[发明专利]一种高速铁路隧道无线通信信道建模方法

说明书

本发明公开了一种高速铁路隧道无线通信信道建模方法，所述高速铁路隧道无线通信信道建模方法包括以下步骤：建立铁路隧道的三维模型；在三维模型中选取发射天线和接收天线的安装位置；使用射线跟踪法计算电磁波从所述发射天线到所述接收天线的传输过程。本发明的优点是，通过对铁路隧道内的无线通信信道进行建模仿真，测试人员可以获得铁路隧道中无线电波的传播特性；根据无线电波的传播特性，设计人员可以优化铁路隧道内无线AP的数量以及布设密度，从而有效地降低了无线通信网络的造价以及维护成本。

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种高速铁路隧道无线通信信道建模方法。

背景技术

随着我国城市人口不断增加、城市化进程步入新的发展阶段，对关于包括轻轨和地铁在内的城市轨道交通的研究也日趋增加。无线通信网络作为轨道交通的配套设置也显得日益重要，但是现有技术中现阶段GSM-R系统设计主要利用基于公众移动通信的Okumuram-Hata自由空间无线传输模型，并不适合隧道环境下的无线信号传输。铁路隧道环境具有其特殊性和复杂性，无线信号在传播过程中通过反射、折射、衍射、绕射等方式，形成多条路径信号分量到达接收机，形成多径传播，导致较为严重的衰落；也会由于发射机或接收机处于移动状态而引起信道特性的变化，即多普勒效应。对于高铁隧道特定环境下无线信号传输仍未建立起科学统一的信道模型。

因此现阶段建设高速铁路隧道中的无线网络时，由于缺乏必要的理论依据；现阶段通常采用布置冗余设备的方式确保网络通信的质量；这种冗余布设的方式会大幅度增加无线通信网络的造价以及维护成本；因此有必要发明一种测试高铁隧道内的无线信号传输特性的手段，以便减少无线通信网络的设备冗余。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种高速铁路隧道无线通信信道建模方法，该方法通过对铁路隧道的内的无线电波传输过程进行仿真建模，有效地模拟了铁路隧道内无线电波的传输特性。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种高速铁路隧道无线通信信道建模方法，所述高速铁路隧道无线通信信道建模方法包括以下步骤：建立铁路隧道的三维模型；在三维模型中选取发射天线和接收天线的安装位置；使用射线跟踪法计算电磁波从所述发射天线到所述接收天线的传输过程。

使用射线跟踪法计算电磁波从所述发射天线到所述接收天线的传输过程包括以下步骤：将所述发射天线发出的球面波划分为若干个射线管；在所述铁路隧道的所述三维模型内跟踪各所述射线管在传输过程中与障碍物的交点，并计算所述障碍物造成的反射和折射对所述射线管的影响；当所述发射天线与所述接收天线之间的所述铁路隧道为直隧道时，根据各经过所述接收天线的射线管计算所述接收天线的接收功率；当所述发射天线与所述接收天线之间的铁路隧道为弯隧道时，根据各经过所述接收天线的射线管计算所述接收天线接收的平均接收功率。

计算所述接收天线的接收功率的过程中，经过所述接收天线的所述射线管包括直射的所述射线管以及经过所述铁路隧道的内表面反射的所述射线管；所述接收天线的接收功率P_r的计算公式如下所示：

其中：P_t是所述发射天线的发射功率，λ是自由空间波长，r是所述接收天线与所述发射天线之间的直达路径长度，N是经过所述接收天线的所述射线管的总数，G_d(x)是电磁波直达路径方向上的所述收发天线的增益积，r_i是收发天线之间的第i条射线管的反射路径长，是第i条射线管的反射路径上的收发天线的天线增益积；R_i是第i条射线管的反射路径上的所有反射系数乘积。

计算所述接收天线的平均接收功率的过程中，经过所述接收天线的所述射线管包括直射的所述射线管、经过反射的所述射线管以及绕射的所述射线管；接收天线接收的的平均接收功率的计算公式如下所示：