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原文传递高铁隧道内多天线信道建模与容量分析

论文题名：	高铁隧道内多天线信道建模与容量分析
关键词：	高铁隧道;通信系统;信道建模;容量分析;无线覆盖;漏泄电缆
摘要：	近年来随着高速铁路的快速发展，人们对高速铁路的通信需求也日益增加，中国高速铁路将率先部署基于第五代移动通信的铁路专用系统（5th Generation Mobile Communication-Railway，5G-R），提高高铁用户的通信服务质量。高铁在实际运行过程中会经历诸多场景，如高架桥、隧道和路堑等场景。高铁隧道场景由于自身的结构特点，其信道特性和其他高铁场景都有所不同。为了合理地设计和评估高铁隧道场景的通信系统，一个能准确描述隧道信道特性的信道模型是不可或缺的。考虑到隧道信道建模的高需求，本文基于高铁隧道场景对信道建模方案进行了一系列研究，基于漏泄电缆为无线覆盖方案建立了几何单跳多输入多输出（Geometrically Based Single Bounced Multiple Input Multiple Output，GBSB-MIMO）信道模型，基于分布式无线远端单元（Remote Antenna Unit，RRU）和车载移动中继（Mobile Relay Station，MRS）为无线覆盖方案建立了几何单跳分布式多输入多输出（Geometrically Based Single Bounced Distributed Multiple Input Multiple Output，GBSB-DMIMO）信道模型。　　本文采用漏泄电缆建立了隧道场景的GBSB-MIMO模型，通过将隧道模拟为矩形来确定传播边界，并通过引入到达水平方位角和到达俯仰方位角联合隧道的有限传播空间确定散射簇位置，采用单跳模型来模拟非直射路径，较好地模拟了隧道非直射传播特性。基于漏泄电缆的电场分布推导了信道冲击响应，并分析了漏泄电缆间距和莱斯因子对模型信道性能的影响。研究结果表明，随着漏泄电缆间距的增加，信道容量会呈现一个先上升再下降再上升的过程，信道矩阵条件数呈现一个先下降再上升再下降的过程。莱斯因子的影响体现于漏泄电缆间距变化对信道性能波动的大小，莱斯因子较小时，漏泄电缆间距对信道性能的影响较小，莱斯因子较大时，漏泄电缆间距的变化会引起信道性能产生较大的波动。　　传统的高铁隧道通信系统一般采用漏缆作为无线覆盖方案，但是其系统频谱效率受到部署的限制，难以得到显著的提升。采用分布式微站覆盖协作传输是提高系统容量的有效途径。为了研究高铁隧道内分布式多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）无线通信系统，需要建立能够准确描述高铁隧道场景的分布式MIMO信道模型。针对这一问题，本文建立了一种支持车载部署多个MRS以及隧道内部署多个RRU的GBSB-DMIMO模型。模型将隧道场景抽象为矩形，假设散射簇分布在矩形边界上，并采用冯米瑟斯分布模拟水平到达角和俯仰到达角，从而根据隧道边界确定散射簇位置，通过单跳模型来模拟信号传播的非直射路径。该模型考虑了信号传播过程中的路径损耗，阴影衰落，多径效应以及高铁的高速移动带来的多普勒效应，是一个兼具大尺度衰落和小尺度衰落的模型。在此模型下，本文针对分布式MIMO系统进行了仿真评估。仿真结果表明，该模型良好地反应了隧道内衰落特性，展示了分布式MIMO系统的信道容量方面的优势，信道容量显著提高并且更加稳定。
作者：	路昊澎
专业：	电子与通信工程
导师：	宋铁成
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2022