高铁无线通信系统中的隧道信道模型

摘要

作为第五代(5th Generation，5G)移动通信系统的典型应用场景，高速移动场景（譬如:高铁无线通信场景）正备受关注。伴随高铁的迅猛发展，高铁通信系统也快速发展起来。高铁中乘客密集且用户的通信需求不断增加，因而会产生大量的无线通信数据，而这些数据传输已经远远超过目前高铁通信系统的承受能力，因此，亟需提出一种可以提供较高网络容量和可靠通信服务的新一代高铁通信系统。高铁在实际运行过程中会遇到诸多不同场景，如开阔场景、高架桥、路堑场景、车站及隧道场景等。对于高铁隧道场景而言，由于其自身的结构特点，使得无线信号在高铁隧道内的传输不同于在其他几种场景中的传输。为了设计和评估未来高铁隧道无线通信系统，一个能够准确描述高铁隧道大尺度和小尺度特性的信道模型是不可或缺的。现有的隧道模型研究主要侧重于大尺度衰落特性分析，而忽略了小尺度衰落特性。因此，考虑到目前仍然缺少准确、全面的高铁隧道信道模型和相应的统计特性分析，本博士课题将致力于研究非平稳的多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)高铁隧道信道模型。
　　本论文中，我们首次全面地综述了高铁隧道场景信道建模，归纳了一些目前已开展的隧道信道测量工作，总结了基于不同建模方法的信道模型，并列出了现有的隧道信道特性。结合高铁隧道场景的有限可视性、空间狭长性特点以及产生的波导效应等，我们将着重从以下几方面开展高铁隧道信道建模工作。首先，考虑俯仰角的影响，更加形象、准确地描述高铁三维(3 Dimentional，3D)隧道信道模型，弥补现有的二维(2 Dimentional，2D)信道模型之不足。其次，引入高铁隧道信道的非平稳特性。接收端的快速移动会带来较大的多普勒频移，这使得传统的信道广义平稳的假设不再成立。然后，考虑到隧道内存在大量的反射、散射等传播机制，我们首次采用单次反射(Single-bounced，SB)和多次反射(Multiple-bounced，MB)相结合的方式来建模隧道内信号的传输。最后，侧重研究小尺度信道特性。现有的隧道信道建模主要针对大尺度衰落研究，简化了小尺度衰落特性分析。但小尺度衰落特性对于无线系统的设计也是至关重要的，因而不容忽视。基于上述几点，我们需要提出一种新型的高铁隧道信道模型来准确地描述高铁隧道信道特性。
　　从确定性建模的角度，我们首次提出采用模式方法建模高铁隧道信道，分析了一些小尺度信道特性的影响及功率分布情况等。基于现有的多模分布模型，我们扩展提出了时间相关的多模信道模型。基于所提模型，研究了信道内一系列相关的统计特性，如:时间自相关(Autocorrelation Function，ACF)、功率谱密度（Power Spectrum Density，PSD）及功率分布情况等。同时，还研究了不同工作频率、隧道尺寸、模式情况对ACF的影响等。此外，基于高铁隧道射线追踪模型，我们分析了不同参数，例如载波频率、隧道尺寸、隧道形状和天线极化等对隧道内信号传输功率的影响。
　　从随机建模的角度，考虑到隧道的尺寸、形状等均会对隧道内信号的传输产生一定影响，提出了基于几何特性的随机信道模型。对于长方形或马蹄形隧道，将传播空间抽象为一个长方体。假设在封闭的长方体隧道空间中，存在着大量的散射体随机分布在隧道内壁上。结合WINNER模型的建模方法和隧道本身的结构特点，将隧道内的散射体分布转化为一系列的簇随机分布在隧道内部。基于该建模思路，考虑隧道内SB和MB的情况，提出了3D非平稳宽带几何随机理论信道模型。然后，分别对水平和俯仰角采用修正的等面积法(Modified Method of EqualArea,MMEA)得到离散角度值，提出相应的仿真模型。最后，基于所提模型，研究了隧道信道模型的一系列统计特性，分析了信道的非平稳特性，并通过测量数据对所提模型进行验证。现有的高铁隧道中，圆形或拱形隧道也占据了一定比例。考虑将拱形或圆形隧道近似抽象为圆柱体来进行建模，简化计算，开展基于簇分布的信道建模。首先，随机产生一组初始的簇角度均值，通过角度均值和圆柱体联合确定簇的位置。一旦角度确定，簇的位置坐标即可得到。此时，发送端、接收端和簇的位置坐标都可确定，所有的信道信息均可得到，如到达角、离开角、时延和传播距离等，从而得到3D的非平稳宽带圆形隧道信道模型。此外，考虑到水平和俯仰角的相互关系，采用等体积法(Method of Equal Volume，MEV)对水平和俯仰角进行联合估计，提出了相应的仿真信道模型。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，将所提信道模型特性与测量数据进行验证。
　　综上所述，我们考虑到隧道内俯仰角的影响，采用3D隧道信道建模，并且通过SB和MB的情况体现隧道内的多次反射、散射等，采用角度时变特性来建模高铁隧道信道的非平稳特性，提出理论和仿真信道模型，并通过测量数据进行验证。本文所提的隧道信道模型，对于5G移动通信系统中高铁隧道系统的设计、测试和性能评估分析等，都具有重要意义。

