轨道交通场景电波传播建模理论与方法研究

摘要

作为全球公认的低能耗、少污染的“绿色交通”，轨道交通被世界各国普遍认为是改善国家和城市公共交通状况、解决交通问题的重要出路。从区域间的轨道交通来看，今天的中国已经成为了世界高速铁路建设里程最长的国家。近年来，中国开启了“高铁外交”的进程，将高速铁路的发展提升到了国家战略的高度。从区域内的城市轨道交通（地铁和轻轨）来看，国家将城市轨道交通作为城市基础设施建设领域的投资重点，使之成为实施国家战略和改善大城市交通问题的重要举措。
　　在轨道交通场景中的移动通信系统可以分为两类，一类是面向列车控制与安全的专用移动通信系统，一类是面向旅客信息服务的公共移动通信系统。轨道交通场景的特殊结构对这两类移动通信系统在沿线的设计和网络规划带来了重重挑战。所以，作为移动通信系统设计、规划以及部署的重要基础，轨道交通场景的电波传播预测建模一直是工程电磁场理论的研究重点之一。尽管经过大量学者的努力，在过去数十年间人们对轨道交通电波传播领域的认识有了长足进步，但是现有研究仍然存在下述局限:
　　1)从建模理论和方法上看，目前常用的电波传播经验性模型和半确定性模型并不能反映轨道交通场景的主要特点。确定性模型只用于对信道的定性解释，无法有效服务于网络规划。
　　2)从所研究的空间上看，现有研究尚缺乏模型将现实中广泛存在的横跨桥、车站等半封闭空间有效地纳入到通信系统的网络规划和系统设计中，这对应用于轨道交通场景的通信系统的可靠性造成了影响。
　　3)从对传播机制的认识上说，既有研究对隧道中的电波传播机制以及各机制所在的区域、各区域之间的分界点的认识不够清晰统一，缺乏能够涵盖隧道中电波传播全过程的完整模型。
　　针对上述问题，本文对轨道交通场景的电波传播建模理论和方法进行综合性的研究。从磁波能量约束的角度，本文将轨道交通的电波传播空间分为开放空间、半封闭空间和限定空间三大类以分别进行研究。主要工作如下:
　　1)针对开放空间，研究了面向真实轨道交通户外场景的电波传播确定性建模理论和方法。为各类通信系统在轨道交通场景的设计提供了高准确性的电波传播预测模型。此外，研究了适用于轨道交通典型场景—路堑和高架桥场景的包含了经验性建模的电波传播半确定性建模理论与方法。为轨道交通的快速网络规划提供了基于完全开源的数据库、计算快捷的有效方法。
　　2)针对半封闭空间，对轨道交通场景中典型的半封闭空间—横跨桥和车站对电波传播的影响进行了测量，并在此基础上进行了经验性建模。通过实测证明了该模型可以有效地将这两类半封闭空间纳入到电波传播的预测中去。
　　3)针对限定空间，提出了隧道中电波传播的完整模型架构，对“基于分段”的建模思想进行了整合和拓展，有助于形成对隧道中电波传播过程的整体性认识。相应地，所提出的混合模型为不同类型的用户在各种隧道中的通信系统网络规划提供了快速而准确的电波传播预测工具。
　　4)针对无线电波在隧道中传播的最初阶段，本文对自由空间传播机制和多模态传播机制之间的分界点位置进行了准确的解析建模。提出了任意横截面隧道中该分界点位置的普适模型，明确了隧道中近场区的电波传播机制。
　　综上所述，本文对轨道交通场景的电波传播建模理论及方法进行了研究:在应用层面为通信系统在轨道交通场景中的设计提供了电波传播预测工具;在方法论层面为不同场景中的电波传播建模提供了可移植和转化的方法;在认识论层面为不同空间的电波传播研究提供了值得借鉴的理论策略。

