高鐵無線通信系統中的隧道信道模型

焦峰 陳克勇

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高鐵無線通信系統中的隧道信道模型

焦峰 陳克勇

廣東省電信規劃設計院有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110000

現今，高鐵有了跨越式的進步，相應地推動了高鐵通信系統的進步。高鐵中乘客較多且不斷增加通信要求，所以會生成很多無線通信數據，而這些數據傳送已經遠超出現今高鐵通信系統的承受力。為了設計與評測將來高鐵隧道無線通信體系，一個能精準描述高鐵隧道大小尺度特點的信道模型是不可缺少的。由于現今仍然缺乏準確、全方位的高鐵隧道信道模型與對應的統計特點剖析，因此對制約高鐵無線通信質量的要素及采用不同方法建模的隧道信道模型進行了簡單介紹。

高鐵；無線信道；通信系統

高鐵的迅速發展為現有的高鐵無線通信系統帶來了一些新的挑戰。隨著越來越多的乘客使用數據服務和互聯網，在高速列車上實現穩定、實時的無線數據傳輸顯得尤為迫切。由于隧道狹長的空間、隧道本身的邊界性以及產生的波導效應等，高鐵隧道中的信道特性不同于其他高鐵場景。信道是通信系統設計的基礎，設計通信系統的前提是準確識別無線信道[1]。

1 影響高鐵無線通信質量的因素

1.1 多徑衰落問題

1.2 重疊距離問題

在高鐵環境中，當移動終端接收的信號強度下降到一定值后就會造成小區的重選與切換。移動終端在一段時間內（如5?s）中測量到鄰區的信號強度要強于當前小區時，需要重選小區。在未實現順暢切換前，當信號強度下降于門限值時，移動終端將脫離無線網絡，出現掉話或數據中止。所以，依據列車的速度，可設計鄰近區間的信號疊加的距離范疇。

2 高鐵隧道內網絡架構

隧道內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中，它可以提供很好的網絡覆蓋，并且不需要專門的規劃。但是，它的安裝費用比較昂貴，且后期維護相當復雜，尤其是對于新建的中等或是很長的高鐵隧道來說。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行連接。相比泄漏電纜方案，DAS可以在網絡覆蓋、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、易于維護等優點。此外，傳統的車內用戶與外部基站直接通信的方式，帶來了一系列的通信問題。因此，需要考慮采用移動中繼技術。移動中繼技術通過在車表面安裝移動中繼來改善接收信號的通信質量，并且用來解決參差不齊的網絡覆蓋、減少信號的穿透損耗等。此外，相關研究表明MIMO技術可以用于提高隧道內傳播信道的信道容量。DAS、MRS以及MIMO技術的相互結合，可以用于滿足隧道內連續、高質量的通信需求。

3 高鐵隧道模型的建模方法

3.1 高鐵隧道信道測量

高鐵隧道場景信道建模，總結了一些現今已經展開的隧道信道測量工作，匯總了鑒于不一樣建模方式的信道模型，并列舉了現今的隧道信道特點。聯合高鐵隧道場景的有限可視性、空間狹長性特征以及生成的波導效應等，我們重點從下述層面展開高鐵隧道信道建模工作。

首先，思考俯仰角的作用，越加形象、精準的描述高鐵三維（3Dimentional，3D）隧道信道模型，補充了現有的二維（2Dimentional，2D）信道模型的漏洞。其次，引入高鐵隧道信道不是太穩定。接收端的快速移動會帶來更大的多普勒頻移，這讓以往的信道廣義平穩的假證不成立[3]。之后，思考到隧道里存有很多的反射、散射等傳播體制，我們第一次使用單次反射（Single-bounced，SB）和多次反射（Multiple-bounced，MB）相聯合的辦法來傳送建模隧道里的信號。最后，重點探究小尺度信道特點。現有的隧道信道建模關鍵以大尺度衰落探究為主，簡化了小尺度衰落特點剖析。可是小尺度衰落特點對于無線系統的設計也是相當關鍵的，所以不可忽略。