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数学符号表

摘要

1．1 研究背景

1．2 研究目的与意义

1．3 主要贡献

1．4 论文结构

第2章 高铁隧道无线信道建模综述

2．1 无线传播信道建模

2．1．1 多径衰落

2．1．2 信道模型分类

2．2 高铁无线传播信道建模

2．2．1 典型的高铁场景

2．2．2 高铁信道测量及建模

2．3 高铁隧道无线传播信道建模

2．3．1 高铁隧道通信网络架构

2．3．2 高铁隧道信道测量

2．3．3 高铁隧道信道模型

2．3．4 高铁隧道信道统计特性

2．4 章节小结

第3章 高铁隧道多模信道建模

3．1 模型简介

3．2 建模原理

3．3 多模隧道信道模型

3．3．1 理论信道模型

3．3．2 信道特性分析

3．4 仿真结果

3．5 与射线追踪模型进行对比

3．6 章节小结

第4章 高铁隧道射线追踪信道建模

4．1．1 模型简介

4．1．2 参考模型选取

4．2 高铁隧道内不同参数对电磁波传播特性的影响

4．2．1 发送端的载频和位置

4．2．2 隧道形状

4．2．3 隧道尺寸

4．2．4 天线辐射形式

4．3 仿真结果及分析

4．4 章节小结

第5章 基于几何特性的3D高铁隧道信道建模

5．1 模型简介

5．2 高铁隧道场景通信网络架构

5．2．2 系统模型

5．3 高铁隧道信道建模

5．3．1 基于几何特性的理论信道模型

5．3．2 基于几何特性的仿真信道模型

5．4 统计特性结果分析

5．4．1 时变的空间CCF

5．4．2 时变的ACF

5．4．3 相干时间

5．4．4 时变的空间多普勒PSD

5．4．5 LCR

5．4．6 测量数据比较

5．5 章节小结

第6章 基于几何特性的3D圆形高铁隧道信道建模

6．1 模型简介

6．2 非平稳宽带圆形几何随机理论信道模型

6．2．1 理论信道模型描述

6．2．2 隧道信道模型的统计特性

6．3 非平稳宽带圆形几何随机仿真信道模型

6．3．1 仿真信道模型描述

6．3．2 仿真模型的MEV参数计算方法

6．3．3 仿真模型的统计特性

6．4 统计特性结果分析

6．4．1 时变的空间CCF

6．4．2 时变的时间ACF

6．4．3 时变的空间多蕾勒PSD

6．4．4 与测量数据对比

6．5 章节小结

第7章 结论及未来展望

7．1 论文工作总结

7．2 未来研究方向展望

7．2．1 不同隧道信道模型的比较

7．2．2 高铁隧道信道测量

7．2．3 统计特性分析

7．2．4 大规模MIMO技术在高铁通信系统中的应用

7．2．5 信道模型对系统性能的影响

参考文献

致谢

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