一种基于隧道施工场景下无线通信信道建模方法与流程

本发明涉及隧道施工的，尤其涉及一种基于隧道施工场景下无线通信信道建模方法。

背景技术：

1、随着人口不断增加以及城市化进程的逐步推进，地下轨道交通受到了更多的关注与重视。盾构法利用盾构机进行掘进，主要应用于城市地铁隧道建设，在掘进过程中通过管片拼装进行支撑而保障地面不会塌陷。一般而言，管片拼装后隧道直径在6.2-6.5m之间，标准管片宽度为1.5米。为了提高盾构机的掘进效率、施工质量及安全性，国内盾构行业开始提出了智能盾构的概念，保证隧道施工时全线组网是实现智能盾构中各设备互联互通的前提，因此隧道施工场景下无线组网是亟待研究和解决的关键问题。而要解决隧道内全线组网，就需要对隧道施工场景下的无线通信信道建模进行研究，从而在实际部署时对现场工作进行理论指导，确保组网的信号强度、通信带宽、时延等指标。

2、隧道属于狭长受限空间，存在特殊的波导效应，即信号在波导中传输时其功率衰减会比自由空间传播衰减小，其路径损耗指数会小于2。另外，波导还有高通滤波器特性，高频点信号在隧道中传播，其功率随距离衰减速度会小于低频点信号，这里也包括了多径信号。当前隧道内信道建模一般分为静态场景建模与动态场景建模，动态场景建模适合集群式移动设备，建模复杂且精度较低，如公开号为cn 114499721 a的专利公开了车与车之间的信道建模方法、公开号为cn 109639378 a的专利公开了矩形隧道车与车之间的建模方法，隧道施工场景多数属于静态场景，因此基于静态场景进行建模。当前隧道内信道建模为了保证准确度，会采用理论计算+实际测量的方式。其中多数是利用全向天线的siso(单输入单输出)收发机在隧道场景下进行理论方法的计算，而后再现场进行测量，如公开号为cn107276705 a的专利利用全向天线的收发机在计算时需要考虑电磁波的周向辐射，计算量较大、计算时间长且计算复杂。相比于siso传输，采用mimo(多进多出)无线传输技术，充分挖掘利用空间资源，最大限度地提高频谱利用率和功率效率，公开号为cn 114465682 a的专利提出矿井mimo信道建模方法，该方法通过建立信号直射和散射分量模型推导系统相关函数，主要针对功率分配进行信道容量计算，与此方法类似，公开号为cn 105721087 b的专利同样是建立隧道的三维模型，进行划分后计算传播时的传递函数，因矩形隧道的散射点容易划分，因此两种方法均多适用于矩形隧道，对其他截面隧道计算较复杂，计算时间长而无法满足实际现场施工需求。在现场测量时，一般是在隧道中部位置进行测量，在测量中接收机的部属位置不同，对于测量结果的误差较大，从而影响测量的准确性，因此考虑到施工实际需求，测量位置应固定于隧道侧壁上，不影响运输车以及人员的工作。另一方面在测量时，利用全向天线进行测量天线增益较小，在距离较远时将造成接收的信号强度较小，噪声影响较大，从而影响测量精度。

技术实现思路

1、针对现有技术中隧道施工混喷支护数据处理量大、精度不高的技术问题，本发明提出一种基于隧道施工场景下无线通信信道建模方法，解决当前隧道施工领域内信道建模不符合施工现场实际需求、计算复杂、准确度低且不具有拓展性、通用性的问题。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于隧道施工场景下无线通信信道建模方法，包括理论计算方法、计算机仿真方法、实际测量方法三部分；实际测量方法从现场施工需求角度出发选择发射机和接收机，并确定发射机和接收机的安装位置；所述理论计算方法根据发射机和接收机的安装位置，采用基于隧道施工场景的改进的射线跟踪法计算接收点的接收功率；所述计算机仿真方法根据发射机和接收机的天线参数以及发射机和接收机的安装位置，基于winprop的电波传播求解仿真建模方法进行仿真；将仿真结果与理论计算法和实际测量方法得到的结果进行对比验证。

