地鐵隧道場景中時延估計的改進算法

王利森 李莉 吳靜芳 魏爽 周小平

摘 要： 基于地鐵隧道場景，利用射線跟蹤法，將多徑效應(yīng)產(chǎn)生的時延估計問題轉(zhuǎn)化為在立體空間中求解不同路徑之間的時間差問題.不同于發(fā)射端與接收端相對靜止的情況，考慮列車在高速運行時具有的多普勒效應(yīng)，提出了在接收與發(fā)射端運動狀態(tài)下的時延估計改進方法.仿真結(jié)果表明：相較于在收發(fā)端相對靜止?fàn)顟B(tài)下估計得到的時延參數(shù)，改進方法的結(jié)果與實際場景更加匹配.

關(guān)鍵詞： 地鐵隧道場景; 毫米波傳輸; 時延擴散

中圖分類號： TN 929.4文獻標(biāo)志碼： A文章編號： 1000-5137（2019）01-0007-06

Abstract： Based on the subway tunnel scenario，the time delay estimation problem generated by the multipath effect was transformed into the problem of solving the time difference among different paths in the three-dimensional space by the ray tracing method.An improved estimation method was proposed under the motion scenario considering the Doppler effect when the train running at high speed，which was different from the case of the relative static of the transmitter and receiver.The simulation results showed that the improved method was better matched with the actual scene than the method estimated in the relative static state of the receiver.

Key words： subway tunnel scenario; millimeter wave transmission; time delay spread

0 引 言

室內(nèi)場景無線通信電磁波傳播的理論方法通常分為波模式理論法、有限時域差分法和射線跟蹤法等.根據(jù)波模式理論，電磁波只能匹配標(biāo)準(zhǔn)圓形橫截面隧道的邊界.有限時域差分法受到計算機運算容量的限制，只適用于體積較小的電磁空間和相對較低的工作頻率.射線跟蹤法是計算高頻電磁波傳播的一種普遍方法，不受場景輪廓的影響[1].

平均時延和均方根時延是室內(nèi)場景應(yīng)用中的重要參數(shù)，針對不同的毫米波波段和不同的室內(nèi)實驗場景，國內(nèi)外研究人員己經(jīng)開展了一定量的信道探究工作.

DAVIES等[2]通過實驗發(fā)現(xiàn)對于1.7 Hz的載頻，通信實驗室、教學(xué)實驗室和走廊這3種無線傳播環(huán)境都具有不足50 ns的均方根時延擴展，而60 GHz毫米波在這3種環(huán)境中傳播時均產(chǎn)生低于40 ns的均方根時延擴展.CAI等[3]利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）開展了基于掃頻法的毫米波室內(nèi)信道測量工作，發(fā)現(xiàn)歸一化的1 m參考距離處的接收功率在-82 dB～-70 dB范圍內(nèi)波動;對于各室內(nèi)傳播環(huán)境，實測路損因子均低于0.5.研究還表明：均方根時延擴展的取值會隨著墻面反射系數(shù)的提高而增大.GENG等[4]采用與文獻[3]相同的信道測量方案，分析了頻率對歸一化接收功率均方根時延擴展的影響.MANABE等[5]研究了接收天線的輻射方向圖和極化方式對60 GHz室內(nèi)無線毫米波信道的多徑傳播特性的影響，實驗表明：高增益的接收天線可有效降低無線信道的均方根時延擴展，若用圓極化的接收天線替代線極化的接收天線，可進一步降低均方根時延擴展.

上述文獻所列工作均僅對發(fā)射機與接收機相對靜止的室內(nèi)場景中的高頻無線通信傳播特性進行了研究，本文作者針對地鐵通信的需求，使用射線跟蹤法進行隧道場景信道建模，對地鐵通信場景中毫米波傳輸特性參數(shù)（平均時延和均方根時延）進行估計，為動態(tài)地估計通信時延提供參考.

1 系統(tǒng)模型

與室外場景不同，電磁波在隧道場景中傳播時，受隧道墻壁介質(zhì)的限制，電磁波傳播過程中的反射、散射情況更頻繁，多徑傳播效應(yīng)更加突出，圖1給出了地鐵在隧道中運行時進行無線通信的電波傳播信道模型.

