一种高速铁路隧道无线通信信道建模方法与流程

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种高速铁路隧道无线通信信道建模方法。

背景技术：

随着我国城市人口不断增加、城市化进程步入新的发展阶段，对关于包括轻轨和地铁在内的城市轨道交通的研究也日趋增加。无线通信网络作为轨道交通的配套设置也显得日益重要，但是现有技术中现阶段gsm-r系统设计主要利用基于公众移动通信的okumuram-hata自由空间无线传输模型，并不适合隧道环境下的无线信号传输。铁路隧道环境具有其特殊性和复杂性，无线信号在传播过程中通过反射、折射、衍射、绕射等方式，形成多条路径信号分量到达接收机，形成多径传播，导致较为严重的衰落；也会由于发射机或接收机处于移动状态而引起信道特性的变化，即多普勒效应。对于高铁隧道特定环境下无线信号传输仍未建立起科学统一的信道模型。

因此现阶段建设高速铁路隧道中的无线网络时，由于缺乏必要的理论依据；现阶段通常采用布置冗余设备的方式确保网络通信的质量；这种冗余布设的方式会大幅度增加无线通信网络的造价以及维护成本；因此有必要发明一种测试高铁隧道内的无线信号传输特性的手段，以便减少无线通信网络的设备冗余。

技术实现要素：

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种高速铁路隧道无线通信信道建模方法，该方法通过对铁路隧道的内的无线电波传输过程进行仿真建模，有效地模拟了铁路隧道内无线电波的传输特性。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种高速铁路隧道无线通信信道建模方法，所述高速铁路隧道无线通信信道建模方法包括以下步骤：建立铁路隧道的三维模型；在三维模型中选取发射天线和接收天线的安装位置；使用射线跟踪法计算电磁波从所述发射天线到所述接收天线的传输过程。

使用射线跟踪法计算电磁波从所述发射天线到所述接收天线的传输过程包括以下步骤：将所述发射天线发出的球面波划分为若干个射线管；在所述铁路隧道的所述三维模型内跟踪各所述射线管在传输过程中与障碍物的交点，并计算所述障碍物造成的反射和折射对所述射线管的影响；当所述发射天线与所述接收天线之间的所述铁路隧道为直隧道时，根据各经过所述接收天线的射线管计算所述接收天线的接收功率；当所述发射天线与所述接收天线之间的铁路隧道为弯隧道时，根据各经过所述接收天线的射线管计算所述接收天线接收的平均接收功率。

计算所述接收天线的接收功率的过程中，经过所述接收天线的所述射线管包括直射的所述射线管以及经过所述铁路隧道的内表面反射的所述射线管；所述接收天线的接收功率pr的计算公式如下所示：

其中：pt是所述发射天线的发射功率，λ是自由空间波长，r是所述接收天线与所述发射天线之间的直达路径长度，n是经过所述接收天线的所述射线管的总数，gd(x)是电磁波直达路径方向上的所述收发天线的增益积，ri是收发天线之间的第i条射线管的反射路径长，是第i条射线管的反射路径上的收发天线的天线增益积；ri是第i条射线管的反射路径上的所有反射系数乘积。

计算所述接收天线的平均接收功率的过程中，经过所述接收天线的所述射线管包括直射的所述射线管、经过反射的所述射线管以及绕射的所述射线管；接收天线接收的的平均接收功率的计算公式如下所示：

其中：λ是自由空间波长，β＝ω/c，η0为电磁场传播介质数值、ω为每秒角度变化的量、c为每秒光运行的距离，np是经过所述接收天线的所述射线管的总数，eθ,i是第i条所述射线管的电场的θ分量，eφ,i是第i条所述射线管的电场的φ分量，gθ(θi,φi)以及gφ(θi,φi)的计算公式如下所示：

