隧道环境下基于传播图理论的信道建模与仿真方法研究

摘要

地铁是大众出行选择的重要交通工具之一。研究地铁运行环境的无线信道特性、建立可靠的通信系统能为地铁高效运行保驾护航。本文针对地铁隧道场景引入传播图理论建模方法，并对地铁隧道无线环境进行建模仿真。
　　首先，本文介绍了已知几何尺寸的无线环境适用传播图理论建模。隧道环境结构简单，几何尺寸较好确认，适合传播图理论建模。传播图理论的主要思想是将信号传递过程用点和边的关系进行描述。传统图论的点只分为三类:发射天线、接收天线和散射物体，在引入地铁环境前需要进行适当地改造。
　　其次，本文针对隧道环境的特点，对传播图理论的散射物进行适当地划分处理。第一，引入隧道弯道划分的方法，根据隧道弯曲半径和弯曲角度划分隧道弯道。第二，引入隧道壁几何分割方法，根据不同的隧道横截面，将隧道划分成不同的面。第三，引入隧道壁点集合化的方法，根据划分好的隧道壁几何形状，在其面取点，用以表示隧道壁的散射点。第四，引入隧道壁能见度矩阵，根据隧道的几何形状，判断隧道壁上的散射点相互之间是否可见。之后，将原始图论与改造的图论仿真对比，发现改造后的几何分割法对多径信息有更好的表达。
　　接着，本文对中天集团南通隧道中心进行实地测量，该隧道由矩形隧道和拱形隧道构成。通过测量获得信道冲击响应(CIR，Channel Impulse Response)。使用传播图理论对该隧道进行仿真建模获得信道冲击响应。对比两者的信道冲击响应，并进行误差分析，发现几何分割法得到的仿真结果与实际测量值均方根误差在10dB以内。然后使用SAGE(Space-AltematingGeneralized EM)算法计算离开角与到达角，比对两者的结果，发现两者结果相近。
　　然后，本文根据地铁建筑国标建立地铁隧道模型，使用传播图理论进行模型仿真。将发射天线置于列车车头顶部，选择列车经过隧道三个典型位置进行研究分析。首先对比三者的能见度矩阵，发现发射天线具有抹消能见度矩阵的作用。接着对比三个位置的相关矩阵，随后计算三个位置所得的离开角和到达角，并进一步计算获得角度扩展，结合相关矩阵分析其特点。最后计算获得三者的信道容量，并对比直道场景处相同收发距离的信道容量，得到在相同收发距离的条件下，弯道的信道容量比直道的信道容量高的结论。对信道矩阵进行了SVD(SingularValue Decomposition)分解，发现信道矩阵出现降秩的情况。
　　最后，本文总结前文的研究成果，并提出传播图理论在隧道环境下的其他研究方向。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究目的与意义

1．2 国内外研究现状与趋势

1．3 本文研究主要内容

1．4 文章结构安排

2 宽带信道研究原理与方法

2．1 信道大尺度衰落

2．2 信道小尺度衰落

2．2．1 时间选择性衰落

2．2．2 频率选择性衰落

2．2．3 空间选择性衰落

2．3 信道参数提取技术

2．4 信道建模方法

3 传播图信道建模理论

3．1 图论建模原理

3．1．1 信道传递函数

3．2 隧道环境下应用传播图信道建模

3．2．1 隧道几何分割法

3．2．2 隧道壁点集合化

3．2．3 能见度矩阵的计算方法

3．2．4 传统图论与改进后图论的仿真对比

3．2．5 传统图论与改进后图论的对比结果

3．3 隧道环境下传播图信道建模验证

3．3．1 隧道环境描述

3．3．2 隧道信道测量方案

3．3．3 隧道信道建模仿真

3．3．4 改进后的图论和实测的CIR对比结果

3．3．5 改进后的图论和实测的离开角到达角对比

3．4 本章小结

4 地铁隧道场景图论仿真

4．1 多天线系统仿真

4．2 MIMO信道容量

4．2．1 MIMO奇异值分解

4．2．2 MIMO角度信息

4．3 地铁环境下传播图理论的仿真及理论验证

4．3．1 地铁信道介绍

4．3．2 地铁模型构建

4．3．3 隧道环境弯道分块方法

4．3．4 地铁模型能见度矩阵分析

4．4 仿真结果分析

4．4．1 相关性分析

4．4．2 角度分析

4．4．3 容量分析

4．5 本章小结

5 结论

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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