1.1 相對靜止?fàn)顟B(tài)下多徑時延估計方法

1.2 運動狀態(tài)下時延估計方法的改進

2 仿真結(jié)果

仿真場景選用上海地鐵7號線的嵐皋路站至新村路站的隧道區(qū)段，隧道高7.2 m，寬12.0 m，發(fā)射端天線高6.0 m，接收端天線高6.5 m，隧道內(nèi)壁介電常數(shù)為15[8]，列車運行時速最高可達80 km·h-1，平均時速為75 km·h-1，在本研究中近似設(shè)置為20 m·s-1，最大反射次數(shù)設(shè)為12次，天線發(fā)射功率采用的是長期演進（LTE）基站的室內(nèi)基帶處理單元（BBU）和射頻拉遠單元（RRU）協(xié)同工作的額定工作功率.

按照1.1節(jié)的方法估計，在收發(fā)端相對靜止的情況下，估計得到平均時延和均方根時延，結(jié)果如圖2，3所示.

3 結(jié) 論

基于地鐵隧道的場景，使用射線跟蹤法進行信道建模，求得任意一條反射路徑的長度，得出相對于直達路徑的時間差、相位差.在收發(fā)端相對靜止的情況下，估計出平均時延和均方根時延.在此基礎(chǔ)上，考慮地鐵高速運行而產(chǎn)生的多普勒頻移，得到了收發(fā)端處于運動狀態(tài)下的平均時延和均方根時延.仿真實驗結(jié)果表明：所討論的平均時延估計改進方法更符合實際場景中時延的情況.本研究是在最大反射次數(shù)和多徑數(shù)目都確定的條件下進行的，如何估計合理的多徑數(shù)目和最大反射次數(shù)是未來要進一步研究的問題.另外，本研究建立的信道模型僅適用于近似于直線型的隧道區(qū)段，對于存在彎道或者高度差的隧道，有待進一步探索.

參考文獻：

[1] ZHANG L，BRISO C，F(xiàn)ERNANDEZ J R O，et al. Delay spread and electromagnetic reverberation in subway tunnels and stations [J].Antennas and Wireless Propagation Letters，2016，15（4）：585-588.

[2] DAVIES R，BENSEBTI M，BEACH M A，et al.Wireless propagation measurements in indoor multipath environments at 1.7 GHz and 60 GHz for small cell systems [C]//Vehicular Technology Conference. St. Louis：IEEE，2013：583-589.

[3] CAI X，YIN X，CHENG X，et al.An empirical random-cluster model for subway channels based on passive measurements in UMTS [J].Transactions on Communications，2016，64（8）：3563-3575.

[4] GENG S，KIVINEN J，ZHAO X，et al.Millimeter-wave propagation channel characterization for short-range wireless communications [J].Transactions on Vehicular Technology，2014，58（1）：3-13.

[5] MANABE T，MIURA Y，IHARA T.Effects of antenna directivity and polarization on indoor multipath propagation characteristics at 60 GHz [J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2006，14（3）：441-448.

[6] LEE W C Y.Theory and application of mobile communication engineering [M].New York：McGraw-Hill，2002.

[7] 由明昕.基于射線跟蹤法的隧道無線信道特性研究 [D].北京：北京交通大學(xué)，2016.

YOU M X.Research on radio tracking based tunnel wireless channel characteristics [D].Beijing：Beijing Jiaotong University，2016.

[8] 賈明華.地鐵隧道環(huán)境毫米波傳播特性的研究 [D].上海：上海大學(xué)，2010.

JIA M H.Study on millimeter wave propagation characteristics in metro tunnel environment [D].Shanghai：Shanghai University，2010.

[9] 葉嬌，覃添翼，李亞斌.高速移動下軌道交通無線通信系統(tǒng)的多普勒效應(yīng) [J].城市軌道交通研究，2013（2）：34-37.

YE J，TAN T Y，LI Y B.Doppler effect of radio communication system for rail transit under high speed mobile [J].Urban Mass Transit，2013（2）：34-37.

[10] 戚星宇.復(fù)雜隧道環(huán)境毫米波傳播特性仿真與實測 [D].南京：南京郵電大學(xué)，2017.

QI X Y.Simulation and measurement of millimeter wave propagation characteristics in complex tunnel environment [D].Nanjing：Nanjing University of Posts and Telecommunications，2017.

（責(zé)任編輯：包震宇，顧浩然）