基于传播图理论的非视距类距隧道环境下的信道建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及隧道信道模型技术领域，尤其涉及一种基于传播图理论的非视距类距 隧道环境下的信道建模方法。
【背景技术】
[0002] 随着地下轨道交通的迅速发展，车地间通信以及旅客通信需求也越来越迫切。建 立完善的地下轨道通信系统，为列车的安全运行控制提供强有力的保障，满足旅客多样化 的通信需求，提供流畅、清晰、误码率低的图像和用户数据等，就显得尤为重要。
[0003] 现如今，许多研究人员正在将地面上的成熟的移动通信系统技术应用到隧道系统 中。常见的隧道信道模型有射线理论、模态理论和经验模型。
[0004]射线跟踪是一种精确的搜索射线轨迹的方法，能够准确预测出复杂环境中从发射 天线到接收天线的射线传播，并计算多径信号的幅度、延时等参数。射线理论在复杂环境中 具有较广泛的应用，但是效率低，计算量大，对计算机内存要求很高。
[0005] 模态理论一般应用在简单几何场景下。它使用电磁场理论对无线电波在各类场景 中的传播特性进行分析，最终以数学表达式的方式对传播信道进行描述。由于所提出的信 道数学模型中通常会包含一些对环境和系统的假设，所以模态理论对传播信道的描述大多 是近似的。
[0006] 经验模型是通过大量的实际环境下的测量统计得到的一种模型。这种统计方法所 得的结果直接来自于实测，直观可靠。但是，用该方法所得出的电波传播模型对环境的依赖 性较大，对实测设备的要求也较高，这使得该方法的应用局限性较大。
[0007] 传播图理论从频域的角度出发，从信道传递函数获取衰落特性，它将无线电波传 播经历的反射物和散射物、传播等物理现象建模为计算机科学中的顶点和边的关系，利用 频域传递函数的级联，得到最终的信道传递函数。随后传播图理论被用于室内信道建模和 高铁环境等建模。在隧道系统下使用传播图理论建模还没有得到应用。
[0008] 在经典传播图信道建模理论中，将所有散射点作为一个集合，用统计概率来描述 散射点集合内所有边发生的概率。对于某些互相不可见的散射点间的传递函数也相应地计 算在内，这种方案只能粗略地描述散射点到散射点的传递函数，不适用于非视距环境。另一 方面，对于不同形状的散射物，统计概率是不同的，经典图论并未区分出不同散射物之间的 转移概率。因此，经典图论不能精确的描述散射点集合内部反射情况。
[0009]因此，开发一种有效的非视距类距隧道系统的信道建模方法是十分必要。
【发明内容】
[0010] 本发明的实施例提供了一种基于传播图理论的非视距类距隧道环境下的信道建 模方法，以实现对非视距类距隧道系统进行有效的建模。
[0011] 本发明提供了如下方案：
[0012] -种基于传播图理论的非视距类距隧道环境下的信道建模方法，包括：
[0013] 根据非视距类距隧道系统的实际隧道尺寸构建隧道的几何模型，将所述几何模型 划分成若干个散射点集合，将各个散射点集合进行排列组合获得传播路线；
[0014] 利用传播路线上依次相邻两散射点集合之间的子传递函数的级联计算，得到所述 传播路线的传递函数，利用所述传播路线上依次相邻两散射集合之间的转移概率之积调整 所述传播路线的传递函数；
[0015] 将调整后各个传播路线的传递函数求和得到所述非视距类隧道系统的传递函数， 对所述非视距类隧道系统的传递函数做傅里叶逆变换获得所述非视距类隧道系统的时域 信道冲激响应。
[0016] 进一步地，所述的根据非视距类距隧道系统的实际隧道尺寸构建隧道的几何模 型，将所述几何模型划分成若干个散射点集合，包括：
[0017] 根据非视距类距隧道系统的实际隧道尺寸构建弯曲隧道系统的几何模型，沿着弯 曲隧道系统的内圆做切线，该切线与外圆相交成两点，将所述两点间的弧线所对应的角度 作为最大划分角度，所述内圆为所述非视距类距隧道系统的内壁，所述外圆为所述非视距 类距隧道系统的外壁；
[0018] 以所述最大划分角度为分界线将所述非视距类距隧道系统分割为多个部分，将每 个部分作为一个隧道点集合，每个隧道点集合包含多个不同的面，电磁波不能在每个隧道 点集合的内部发生反射。
