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原文传递地铁隧道环境毫米波传播特性的研究

论文题名：	地铁隧道环境毫米波传播特性的研究
关键词：	传播特性;毫米波;射线跟踪;地铁隧道环境
摘要：	准确、快速的电波传播特性预测是无线通信网络设计的关键，因此电波传播特性的研究一直是无线通信领域的研究热点。各种电波传播预测方法各有其优缺点。本论文通过对基于几何光学原理(Geometric Optical-GO)预测高频电波传播特性的射线跟踪法(Ray Tracing-RT)的分析研究，提出了两种适用于矩形截面隧道的电波传播预测模型--垂直面旋转模型及截面投影模型。这两种模型都根据几何光学原理，分别采用矢量和坐标的形式，直接得到收发天线间的路径表达式。两种方法在保证预测精度的前提下，极大地降低了射线跟踪的复杂度，提高了预测模型的效率。根据波印廷定理和能量守恒定理，按照变换前后隧道截面面积相等原则，将其它形状截面的隧道转变为矩形，然后可以将这两种方法应用到圆形、半圆形及椭圆形隧道的电波传播特性预测。论文还首次将BP网络(BackPropagation Neural Network-BPNN)引入隧道内电波传播特性预测。研究表明，该方法可以提供准确的预测结果，而且其预测时间几乎可以忽略不计，这种基于BP网络的电波传播预测模型可以在通信系统实时仿真中提供系统所需要的实时信道参数。　　此外，论文在磁浮轨道交通38GHz无线通信设备的开发与试验基础上，测量了隧道空间和准隧道空间（走廊）中38GHz电波传播的衰落特性，并测量了天线波瓣图对衰落特性的影响。依据在隧道中的实际测量数据，运用美国REMCOM公司的电波传播预测工具Wireless-Insite V2.2，进行了隧道中电波传播预测仿真，得到隧道中不同传播条件下的38GHz电波传播特性。同时依据仿真与测量的结果，分析了隧道中毫米波传播衰落及时延特性，为隧道中毫米波无线通信系统的设计提供了重要的依据。本论文主要内容如下：　　一、针对射线跟踪方法的缺点，结合矩形隧道内电波射线的规律，提出垂直面旋转法和截面投影法两个基于几何光学原理的电波预测模型。这两种模型避免了复杂的射线跟踪过程，降低了传统方法的计算机仿真复杂度，能够准确、有效地预测矩形隧道内电波传播特性。理论与仿真实验证明：通过对隧道截面的等面积变换，这两种方法同样可以适用于其它非矩形截面的隧道。　　二、隧道内电波传播是由多种因素决定的一个高度复杂的非线性系统，论文首次将BP网络理论引入隧道内电波传播特性预测。根据神经网络理论：多层前传网络(Multi-layer Feed Forward Neural Network)可以精确建立任意输入与输出之间的非线性映射关系，BP网络是一种基于误差回传算法(Back Propagation)的多层前传网络。本文通过对隧道内电波传播规律的研究，结合神经网络理论，提出了隧道中电波传播预测的BP网络模型。该模型能够快速、准确预测隧道内电波传播的损耗及时延特性，因而可以作为实时通信仿真系统的电波传播特性预测模型。　　三、设计开发了38GHz无线传输设备及38GHz车载信号强度测量系统，利用实验室标准仪器对测量系统做了测量误差校正，使系统的测量精度接近标准仪器的精度。利用设计开发的无线传输及测量设备做了不同隧道中38GHz电波传播衰落特性实验，实验了不同天线特性对电波衰落特性的影响，并对测量结果作了定性的分析。　　四、根据理论和实际测量数据分析，确定了Wireless-Insite软件仿真38GH电波在地铁隧道内传播的实验参数，在此基础上利用该软件进行了大量的仿真实验，研究了38GHz电波在地铁隧道内的传播特性以及传播环境对传播特性的影响。对实验与仿真的数据，从概率论与统计学角度，研究了电波传播的大尺度衰落、小尺度衰落特性，研究了不同大小隧道截面、不同天线间距情况下信道时延扩散特性。为设计隧道内38GHz无线通信系统提供了重要的参考依据。　　本文结合国家863项目《高速磁浮交通技术重大专项试验线工程建设与综合集成研究子课题--毫米波在特殊空间传播规律的研究》、《毫米波通信系统在隧道内传播特性测试》、《高速磁浮毫米波在隧道和穹隆站台内通信的系统性能仿真》等相关课题，从理论与实验两方面研究了隧道内（主要是地铁隧道）电波传播特性。提出的预测模型能够在不同情况下对电波传播特性得到较为准确、快速的预测结果；通过实验与仿真得到了毫米波在隧道内传播特性的一些新成果，对隧道内毫米波无线通信系统的设计具有较高的参考价值；设计的38GHz频段车载测量系统具有较高的经济价值与实用性，已在实际工程测量中发挥了重要的作用。
作者：	贾明华
专业：	通信与信息系统
导师：	郑国莘
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文