3.2 波導信道模型

將隧道的幾何形狀與所利用材料的電特性考慮在內，無線波在隧道里傳播可被模擬成類似于波導里的傳播。當載波頻率大于幾百MHz時，隧道里將產生波導效應，因隧道特殊的構造，將會生成很多反射與散射成分，進一步產生波導效應。波導模型是將隧道當成一個矩形來看待，借助模式論的辦法來對隧道里的無線波傳播進行描述。所講的模式又稱為橫模，主要對波導斷面里的場分布狀況加以描述。一般狀況下在隧道里有兩種傳播方式，分別為橫向電模式與橫向磁模式。每一種模式都有一個截止頻率。當通信頻率比截止頻率高時，就會保留下這些模式。此時，隧道里的場分布可當成保留下來的模式加權。越靠近場區越會有很多的電磁波模式，導致信號衰弱得較快。如果距離變長，高階模式也會減速，在遠場區發揮關鍵作用的是低階模式。波導模型可用來創建隧道中遠場區的信號傳送模型，而不適用于建模近場區多模共存的狀況。所以，波導模型要聯合另一種建模多模情況的模型，構成一個完整的隧道信道模型。隨著通信頻率的加大，通信頻率可能會高于大部分模式的截止頻率。此外，當火車在隧道中運行時，隧道本身也會對場分布產生一定的影響。因此，在較高通信頻率下的多模傳輸和車身影響問題需要進一步的研究。

3.3 全波模型

全波模型采用有限差分技術，通過數值方法求解Maxwell方程得到。借助Maxwell方程在空域和差分時域上的處理辦法，運算空間中的電磁場，交替更新時域來描述電磁場的改變，并展開數據運算。此辦法可直接模擬電磁場分布，具備極高的精度。除了最大限度運用有限差分法外，麥克斯韋方程還可以通過其他方法求解，如矩法、有限元法和向量拋物線方程法。有限差分法關鍵用于求解偏微分方程，思考到反射、散射、衍射等要素的作用，可探究繁雜環境下的電磁波傳播。力矩法關鍵用于散射，體積積分方程的崩潰。利用矩量法，將算子方程表示為矩陣形式，通過求解矩陣得到電磁場。有限單元法常用于求偏微分方程的近似解。利用矢量拋物線方程法運算直道和彎道的電磁場分布，但鑒于此辦法的隧道模型運算繁雜度較大。

3.4 高鐵隧道射線追蹤模型

對隧道信號傳送形成制約的因素有：載波頻率、隧道尺寸、隧道形狀等，通過剖析這些參數就可改良傳送功效。從建模的層面來講，隧道的規格與形狀都會對隧道里信號的傳送形成一定的制約性，給出了以幾何特性為基礎的隨機信道模型。隧道空間呈長方形或馬蹄形，可想象成一個長方體傳播空間，在其封閉的長方體隧道內壁上擁有大量的散射體。聯合WINNER模型的建模形式與隧道里的構造特點，在隧道里形成一連串的散射體分布于其中。

4 結語

高鐵隧道場景信道測量與建模相關的綜述，依據不一樣的載波頻率、隧道參數、天線配置等，描述了現今的一些隧道測量活動，之后依據不一樣的建模方式，分類歸納了一些現有的隧道信道模型。

[1]鐘章隊，錢金龍. 高速鐵路環境下多輸入多輸出信道容量分析[J]. 中國鐵道科學，2013，34（1）：13.

[2]羅萬團，方旭明. 高速列車車載多天線系統傳輸方案及容量分析[J]. 通信學報，2013，34（3）：90-98.

[3]劉留，陶成. 高速鐵路無線信道測量與信道模型探討[J]. 電信科學，2013，27（5）：5.

Tunnel Channel Model in High-Speed Rail Wireless Communication System

Jiao Feng Chen Keyong

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

Today, the high-speed rail has made leap-forward progress, which has promoted the progress of the high-speed rail communication system. There are a lot of passengers in the high-speed rail and the communication requirements are constantly increasing, so a lot of wireless communication data will be generated, and these data transmissions have far exceeded the tolerance of today’s high-speed rail communication system. In order to design and evaluate the future high-speed rail tunnel wireless communication system, a channel model that accurately describes the characteristics of the high-speed rail tunnel size is indispensable. Due to the lack of accurate and comprehensive high-speed rail tunnel model and corresponding statistical features, the elements that restrict the quality of high-speed rail wireless communication and the tunnel channel model modeled by different methods are briefly introduced.

high-speed rail; wireless channel; communication system

U285.2；TN92

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