[0019] 进一步地，所述的利用传播路线上依次相邻两散射点集合之间的子传递函数的级 联计算，得到所述传播路线的传递函数，包括：
[0020] 将各个散射点集合进行任意的排列组合获得多条传播路线；
[0021] 利用传播路线上依次相邻两散射点集合之间的子传递函数的级联计算，得到传播 路线的传递函数，相邻两散射点集合之间的子传递函数的计算公式如下：
[0022] Ae(f) = ge(f)expj( <})e-23TTef)
[0023] 式中，f?代表信号频率，j代表虚数，巾e代表相位，满足[0，2jt )均匀分布，k代表传播 时延，(f)代表增益，针对四种传播过程，(f)也都不同：
发射端一接收端 发射端一散射点 散射点一接收端 散射点一散射点
[0025]上式中，心/)=2#%/卜'|，并且外^) = ￡!^<2，代表散射点集合，1，1表 示集合中元素的个数，因此表示发射顶点到散射体的平均传播时延;g2/〇di(e)是散 射点到散射点的功率增益，g为实数，需要根据实际场景设置大小，〇di(e)表示从一个散射 点集合到另外一些点集合的边数；
[0026]第i条传播路线的传递函数出的计算公式如下：
[0028] Htx,s⑴表示第i条传播路线上发射端到第一个散射点集合之间的子传递函数， Hs(i),s(i+i)表不第i个散射点集合到第i+1个散射点集合之间的子传递函数，Hs(v),rx表不第v 个散射点集合到接收端之间的子传递函数，所述 的计算公式计算得到。
[0029] 进一步地，所述的利用所述传播路线上依次相邻两散射集合之间的转移概率之积 调整所述传播路线的传递函数，包括：
[0030] 计算出第i条传播路线的转移概率pvls>1，计算公式如下：
[0032] Ptx,s(1)表示第i条传播路线上发射端到第一散射点集合之间的转移概率， PS(j),S(j+1)为第j个散射点集合到第j+1个散射点集合之间的转移概率，PsW, rx表示第V散射 点集合到接收端的转移概率；
[0033] 定义散射点集合之间转移概率的计算公式如下：
[0036] x，y分别为两个散射点集合中的元素，X，Y各为两个散射点集合中所有元素个数，T 用于判别两个散射点集合中两点是否相互可见，判断方法如下：
[0037] 连接两点做一线段，并均匀的在线段上取点；
[0038] 判断线段上的端点除外的点是否位于隧道壁围成的隧道内部；
[0039] 若所有点均位于内部空间，则视为两点可见T=l;反之，若至少有一点不在内部空 间中，则认为两点不可见T = 0。
[0040] 将第i条传播路线的传递函数出乘以该条传播路线的转移概率Pvls>1，得到调整后 的第i条传播路线的传递函数Pv^Hi。
[0041] 进一步地，所述的将调整后各个传播路线的传递函数求和得到所述非视距类隧道 系统的传递函数，包括：
[0042]非视距类距隧道系统的传递函数Hs(f)的计算公式如下：
[0044]电磁波在非视距类距隧道系统的U个散射面之间发生V次反射，所述非视距类距隧 道系统共有Uv条传播路线。
[0045]进一步地，所述的对所述非视距类隧道系统的传递函数做傅里叶逆变换获得所述 非视距类隧道系统的时域信道冲激响应，包括：
[0046]对Hs(f)进行快速傅里叶逆变换IFFT获得非视距类隧道系统的时域信道冲击响应 CIR，CIR的计算公式如下：
[0047] CIR=IFFT(Hs(f))
[0048]由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的基于传播图理 论的非视距类距隧道系统的信道建模方案改进了传播图理论方法，提出转移概率和划分面 的概念，能很好地适用于非视距矩形、马蹄形隧道等类距隧道系统的信道建模，并且能有效 地减少计算量，提高非视距类距隧道系统建模的准确性，对环境的依赖性较小。
【附图说明】
[0049] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用 的