高鐵隧道無線通信系統(tǒng)中的信道測量與建模綜述

陳克勇 焦峰

高鐵隧道無線通信系統(tǒng)中的信道測量與建模綜述

陳克勇 焦峰

廣東省電信規(guī)劃設(shè)計院有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110000

高鐵的迅速發(fā)展為現(xiàn)有的高鐵無線通信系統(tǒng)帶來了一些新的挑戰(zhàn)。一個準(zhǔn)確描述隧道信道特性的信道模型，對高鐵通信系統(tǒng)的設(shè)計和評估意義重大。由于隧道狹長的空間、隧道本身的邊界性以及產(chǎn)生的波導(dǎo)效應(yīng)等，高鐵隧道中的信道特性不同于其他的高鐵場景。

高鐵隧道；無線通信系統(tǒng)；信道測量；建模綜述

引言

隧道信道的一些特性目前還沒有被充分研究。本文全面綜述了高鐵隧道無線通信系統(tǒng)中的信道測量與建模。

1 高鐵無線通信覆蓋的典型類型

1.1 公網(wǎng)覆蓋

公網(wǎng)覆蓋即在不增加新的基站以及不增加其他類型設(shè)備的情況下，通過重復(fù)利用沿線既有的站點進(jìn)行組網(wǎng)，達(dá)到無線通信的目的[1]。當(dāng)然，這種方式需要使用既有站點，還要承擔(dān)周邊非高鐵相關(guān)用戶的通信任務(wù)。通過使用公網(wǎng)覆蓋可以很好地實現(xiàn)對鐵路初期投資的控制，而且不需要較長時間的施工周期，在一定程度上縮短了建設(shè)周期。但是，其依然存在著由于覆蓋范圍受限而不能對鐵路進(jìn)行全線覆蓋的問題，而且因為最初容量受限而不能在乘坐率很高的情況下滿足所有的通信請求，從而使得高鐵用戶的體驗度受限。

1.2 專網(wǎng)覆蓋

專網(wǎng)覆蓋就是通過建設(shè)專門的網(wǎng)絡(luò)用來實現(xiàn)高鐵的無線通信需要的一種組網(wǎng)方式[2]。建立的專網(wǎng)完全獨立于公網(wǎng)的基站、傳輸設(shè)備、反饋系統(tǒng)等，而且設(shè)置過程中不需要考慮公網(wǎng)的既有原頻點、位置區(qū)域的劃分以及其他相關(guān)的技術(shù)要求，實現(xiàn)了多變的組網(wǎng)方式，而且能夠確保整個組網(wǎng)方式更加靈活，提高高鐵無線通信的質(zhì)量，但是建設(shè)投入成本較高。

1.3 公網(wǎng)與專網(wǎng)相結(jié)合的方式

為了實現(xiàn)高鐵無線通信，采用專網(wǎng)建設(shè)的方式是必經(jīng)途徑，但是在某種情況下，由于專網(wǎng)組建的成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于使用鐵路沿線既有的公網(wǎng)進(jìn)行覆蓋建設(shè)的成本，因此在適當(dāng)?shù)臈l件下可以考慮公網(wǎng)與專網(wǎng)結(jié)合的方式進(jìn)行[3]。從無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的整體質(zhì)量角度來看，運營商必須通過加大對專網(wǎng)的建設(shè)投入力度，提高高鐵用戶的使用體驗。對于一些地理環(huán)境惡劣的區(qū)域，專網(wǎng)覆蓋是唯一的通信覆蓋途徑。但是，在一些公網(wǎng)信號覆蓋較好的區(qū)域，例如火車站、市區(qū)等地方，則可以根據(jù)公網(wǎng)的具體情況進(jìn)行合理設(shè)置[4]。