3、优选地，所述实际测量方法是根据实际现场施工需求，确定发射机和接收机的天线类型及辐射角度、每次间隔的测量间距。

4、优选地，所述发射机的发射天线为定向天线，发射天线朝向洞内施工掌子面方向；发射机的通信方式为mimo无线传输方式；所述接收机为频谱扫描仪，接收机的天线为全向天线，用于信号场强测量。

5、优选地，所述定向天线为双极化定向平板天线，定向天线的辐射角度为15-25度；所述发射机的频段范围是5150-5850hz。

6、优选地，在轴线方向上，发射机和接收机均部署于管片衔接处；在截面方向上，发射机和接收机均位于隧道轴线所在的水平面内，测量间距为管片宽度的整数倍；发射机和接收机均位于隧道轴线水平面内的同侧侧壁处。

7、所述改进的射线跟踪法结合了射线接收球法(sbr)和镜像法(image)的优点，传统的sbr方法无法确定反射点的位置，而image方法虽然可以确定反射点位置，但是将接收机虚拟为一个点，这与现实不太相符，因此将二者优点相结合，利用镜像法方法获取接收机中心的反射点位置，利用sbr方法获取接收机处一定范围内的场强，从而更加准确的进行理论建模，具体方法如下：将sbr方法中三维射线传播映射为轴线所在水平面内二维射线传播，对于发射机而言，所有发射射线的波前为球面波被映射为平面波，对于接收机而言，在较短距离时以天线和接收机长度为直径的接收球被映射为半圆形接收面，较长距离时半圆形接收面的半径乘以系数相应增加，但不能超过隧道的半径，这里通过限制发射射线的角度间隔以限定接收面半径，且在此认为半圆形接收面的圆心位于相邻管片接缝处；其中发射机发射电波的角度间隔可根据公式获得，rre是圆形接受面半径，dmax是测量时最大的传播距离，在；在发射机与接收机距离为l时，发射射线的角度范围为其中d为隧道直径，则发射电磁波数为

8、优选地，当圆形隧道为直道时，在此以所述半圆形接收面的中心，即管片接缝处为例进行反射径长度、反射角度的计算；所述改进的射线跟踪法的实现方法为：采用笛卡尔坐标系进行发射机和接收机的距离、反射角度的计算，以发射机所在位置点ps作为笛卡尔坐标系的坐标原点，接收机所在位置点pr与点ps之间的间距l＝lg×n米，其中，lg为管片的宽度，n表示管片个数；根据三角函数计算出反射角θr和入射角θi为其中，d为隧道直径；

9、根据勾股定理计算出入射径长度li与反射径长度lr为将反射度θr、入射径长度li及反射径长度lr代入到射线跟踪法接收功率的计算公式中，可得到接收点的接收功率。

10、优选地，当圆形的隧道为弯道时，在此以所述半圆形接收面的中心，即管片接缝处为例进行反射径长度、反射角度的计算；所述改进的射线跟踪法为：采用极坐标系进行接收机和发射机的距离、反射角度的计算，其中弯道轴线为半径r米的缓和曲线；隧道两个侧壁形成内圆和外圆两个圆，内圆与外圆的半径差值为隧道直径d米，内圆与外圆的以缓和曲线的圆心o为极坐标原点，发射机的位置点与接收机的位置点所在位置为半径为的圆上，圆上以管片的宽度lg弧长为间距划分为若干等份，其中收发机的直线距离为点ps和点pr所在圆弧的弦长lc；发射机和接收机所在位置的中心线过圆心与内圆相交于点f、与外圆相交于点w、与弦长lc相交于点c，连接点f和点ps所在直线与中心线的夹角为入射角θi，连接点f与点pr所在直线与中心线的夹角为反射角θr；由于是等间距划分，发射机和接收机所在位置的弧长和夹角θ＝θu×n，θu为单个管片宽度lg对应的弧度；则弦长同理可得到点w到点pr的弦长lwpr、点w到点ps的弦长lwps为