其中：gθ(θi,φi)是发射天线增益的θ分量，ψθ是远场相对相位的θ分量，

gφ(θi,φi)是发射天线增益的φ分量，ψφ是远场相对相位的φ分量。

第i条所述射线管的电场的θ分量eθ,i的计算公式如下所示：

其中：pt为发射天线的辐射功率，β＝ω/c，k为射线管经隧道顶面反射的次数，是与入射平面平行的电场分量的反射系数，t为射线管经隧道地面反射的次数，是与入射平面平行的电场分量的反射系数，n为射线管经隧道垂直平面反射的次数，是与如何平面垂直的平面场强的第θ次反射的反射系数，m为射线管经过边缘绕射的次数，rtd是发射天线到绕射点的距离，rdr绕射点到接收天线的距离，ds是utd边缘绕射系数。

第i条所述射线管的电场的φ分量eφ,i的计算公式如下所示：

其中：η0为电磁场传播介质数值,pt为发射天线的辐射功率,β＝ω/c，k为射线管经隧道顶面反射的次数，是与入射平面平行的电场分量的反射系数，t为射线管经隧道地面反射的次数，是与入射平面平行的电场分量的反射系数，n为射线管经隧道垂直平面反射的次数，是与如何平面垂直的平面场强的第θ次反射的反射系数，m为射线管经过边缘绕射的次数，rtd是发射天线到绕射点的距离，rdr绕射点到接收天线的距离，ds是utd边缘绕射系数。

跟踪所述射线管的传输过程中，当所述射线管的横截面大于分裂阈值时，将所述射线管分裂为多个射线管。

本发明的优点是，通过对铁路隧道内的无线通信信道进行建模仿真，测试人员可以获得铁路隧道中无线电波的传播特性；根据无线电波的传播特性，设计人员可以优化铁路隧道内无线ap的数量以及布设密度，从而有效地降低了无线通信网络的造价以及维护成本。

附图说明

图1为本发明中的铁路隧道三维模型的示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1所示，图中标记1-4分别为：铁路隧道1、发射天线2、接收天线3、射线管4。

实施例：如图1所示，本实施例具体涉及一种高速铁路隧道无线通信信道建模方法，该高速铁路隧道无线通信信道建模方法包括以下步骤：

1)建立铁路隧道1的三维模型；在三维模型中选取发射天线2和接收天线3的安装位置。

2)使用射线跟踪法计算电磁波从发射天线2到接收天线3的传输过程；计算过程包括以下步骤：

2.1)将发射天线2发出的球面波划分为若干个射线管4；划分过程中首先构造一个等20面体(其表面是由完全相同的20个等边三角形构成)，然后把每个三角形边分成n等份，通过作平行与三角形各边的直线把三角形分成更小的三角形。这样每个大三角形就被分割成n²个小三角形；最后把这些三角形投射到球面上；对于给定n，可以得到20n²个三角形的射线管4，即三角形的射线管4的总数n＝20n²；

各三角形的射线管4在传播过程中横截面不断增大，这会降低仿真结果的分辨率；为了解决这个问题，需要引入射线分裂方法(rsm)，使得射线管4的横截面达到一定阈值时分裂为多个射线管4；分裂后各射线管4的长度、方向矢量、相位特性均根据母射线管4的相应特性计算得出。

2.2)各个射线管4在铁路隧道1的三维模型中持续传播，并对各射线管4进行相交测试，找出射线管4与铁路隧道1中的障碍物的交点，并计算障碍物造成的反射和折射对相应的射线管4的影响；

具体的，当某射线管入射到界面时，根据snell定律和局部平面波假设，找出反射射线管4和折射射线管4；根据无损媒质平坦分界面的反射系数和折射系数，用复介电常数代替无损耗实介电常数，得到低损耗媒质(如混凝土和砖墙)的反射系数和折射系数；跟踪该射线管4在媒质中的每次反射和折射；

射线管4处于下列状况时，停止对其进行追踪：(1)超出需要预测的模型的边界；(2)在到达接收天线3前电场振幅降至规定阈值之下；(3)在到达接收天线3前分裂次数增至规定阈值之上；(4)超过最大反射次数或者绕射次数。