2 高鐵隧道信道測量

2.1 隧道測量設(shè)置

現(xiàn)今的高鐵隧道信道測量，關(guān)鍵傾向一單輸入輸出天線配置。為了達(dá)到數(shù)據(jù)傳送不斷增多的要求，多輸入多輸出系統(tǒng)是不可缺少的，應(yīng)借助MIMO技術(shù)來提高信道容量的可行性。所以，越多地利用MIMO系統(tǒng)的隧道信道測量工作是人們所期待的。

2.2 隧道內(nèi)近場和遠(yuǎn)場區(qū)

無線信號在隧道里傳送時，可依據(jù)所在的“斷點”將隧道空間大概劃分為兩個區(qū)域，即遠(yuǎn)近區(qū)不一樣的傳播區(qū)域要有不一樣的信道模型來描述。隧道信道的統(tǒng)計特點包括路徑損耗、陰影衰落和一些小尺度衰落特性。

2.3 隧道內(nèi)典型的傳播區(qū)域

一般地，傳統(tǒng)高鐵通信場景中直射路徑所占的比重很大。在隧道中，由于隧道場景的密閉性，反射波可以極大程度地保留下來并占據(jù)接收信號的絕大部分?？紤]到隧道內(nèi)因反射導(dǎo)致的長時延特性，針對不同區(qū)域開展了測量活動，并分析了簇的時延特性。隧道內(nèi)的傳播區(qū)域大致可分為3種，即直射區(qū)、非直射區(qū)與遠(yuǎn)直射區(qū)。當(dāng)接收端距離發(fā)送端非常近時，直射區(qū)出現(xiàn)；火車駛離發(fā)送端時，直射區(qū)消失，相應(yīng)地，非直射區(qū)出現(xiàn)；當(dāng)火車距離發(fā)送端很遠(yuǎn)時，遠(yuǎn)直射區(qū)出現(xiàn)。隨著隧道內(nèi)傳輸距離的增加，直射徑消失。與此同時，隧道中保留了大量的反射信號。這些反射會導(dǎo)致時延簇，此時在非直射區(qū)服從廣義極值分布，在遠(yuǎn)直射區(qū)服從有界Johnson分布。

2.4 隧道內(nèi)無線信號傳播的影響因素

相較于高鐵場景，隧道里的電磁波傳播會產(chǎn)生較多的反射、散射與衍射等。一些有關(guān)參數(shù)，如隧道尺寸、隧道形狀、隧道墻壁的電磁特性和表面粗糙程度、收發(fā)天線的位置和輻射方式等，均會多少影響到隧道里無線信號的傳播[5]。隧道的橫截面也會影響傳播信號的衰減，并且伴隨信號頻率的增加。這種影響更為明顯。隧道表面的粗糙程度及隧道墻壁的電磁特性，也會影響隧道內(nèi)無線信號的傳輸。

3 高鐵隧道信道模型

3.1 隧道內(nèi)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

隧道內(nèi)采用兩種方案來提供無線覆蓋，即泄漏電纜和DAS。泄漏電纜目前被廣泛用于高鐵隧道通信系統(tǒng)中。它可以提供很好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，并且不需要專門的規(guī)劃。但是，它的安裝費用比較昂貴且后期維護(hù)相當(dāng)復(fù)雜，尤其是對于新建的中等或是很長的高鐵隧道。相比之下，DAS更具吸引力。在DAS中，所有的天線元素按一定的間隔放置，并通過有線或光纖進(jìn)行連接。相比泄漏電纜方案，DAS可以在網(wǎng)絡(luò)覆蓋、容量方面提供較大的增益，通過在不同位置放置不同的天線元素來提供較大的空間分集抵抗衰落，具有安裝迅速、易于維護(hù)等優(yōu)點。

3.2 高鐵隧道模型的建模方法

3.2.1射線追蹤模型

射線追蹤技術(shù)被廣泛應(yīng)用于預(yù)測有限空間中的無線電波傳播。射線追蹤模型可以用于預(yù)測接收端的路徑損耗和隧道內(nèi)的信號時延等。鑒于幾何光學(xué)與一致性繞射理論，隧道里收到的信號可當(dāng)成一連串隧道墻壁反射與隧道邊沿衍射的射線的疊加。不一樣相位的射線疊加可造成接收信號順著距離的功率而產(chǎn)生變化，并且可深入來探究隧道里的信號傳播預(yù)測。