11、根据勾股定理得到线段wc的长度因此可得到线段cf的长度lcf，最后可得到入射角θi和反射角θr，入射径长度lpsf和反射径长度lprf为代入到射线跟踪法接收功率的计算公式中，可得到接收点的接收功率。

12、优选地，所述射线跟踪法计算接收功率的方法为：

13、计算直达径的电场为：

14、计算反射径的电场为：

15、则接收点的电场为：etotal＝ed+∑er；

16、其中，e0是参考点处的电场；dd和dr分别是直达径和反射径的总路径长度，分别是隧道是直道时的入射径长度li及反射径长度lr，或者隧道是弯道时的入射径长度lpsf和反射径长度lprf；ri表示反射路径上第i次反射的反射系数；q是反射径总反射次数；λ是电磁波的波长；

17、则接收点的总功率为：

18、

19、其中，pt是天线的发射功率；gt和gr分别是发射天线和接收天线的增益；是自由空间中的波阻抗，μ0是磁导率，ε0是介电常数。

20、优选地，所述计算反射系数的方法为：

21、考虑电磁波的极化，将入射电场分解为垂直极化和平行极化两个分量，并分别求反射系数，分解过程如下：

22、

23、

24、

25、

26、

27、其中，ep和en分别表示电场在平行极化和垂直极化方向的分量；ei和er分别是入射电场和反射电场；和分别表示平行于入射面和垂直于入射面的单位向量；rp、rn分别是水平和垂直方向的反射系数；ε2、ε1是介电常数。

28、优选地，当隧道施工有电瓶轨道运输车进入时，会很大程度影响隧道内无线电波传播，因此需要对电瓶车所在区域进行无线电波的求解和模型建立；在隧道施工时电瓶车的高度是超过隧道轴线所在平面的，因此在电瓶车运动时，由于遮挡的原因，发射机所在位置的对立侧是场强相对较弱的区域，而同侧则因为反射面的偏移从而使场强发生变化，并且同侧是场强相对较强的区域；所述同侧场强计算方法与改进的射线跟踪法同理，不同的是反射面向内偏移，可以看作隧道直径减小；所述对立侧场强因遮挡问题，直达径无法到达，因此在计算时仅考虑反射径的场强，且同样因遮挡问题反射面仅能考虑隧道的顶面反射，将对立侧场强计算点pops与发射机所在位置点ps相连接，其中线与隧道顶面的交点即为反射点pf，由点pops、点ps与点pf三点构成一个二维平面，与轴线所在水平面类似，同样以发射点ps为原点建立笛卡尔坐标系，与改进的射线跟踪法同理进行反射径和反射角的计算，这里需要注意的是直射径场强为0，且由于轨道电瓶车长度一般为几十米，因此相对于隧道内的弯道半径上千米而言，可以当作直道考虑，从而得出轨道电瓶车所在区域同侧与对立侧的场强分布模型；

29、优选地，所述基于winprop的电波传播求解仿真建模方法为：根据实际测量方法选择的发射机建立发射机的天线图，包括天线图的极化辐射角度、增益；建立隧道的二维模型和三维模型，包括隧道的直道和弯道的长度、转弯半径、隧道直径、隧道壁材质、障碍物分布、接收机位置；定义隧道的三维模型中发射机的天线的朝向以及发射功率，定义发射机天线的安装位置；选择仿真算法进行仿真计算；所述仿真算法为3d-srt射线跟踪模型或sbr射线跟踪模型。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果：

31、1.从隧道施工中实际现场工作的需求出发，从理论计算、计算机仿真与实际测量三个方面出发，实现了一种不同方法相结合的信道建模方法，具有符合现场施工需求、计算简单、准确度高且具有拓展性、通用性的优点，为隧道施工中各设备互联互通、全线组网打下基础，具有重要的指导意义。

32、2.本发明从理论计算、计算机仿真、实际测量三个维度进行对比验证，提高了隧道施工场景下电波传播求解的认识程度和信道模型的准确度，对于隧道内组网规划具有很大的指导意义。