2.3)当发射天线2与接收天线3之间的铁路隧道1为如图1所示的直隧道时，根据各经过接收天线3的射线管4计算接收天线3的接收功率pr；经过接收天线3的射线管4包括从发射天线直射的射线管4，以及经过铁路隧道1的内表面反射的射线管4；接收天线3的接收功率pr的计算公式如下所示：

其中：pt是发射天线2的发射功率，λ是自由空间波长，r是接收天线3与发射天线2之间的直达路径长度，n是经过接收天线3的射线管4的总数，gd(x)是电磁波直达路径方向上的收发天线的增益积，ri是收发天线之间的第i条射线管4的反射路径长，是第i条射线管的反射路径上的收发天线的天线增益积；ri是第i条射线管的反射路径上的所有反射系数乘积；

对于垂直极化射线，其反射系数为：

对于水平极化射线，其反射系数为：

反射为粗糙平面，则：

(ri)rough＝ρsri

其中：δli表示视距los射线和第i条射线的路程差，θi表示入射角。复介电常数

其中：σ为电导率，εr是相对介电常数。

2.4)当发射天线2与接收天线3之间的铁路隧道1为弯隧道时，根据各经过接收天线3的射线管4计算接收天线3接收的平均接收功率；经过接收天线3的射线管4不仅包括直射的射线管4、经过反射的射线管4，还包括绕射的射线管4；接收天线3接收的的平均接收功率的计算公式如下所示：

其中：λ是自由空间波长，β＝ω/c，η0为电磁场传播介质数值、ω为每秒角度变化的量、c为每秒光运行的距离，np是经过接收天线3的射线管4的总数，eθ,i是第i条射线管4的电场的θ分量，eφ,i是第i条射线管4的电场的φ分量，gθ(θi,φi)以及gφ(θi,φi)的计算公式如下所示：

其中：gθ(θi,φi)是发射天线增益的θ分量，ψθ是远场相对相位的θ分量，gφ(θi,φi)是发射天线增益的φ分量，ψφ是远场相对相位的φ分量。

2.4.1)第i条射线管4的电场的θ分量eθ,i的计算公式如下所示：

其中：η0为电磁场传播介质数值,pt为发射天线2的辐射功率，β＝ω/c，k为射线管4经隧道顶面反射的次数，是与入射平面平行的电场分量的反射系数，t为射线管4经隧道地面反射的次数，是与入射平面平行的电场分量的反射系数，n为射线管4经隧道垂直平面反射的次数，是与如何平面垂直的平面场强的第θ次反射的反射系数，m为射线管4经过边缘绕射的次数，rtd是发射天线2到绕射点的距离，rdr绕射点到接收天线3的距离，ds是utd边缘绕射系数。

2.4.2)第i条射线管4的电场的φ分量eφ,i的计算公式如下所示：

其中：pt为发射天线2的辐射功率,β＝ω/c，k为射线管4经隧道顶面反射的次数，是与入射平面平行的电场分量的反射系数，t为射线管4经隧道地面反射的次数，是与入射平面平行的电场分量的反射系数，n为射线管4经隧道垂直平面反射的次数，是与如何平面垂直的平面场强的第θ次反射的反射系数，m为射线管4经过边缘绕射的次数，rtd是发射天线2到绕射点的距离，rdr绕射点到接收天线3的距离，ds是utd边缘绕射系数。

2.4.3)在弯曲的铁路隧道1内，电磁波的路径损耗为：

lpath(db)＝pt(dbm)-pr(dbm)+gt,max(dbi)+gr,max(dbi)-ls(db)

其中，gt,max和gr,max分别是发射天线和接收天线的最大增益，ls是系统所有其它损耗总和。

本实施例的有益技术效果为：通过对铁路隧道内的无线通信信道进行建模仿真，测试人员可以获得铁路隧道中无线电波的传播特性；根据无线电波的传播特性，设计人员可以优化铁路隧道内无线ap的数量以及布设密度，从而有效地降低了无线通信网络的造价以及维护成本。