型與波導(dǎo)模型相聯(lián)合的建模思維，研發(fā)了大量的模型。通過(guò)使用模式匹配辦法，將幾何光學(xué)模型中的射線與其他模式相疊加，描述了遠(yuǎn)近場(chǎng)區(qū)的電磁波傳播，并且深入剖析了隧道信道的一些特點(diǎn)。

4 結(jié)論

依據(jù)不一樣的載波頻率、隧道參數(shù)、天線配置等，描述了現(xiàn)有的一些隧道測(cè)量活動(dòng)。之后，依據(jù)不一樣的建模方式，分類歸納了一些現(xiàn)有的隧道信道模型，介紹了一些大尺度和小尺度衰落信道特性。

[1]李養(yǎng)民. 高鐵隧道公網(wǎng)無(wú)線覆蓋方案選擇與建設(shè)問(wèn)題探討[J]. 鐵道通信信號(hào)，2018，54（1）：72-74.

[2]劉玉，Ammar GHAZAL，王承祥，等. 高鐵隧道無(wú)線通信系統(tǒng)中的信道測(cè)量與建模綜述[J]. 中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)，2017，47（10）：1316-1333.

[3]蔣勇. LTE-FDD高鐵隧道覆蓋方案探討[J]. 廣東通信技術(shù)，2016，36（5）：46-51.

[4]黃國(guó)暉，吳昊. 高鐵隧道覆蓋中的“POI+泄漏電纜”解決方案[J]. 中國(guó)新通信，2010，12（9）：76-82.

[5]張雙健，吳壽莊. 地面無(wú)線通信信號(hào)覆蓋地鐵的研究和實(shí)踐[J]. 城市軌道交通研究，2002（2）：68-72.

Survey of Channel Measurement and Modeling in High-Speed Rail Tunnel Wireless Communication System

Chen Keyong Jiao Feng

Guangdong Planning and Designing Institute of Telecommunications Co., Ltd., Shenyang Branch, Liaoning Shenyang 110000

The rapid development of high-speed rail has brought some new challenges to the existing high-speed rail wireless communication system. A channel model that accurately describes the characteristics of the tunnel channel is of great significance for the design and evaluation of high-speed rail communication systems. Due to the narrow space of the tunnel, the boundary of the tunnel itself, and the resulting waveguide effect, the channel characteristics in the high-speed rail tunnel are different from those in other high-speed rail scenarios.

high-speed rail tunnel; wireless communication system; channel measurement; modeling review

U285.2

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