高铁无线通信系统中的隧道信道模型

焦峰 陈克勇



高铁无线通信系统中的隧道信道模型

焦峰 陈克勇

广东省电信规划设计院有限公司沈阳分公司，辽宁 沈阳 110000

现今，高铁有了跨越式的进步，相应地推动了高铁通信系统的进步。高铁中乘客较多且不断增加通信要求，所以会生成很多无线通信数据，而这些数据传送已经远超出现今高铁通信系统的承受力。为了设计与评测将来高铁隧道无线通信体系，一个能精准描述高铁隧道大小尺度特点的信道模型是不可缺少的。由于现今仍然缺乏准确、全方位的高铁隧道信道模型与对应的统计特点剖析，因此对制约高铁无线通信质量的要素及采用不同方法建模的隧道信道模型进行了简单介绍。

高铁；无线信道；通信系统

高铁的迅速发展为现有的高铁无线通信系统带来了一些新的挑战。随着越来越多的乘客使用数据服务和互联网，在高速列车上实现稳定、实时的无线数据传输显得尤为迫切。由于隧道狭长的空间、隧道本身的边界性以及产生的波导效应等，高铁隧道中的信道特性不同于其他高铁场景。信道是通信系统设计的基础，设计通信系统的前提是准确识别无线信道[1]。

1 影响高铁无线通信质量的因素

1.1 多径衰落问题

1.2 重叠距离问题

在高铁环境中，当移动终端接收的信号强度下降到一定值后就会造成小区的重选与切换。移动终端在一段时间内（如5 s）中测量到邻区的信号强度要强于当前小区时，需要重选小区。在未实现顺畅切换前，当信号强度下降于门限值时，移动终端将脱离无线网络，出现掉话或数据中止。所以，依据列车的速度，可设计邻近区间的信号叠加的距离范畴。

2 高铁隧道内网络架构

隧道内采用两种方案来提供无线覆盖，即泄漏电缆和DAS。泄漏电缆目前被广泛用于高铁隧道通信系统中，它可以提供很好的网络覆盖，并且不需要专门的规划。但是，它的安装费用比较昂贵，且后期维护相当复杂，尤其是对于新建的中等或是很长的高铁隧道来说。相比之下，DAS更具吸引力。在DAS中，所有的天线元素按一定的间隔放置，并通过有线或光纤进行连接。相比泄漏电缆方案，DAS可以在网络覆盖、容量方面提供较大的增益，通过在不同位置放置不同的天线元素来提供较大的空间分集抵抗衰落，具有安装迅速、易于维护等优点。此外，传统的车内用户与外部基站直接通信的方式，带来了一系列的通信问题。因此，需要考虑采用移动中继技术。移动中继技术通过在车表面安装移动中继来改善接收信号的通信质量，并且用来解决参差不齐的网络覆盖、减少信号的穿透损耗等。此外，相关研究表明MIMO技术可以用于提高隧道内传播信道的信道容量。DAS、MRS以及MIMO技术的相互结合，可以用于满足隧道内连续、高质量的通信需求。

3 高铁隧道模型的建模方法

3.1 高铁隧道信道测量

高铁隧道场景信道建模，总结了一些现今已经展开的隧道信道测量工作，汇总了鉴于不一样建模方式的信道模型，并列举了现今的隧道信道特点。联合高铁隧道场景的有限可视性、空间狭长性特征以及生成的波导效应等，我们重点从下述层面展开高铁隧道信道建模工作。

首先，思考俯仰角的作用，越加形象、精准的描述高铁三维（3Dimentional，3D）隧道信道模型，补充了现有的二维（2Dimentional，2D）信道模型的漏洞。其次，引入高铁隧道信道不是太稳定。接收端的快速移动会带来更大的多普勒频移，这让以往的信道广义平稳的假证不成立[3]。之后，思考到隧道里存有很多的反射、散射等传播体制，我们第一次使用单次反射（Single-bounced，SB）和多次反射（Multiple-bounced，MB）相联合的办法来传送建模隧道里的信号。最后，重点探究小尺度信道特点。现有的隧道信道建模关键以大尺度衰落探究为主，简化了小尺度衰落特点剖析。可是小尺度衰落特点对于无线系统的设计也是相当关键的，所以不可忽略。

