[發(fā)明專利]一種高速鐵路隧道無線通信信道建模方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710631739.6
• 申請日: 2017-07-28
• 公開（公告）號: CN107276705B
• 公開（公告）日: 2020-07-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉璽;劉建紅;劉璠;張瑾;鄭國莘;朱德榮;石小忠;柏鋒
• 申請（專利權(quán)）人: 中鐵上海設(shè)計院集團有限公司
• 主分類號: H04B17/391
• 分類號: H04B17/391;H04W16/22;H04W24/06
• 代理公司: 上海申蒙商標(biāo)專利代理有限公司 31214
• 代理人: 徐小蓉;黃明凱

本發(fā)明公開了一種高速鐵路隧道無線通信信道建模方法，所述高速鐵路隧道無線通信信道建模方法包括以下步驟：建立鐵路隧道的三維模型；在三維模型中選取發(fā)射天線和接收天線的安裝位置；使用射線跟蹤法計算電磁波從所述發(fā)射天線到所述接收天線的傳輸過程。本發(fā)明的優(yōu)點是，通過對鐵路隧道內(nèi)的無線通信信道進行建模仿真，測試人員可以獲得鐵路隧道中無線電波的傳播特性；根據(jù)無線電波的傳播特性，設(shè)計人員可以優(yōu)化鐵路隧道內(nèi)無線AP的數(shù)量以及布設(shè)密度，從而有效地降低了無線通信網(wǎng)絡(luò)的造價以及維護成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域，具體涉及一種高速鐵路隧道無線通信信道建模方法。

背景技術(shù)

隨著我國城市人口不斷增加、城市化進程步入新的發(fā)展階段，對關(guān)于包括輕軌和地鐵在內(nèi)的城市軌道交通的研究也日趨增加。無線通信網(wǎng)絡(luò)作為軌道交通的配套設(shè)置也顯得日益重要，但是現(xiàn)有技術(shù)中現(xiàn)階段GSM-R系統(tǒng)設(shè)計主要利用基于公眾移動通信的Okumuram-Hata自由空間無線傳輸模型，并不適合隧道環(huán)境下的無線信號傳輸。鐵路隧道環(huán)境具有其特殊性和復(fù)雜性，無線信號在傳播過程中通過反射、折射、衍射、繞射等方式，形成多條路徑信號分量到達(dá)接收機，形成多徑傳播，導(dǎo)致較為嚴(yán)重的衰落；也會由于發(fā)射機或接收機處于移動狀態(tài)而引起信道特性的變化，即多普勒效應(yīng)。對于高鐵隧道特定環(huán)境下無線信號傳輸仍未建立起科學(xué)統(tǒng)一的信道模型。

因此現(xiàn)階段建設(shè)高速鐵路隧道中的無線網(wǎng)絡(luò)時，由于缺乏必要的理論依據(jù)；現(xiàn)階段通常采用布置冗余設(shè)備的方式確保網(wǎng)絡(luò)通信的質(zhì)量；這種冗余布設(shè)的方式會大幅度增加無線通信網(wǎng)絡(luò)的造價以及維護成本；因此有必要發(fā)明一種測試高鐵隧道內(nèi)的無線信號傳輸特性的手段，以便減少無線通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備冗余。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種高速鐵路隧道無線通信信道建模方法，該方法通過對鐵路隧道的內(nèi)的無線電波傳輸過程進行仿真建模，有效地模擬了鐵路隧道內(nèi)無線電波的傳輸特性。

本發(fā)明目的實現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成：

一種高速鐵路隧道無線通信信道建模方法，所述高速鐵路隧道無線通信信道建模方法包括以下步驟：建立鐵路隧道的三維模型；在三維模型中選取發(fā)射天線和接收天線的安裝位置；使用射線跟蹤法計算電磁波從所述發(fā)射天線到所述接收天線的傳輸過程。

使用射線跟蹤法計算電磁波從所述發(fā)射天線到所述接收天線的傳輸過程包括以下步驟：將所述發(fā)射天線發(fā)出的球面波劃分為若干個射線管；在所述鐵路隧道的所述三維模型內(nèi)跟蹤各所述射線管在傳輸過程中與障礙物的交點，并計算所述障礙物造成的反射和折射對所述射線管的影響；當(dāng)所述發(fā)射天線與所述接收天線之間的所述鐵路隧道為直隧道時，根據(jù)各經(jīng)過所述接收天線的射線管計算所述接收天線的接收功率；當(dāng)所述發(fā)射天線與所述接收天線之間的鐵路隧道為彎隧道時，根據(jù)各經(jīng)過所述接收天線的射線管計算所述接收天線接收的平均接收功率。

計算所述接收天線的接收功率的過程中，經(jīng)過所述接收天線的所述射線管包括直射的所述射線管以及經(jīng)過所述鐵路隧道的內(nèi)表面反射的所述射線管；所述接收天線的接收功率P_r的計算公式如下所示：

其中：P_t是所述發(fā)射天線的發(fā)射功率，λ是自由空間波長，r是所述接收天線與所述發(fā)射天線之間的直達(dá)路徑長度，N是經(jīng)過所述接收天線的所述射線管的總數(shù)，G_d(x)是電磁波直達(dá)路徑方向上的所述收發(fā)天線的增益積，r_i是收發(fā)天線之間的第i條射線管的反射路徑長，是第i條射線管的反射路徑上的收發(fā)天線的天線增益積；R_i是第i條射線管的反射路徑上的所有反射系數(shù)乘積。

計算所述接收天線的平均接收功率的過程中，經(jīng)過所述接收天線的所述射線管包括直射的所述射線管、經(jīng)過反射的所述射線管以及繞射的所述射線管；接收天線接收的的平均接收功率的計算公式如下所示：