3.2.2波導(dǎo)信道模型

考慮隧道的幾何形狀和隧道材料的電特性等，無線波在隧道內(nèi)傳播可以被建模為類似在波導(dǎo)內(nèi)的傳播。當(dāng)載波頻率高于幾百MHz時，隧道中將出現(xiàn)波導(dǎo)效應(yīng)。由于隧道獨特的結(jié)構(gòu)，將會產(chǎn)生大量的反射和散射成分，進(jìn)而產(chǎn)生波導(dǎo)效應(yīng)。

3.2.3全波模型

全波模型利用有限差分技術(shù)，通過數(shù)值法解Maxwell方程得出，是現(xiàn)今利用最多的一種明確性的信道建模方式。此辦法通過將Maxwell方程組分別在空域和時域上實施差分處理，來交替運算出空間中的電磁場，再通過時域上的更新來描述電磁場的變化，進(jìn)一步展開數(shù)值運算。此辦法可直接模擬電磁場分布，具備極高的精度。

3.2.4混合模型

現(xiàn)今有大量的手段可用于建模隧道中的電波傳播。每一種手段都有不同限度的優(yōu)缺點，為了使優(yōu)勢能充足互補，一些探究者開始探究混合信道模型。使用幾何光學(xué)模型與波導(dǎo)模型相聯(lián)合的建模思維，研發(fā)了大量的模型。通過使用模式匹配辦法，將幾何光學(xué)模型中的射線與其他模式相疊加，描述了遠(yuǎn)近場區(qū)的電磁波傳播，并且深入剖析了隧道信道的一些特點。

4 結(jié)論

依據(jù)不一樣的載波頻率、隧道參數(shù)、天線配置等，描述了現(xiàn)有的一些隧道測量活動。之后，依據(jù)不一樣的建模方式，分類歸納了一些現(xiàn)有的隧道信道模型，介紹了一些大尺度和小尺度衰落信道特性。

[1]李養(yǎng)民. 高鐵隧道公網(wǎng)無線覆蓋方案選擇與建設(shè)問題探討[J]. 鐵道通信信號，2018，54（1）：72-74.

[2]劉玉，Ammar GHAZAL，王承祥，等. 高鐵隧道無線通信系統(tǒng)中的信道測量與建模綜述[J]. 中國科學(xué)：信息科學(xué)，2017，47（10）：1316-1333.

[3]蔣勇. LTE-FDD高鐵隧道覆蓋方案探討[J]. 廣東通信技術(shù)，2016，36（5）：46-51.

[4]黃國暉，吳昊. 高鐵隧道覆蓋中的“POI+泄漏電纜”解決方案[J]. 中國新通信，2010，12（9）：76-82.

[5]張雙健，吳壽莊. 地面無線通信信號覆蓋地鐵的研究和實踐[J]. 城市軌道交通研究，2002（2）：68-72.

Survey of Channel Measurement and Modeling in High-Speed Rail Tunnel Wireless Communication System

Chen Keyong Jiao Feng

Guangdong Planning and Designing Institute of Telecommunications Co., Ltd., Shenyang Branch, Liaoning Shenyang 110000

The rapid development of high-speed rail has brought some new challenges to the existing high-speed rail wireless communication system. A channel model that accurately describes the characteristics of the tunnel channel is of great significance for the design and evaluation of high-speed rail communication systems. Due to the narrow space of the tunnel, the boundary of the tunnel itself, and the resulting waveguide effect, the channel characteristics in the high-speed rail tunnel are different from those in other high-speed rail scenarios.

high-speed rail tunnel; wireless communication system; channel measurement; modeling review

U285.2

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