目录

声明

致谢

摘要

插图索引

表格索引

常用略缩语

常用数学符号

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 轨道交通的国家战略意义

1．1．2 轨道交通场景的移动通信系统

1．1．3 轨道交通场景电波传播的研究意义

1．2 电波传播建模理论与方法的国内外研究综述

1．2．1 电波传播建模的意义

1．2．2 电波传播建模理论

1．2．3 电波传播机制

1．2．4 电波传播建模的内容

1．2．5 电波传播建模的基本方法

1．2．6 电波传播模型的类型

1．2．7 电波传播建模方法对轨道交通场景的适用性

1．3 轨道交通场景电波传播建模研究综述

1．3．1 轨道交通户外场景电波传播建模研究现状

1．3．2 轨道交通隧道场景电波传播建模研究现状

1．3．3 存在的问题

1．4 主要创新工作与章节安排

1．4．1 主要创新工作与方法

1．4．2 章节安排

2 轨道交通真实场景的电波传播确定性建模研究

2．1 引言

2．2 射线跟踪方法的理论依据

2．3 射线跟踪方法的分类与轨道交通场景适用性分析

2．3．1 发射射线法

2．3．2 镜像法

2．3．3 对比分析及对轨道交通场景的适用性结论

2．4 相关工作综述

2．5 电波传播确定性建模理论与方法

2．5．1 三维射线光学信道模型

2．5．2 基于栅格数据库的多峰绕射模型

2．6 真实高速铁路场景建模

2．6．1 3D数字高程模型构建

2．6．2 结构体建模

2．7 确定性模型验证

2．7．1 用于验证确定性建模方法的轨道交通测量场景

2．7．2 预测结果和实测结果的比较

2．8 本章小结

3 轨道交通典型户外场景电波传播的半确定性(包括经验性)建模

3．1 引言

3．2 相关工作综述

3．3 包含经验性模型的电波传播半确定性建模方法与模型

3．4 实车测量与模型验证

3．4．1 测量原理

3．4．2 测量系统

3．4．3 实车测量

3．4．4 模型验证

3．5 本章小结

4 轨道交通场景半封闭空间电波传播建模研究

4．1 引言

4．2 相关工作综述

4．3 横跨桥相关的定义

4．3．1 横跨桥场景的几何参数

4．3．2 由横跨桥所造成的影响的相关性

4．3．3 横跨桥的传播机制区

4．4 横跨桥场景的测量

4．5 横跨桥场景的测量结果与分析

4．5．1 去除天线辐射图的影响

4．5．2 数据分析

4．6 对横跨桥造成的额外传播损耗的建模

4．6．1 对独立横跨桥额外损耗模型的建模

4．6．2 横跨桥群额外损耗模型

4．6．3 独立横跨桥模型和横跨桥群模型的验证

4．7 车站场景相关的定义和条件

4．7．1 发射台和车站之间的不同距离

4．7．2 不同类型的车站

4．7．3 车站内列车所在的不同轨道

4．7．4 不同的电波传播机制和对应的区域

4．8 车站场景的测量和数据分析

4．8．1 车站场景的测量

4．8．2 去除天线辐射图影响和选择参考传播模型

4．8．3 车站场景的电波传播特性

4．8．4 车站场景传播特性的相关发现

4．8．5 对车站场景通信系统网络规划的建议

4．9 车站造成的额外传播损耗的建模

4．9．1 车站额外损耗模型的建立

4．9．2 车站额外损耗模型验证

4．10 本章小结

5 隧道场景电波传播建模研究

5．1 引言

5．2 相关工作综述

5．3 隧道中电波传播的完整模型架构

5．3．1 自由空间传播区和极远区中的传播损耗

5．3．2 近阴影区的统计性建模

5．3．3 近阴影现象的临界条件以及对大型用户和小型用户的判别

5．3．4 多模态传播区和基模态传播区的有限多模态建模

5．4 对不同传播机制区之间的分界点位置进行建模

5．4．1 第一分界点位置模型

5．4．2 第二分界点位置建模

5．4．3 第三分界点位置建模

5．4．4 第四分界点位置建模

5．4．5 完整隧道场景电波传播模型的全景图

5．5 完整隧道场景电波传播模型验证

5．5．1 与铁路隧道中测量结果的比较

5．5．2 与地铁隧道中测量结果的比较

5．5．3 关于完整隧道电波传播模型架构以及基于分段的建模思想的讨论

5．6 本章小结

6 隧道场景电波传播第一分界点建模研究

6．1 引言

6．2 任意横截面隧道中第一分界点位置建模

6．3 第一分界点模型在矩形、圆形和拱形隧道中的验证

6．3．1 矩形隧道中的第一分界点模型

6．3．2 圆形隧道中的第一分界点模型

6．3．3 拱形隧道中的第一分界点模型

6．3．4 任意横截面隧道中第一分界点模型验证结果

6．4 第一分界点模型的简化及其相关讨论

6．5 本章小结

7 总结与展望

7．1 论文工作总结

7．2 不足与展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集