3.2 波导信道模型

将隧道的几何形状与所利用材料的电特性考虑在内，无线波在隧道里传播可被模拟成类似于波导里的传播。当载波频率大于几百MHz时，隧道里将产生波导效应，因隧道特殊的构造，将会生成很多反射与散射成分，进一步产生波导效应。波导模型是将隧道当成一个矩形来看待，借助模式论的办法来对隧道里的无线波传播进行描述。所讲的模式又称为横模，主要对波导断面里的场分布状况加以描述。一般状况下在隧道里有两种传播方式，分别为横向电模式与横向磁模式。每一种模式都有一个截止频率。当通信频率比截止频率高时，就会保留下这些模式。此时，隧道里的场分布可当成保留下来的模式加权。越靠近场区越会有很多的电磁波模式，导致信号衰弱得较快。如果距离变长，高阶模式也会减速，在远场区发挥关键作用的是低阶模式。波导模型可用来创建隧道中远场区的信号传送模型，而不适用于建模近场区多模共存的状况。所以，波导模型要联合另一种建模多模情况的模型，构成一个完整的隧道信道模型。随着通信频率的加大，通信频率可能会高于大部分模式的截止频率。此外，当火车在隧道中运行时，隧道本身也会对场分布产生一定的影响。因此，在较高通信频率下的多模传输和车身影响问题需要进一步的研究。

3.3 全波模型

全波模型采用有限差分技术，通过数值方法求解Maxwell方程得到。借助Maxwell方程在空域和差分时域上的处理办法，运算空间中的电磁场，交替更新时域来描述电磁场的改变，并展开数据运算。此办法可直接模拟电磁场分布，具备极高的精度。除了最大限度运用有限差分法外，麦克斯韦方程还可以通过其他方法求解，如矩法、有限元法和向量抛物线方程法。有限差分法关键用于求解偏微分方程，思考到反射、散射、衍射等要素的作用，可探究繁杂环境下的电磁波传播。力矩法关键用于散射，体积积分方程的崩溃。利用矩量法，将算子方程表示为矩阵形式，通过求解矩阵得到电磁场。有限单元法常用于求偏微分方程的近似解。利用矢量抛物线方程法运算直道和弯道的电磁场分布，但鉴于此办法的隧道模型运算繁杂度较大。

3.4 高铁隧道射线追踪模型

对隧道信号传送形成制约的因素有：载波频率、隧道尺寸、隧道形状等，通过剖析这些参数就可改良传送功效。从建模的层面来讲，隧道的规格与形状都会对隧道里信号的传送形成一定的制约性，给出了以几何特性为基础的随机信道模型。隧道空间呈长方形或马蹄形，可想象成一个长方体传播空间，在其封闭的长方体隧道内壁上拥有大量的散射体。联合WINNER模型的建模形式与隧道里的构造特点，在隧道里形成一连串的散射体分布于其中。

4 结语

高铁隧道场景信道测量与建模相关的综述，依据不一样的载波频率、隧道参数、天线配置等，描述了现今的一些隧道测量活动，之后依据不一样的建模方式，分类归纳了一些现有的隧道信道模型。

[1]钟章队，钱金龙. 高速铁路环境下多输入多输出信道容量分析[J]. 中国铁道科学，2013，34（1）：13.

[2]罗万团，方旭明. 高速列车车载多天线系统传输方案及容量分析[J]. 通信学报，2013，34（3）：90-98.

[3]刘留，陶成. 高速铁路无线信道测量与信道模型探讨[J]. 电信科学，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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