高铁隧道无线通信系统中的信道测量与建模综述

陈克勇 焦峰

高铁隧道无线通信系统中的信道测量与建模综述

陈克勇 焦峰

广东省电信规划设计院有限公司沈阳分公司，辽宁 沈阳 110000

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。一个准确描述隧道信道特性的信道模型，对高铁通信系统的设计和评估意义重大。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的高铁场景。

高铁隧道；无线通信系统；信道测量；建模综述

引言

隧道信道的一些特性目前还没有被充分研究。本文全面综述了高铁隧道无线通信系统中的信道测量与建模。

1 高铁无线通信覆盖的典型类型

1.1 公网覆盖

公网覆盖即在不增加新的基站以及不增加其他类型设备的情况下，通过重复利用沿线既有的站点进行组网，达到无线通信的目的[1]。当然，这种方式需要使用既有站点，还要承担周边非高铁相关用户的通信任务。通过使用公网覆盖可以很好地实现对铁路初期投资的控制，而且不需要较长时间的施工周期，在一定程度上缩短了建设周期。但是，其依然存在着由于覆盖范围受限而不能对铁路进行全线覆盖的问题，而且因为最初容量受限而不能在乘坐率很高的情况下满足所有的通信请求，从而使得高铁用户的体验度受限。

1.2 专网覆盖

专网覆盖就是通过建设专门的网络用来实现高铁的无线通信需要的一种组网方式[2]。建立的专网完全独立于公网的基站、传输设备、反馈系统等，而且设置过程中不需要考虑公网的既有原频点、位置区域的划分以及其他相关的技术要求，实现了多变的组网方式，而且能够确保整个组网方式更加灵活，提高高铁无线通信的质量，但是建设投入成本较高。

1.3 公网与专网相结合的方式

为了实现高铁无线通信，采用专网建设的方式是必经途径，但是在某种情况下，由于专网组建的成本要远远高于使用铁路沿线既有的公网进行覆盖建设的成本，因此在适当的条件下可以考虑公网与专网结合的方式进行[3]。从无线网络服务的整体质量角度来看，运营商必须通过加大对专网的建设投入力度，提高高铁用户的使用体验。对于一些地理环境恶劣的区域，专网覆盖是唯一的通信覆盖途径。但是，在一些公网信号覆盖较好的区域，例如火车站、市区等地方，则可以根据公网的具体情况进行合理设置[4]。

2 高铁隧道信道测量

2.1 隧道测量设置

现今的高铁隧道信道测量，关键倾向一单输入输出天线配置。为了达到数据传送不断增多的要求，多输入多输出系统是不可缺少的，应借助MIMO技术来提高信道容量的可行性。所以，越多地利用MIMO系统的隧道信道测量工作是人们所期待的。

2.2 隧道内近场和远场区

无线信号在隧道里传送时，可依据所在的“断点”将隧道空间大概划分为两个区域，即远近区不一样的传播区域要有不一样的信道模型来描述。隧道信道的统计特点包括路径损耗、阴影衰落和一些小尺度衰落特性。

2.3 隧道内典型的传播区域

一般地，传统高铁通信场景中直射路径所占的比重很大。在隧道中，由于隧道场景的密闭性，反射波可以极大程度地保留下来并占据接收信号的绝大部分。考虑到隧道内因反射导致的长时延特性，针对不同区域开展了测量活动，并分析了簇的时延特性。隧道内的传播区域大致可分为3种，即直射区、非直射区与远直射区。当接收端距离发送端非常近时，直射区出现；火车驶离发送端时，直射区消失，相应地，非直射区出现；当火车距离发送端很远时，远直射区出现。随着隧道内传输距离的增加，直射径消失。与此同时，隧道中保留了大量的反射信号。这些反射会导致时延簇，此时在非直射区服从广义极值分布，在远直射区服从有界Johnson分布。

2.4 隧道内无线信号传播的影响因素

相较于高铁场景，隧道里的电磁波传播会产生较多的反射、散射与衍射等。一些有关参数，如隧道尺寸、隧道形状、隧道墙壁的电磁特性和表面粗糙程度、收发天线的位置和辐射方式等，均会多少影响到隧道里无线信号的传播[5]。隧道的横截面也会影响传播信号的衰减，并且伴随信号频率的增加。这种影响更为明显。隧道表面的粗糙程度及隧道墙壁的电磁特性，也会影响隧道内无线信号的传输。

3 高铁隧道信道模型

3.1 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。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。

3.2 高铁隧道模型的建模方法

3.2.1射线追踪模型

射线追踪技术被广泛应用于预测有限空间中的无线电波传播。射线追踪模型可以用于预测接收端的路径损耗和隧道内的信号时延等。鉴于几何光学与一致性绕射理论，隧道里收到的信号可当成一连串隧道墙壁反射与隧道边沿衍射的射线的叠加。不一样相位的射线叠加可造成接收信号顺着距离的功率而产生变化，并且可深入来探究隧道里的信号传播预测。

3.2.2波导信道模型

考虑隧道的几何形状和隧道材料的电特性等，无线波在隧道内传播可以被建模为类似在波导内的传播。当载波频率高于几百MHz时，隧道中将出现波导效应。由于隧道独特的结构，将会产生大量的反射和散射成分，进而产生波导效应。

3.2.3全波模型

全波模型利用有限差分技术，通过数值法解Maxwell方程得出，是现今利用最多的一种明确性的信道建模方式。此办法通过将Maxwell方程组分别在空域和时域上实施差分处理，来交替运算出空间中的电磁场，再通过时域上的更新来描述电磁场的变化，进一步展开数值运算。此办法可直接模拟电磁场分布，具备极高的精度。

3.2.4混合模型

现今有大量的手段可用于建模隧道中的电波传播。每一种手段都有不同限度的优缺点，为了使优势能充足互补，一些探究者开始探究混合信道模型。使用几何光学模型与波导模型相联合的建模思维，研发了大量的模型。通过使用模式匹配办法，将几何光学模型中的射线与其他模式相叠加，描述了远近场区的电磁波传播，并且深入剖析了隧道信道的一些特点。

4 结论

依据不一样的载波频率、隧道参数、天线配置等，描述了现有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，介绍了一些大尺度和小尺度衰落信道特性。

[1]李养民. 高铁隧道公网无线覆盖方案选择与建设问题探讨[J]. 铁道通信信号，2018，54（1）：72-74.

[2]刘玉，Ammar GHAZAL，王承祥，等. 高铁隧道无线通信系统中的信道测量与建模综述[J]. 中国科学：信息科学，2017，47（10）：1316-1333.

[3]蒋勇. LTE-FDD高铁隧道覆盖方案探讨[J]. 广东通信技术，2016，36（5）：46-51.

[4]黄国晖，吴昊. 高铁隧道覆盖中的“POI+泄漏电缆”解决方案[J]. 中国新通信，2010，12（9）：76-82.

[5]张双健，吴寿庄. 地面无线通信信号覆盖地铁的研究和实践[J]. 城市轨道交通研究，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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