文摘

随着的增加使用先进的无线电通信系统的工作频率,隧道内近区域大幅延长,甚至占据了整个传播细胞或整个长度的短隧道。本文分析模型的传播机制及其近区域的划分点任意横截面隧道首次。首先,由于自由空间的传播损失机制和多模波导机制进行建模,分别。然后,通过结合地使用传播理论和三维立体几何,本文提出了一种通用模型两种传播机制之间的分隔点。值得提及,这个模型可以应用在任意横截面隧道。此外,一般的划分点模型中指定的矩形,圆形,分别和拱形隧道。五组的测量是用来证明该模型在不同隧道在不同频率。最后,为了便于模型的使用,简化解析解为划分点在五个特定的应用程序的情况下。本文结果有助于加深了解隧道中的传播机制。

1。介绍

有效的传播预测模型属性在隧道是高度要求先进的无线电系统的设计和规划阶段。为了描述隧道内的传播特性,在过去的四十年里提供的大多数模型显示,有一个“临界距离”[1,2),通常称为断点(1- - - - - -3]。断点是近区域之前,高阶模式意义重大;引导传播尚未完善,因此,信号遭受更大的损失。far-region断点后,高阶模式已被大大减弱;引导传播已经稳定,经历了一个更小的损失(2,4- - - - - -6]。

的距离发射机所表达的断点是(1] 在哪里,,,表示近区域的长度,宽度和高度的矩形隧道,以及信号波长米。这个公式可以应用在拱形和圆形隧道情况下的电磁场分布和衰减模式在拱形和圆形隧道几乎一样的矩形隧道(7]。请注意,波长成反比。

通过回顾无线通信系统的发展,我们可以发现产生的隧道内近区域延长大大增加的工作频率。在大众传播领域,代表系统可以列为GSM(全球移动通信系统),3 g(第三代),wi - fi(无线保真)和WiMAX(微波存取全球互操作性)。他们的频率900/1800 MHz, 2 GHz, 2.4/5 GHz, 3.8 GHz, 5.7 GHz,分别和5.8 GHz。通过假设的最大宽度和高度的等效矩形隧道15米,这是非常普遍的双轨地铁隧道、铁路隧道、(1)计算近区域的长度在每个系统675/1350米,1500米,1800/3750米,2850米,4275米,4350米,分别。专用的通信领域,可能是利乐(地面无线通信)8gsm - r(全球移动通信系统),为铁路)(9),CBTC沟通建立列车控制系统(10],短距离(专用短程通信)(11]。他们的频率400 MHz、900 MHz 2.4 GHz,分别和5.8/5.9 GHz。相应的附近区域可以300米,675米,1800米,分别和4350/4425米。这个伟大的变化揭示了近区域这一事实可能会占据大部分的传播细胞在高频率。特别是在一些短隧道或高可靠的系统,需要一个温和的重叠的发射器,整个细胞甚至可能只是近区域传播。然而,并没有一致的共识,然而,在近区域的传播。一些研究人员倾向于解释断点之前的传播与单一射线(自由空间)理论6,12,13),而其他人认为它应该多模波导模式所描述的1,2,14]。事实上,大不了的证据证明了自由空间机制应该建立后首先和多模传播机制。因此,为了清楚地揭示出其传播机制局势近区域,有必要模型的准确位置两种机制之间的分隔点。介绍了一种新颖的通用分析模型,可以用于任意横截面隧道。

2。建模的传播机制及其划分点

2.1。几何建模为矩形、圆形、拱形隧道

一般来说,矩形、圆形、拱形隧道覆盖几乎所有的实际应用情况。一个广泛的比较理论和实验结果允许我们显示共极的字段的变化一个拱形隧道可以足够精确地预测使用模态理论和假设一个矩形隧道(15]。与此同时,他们在圆波导场分布和衰减的模式几乎一样的矩形波导(16]。因此,在分析多模波导的传输损耗,隧道的横截面是视为一个等效矩形的宽度和高度的。笛卡儿坐标系统设置与它的起源位于矩形隧道的中心。

对于一个拱形的隧道,等效矩形波导的尺寸,用于模型可以计算通过主水平维度靠近隧道的地板尺寸和计算竖直维度使用“经验法则”,也就是说, 在哪里是穹窿/墙的圆的半径。这种理想化的几何是常见的在现代公路、铁路隧道(17]。在一个圆形隧道,,在那里是横截面半径的圆的半径。

2.2。在不同的传播机制传播损耗

2.2.1。自由空间传播的传播损耗部分

相邻地区的发射机天线,光线的入射角度在墙上(垂直、水平和圆形)高导致高反射射线衰减,而直接和反射射线路径差异也可能会导致额外的衰减;因此,只有直接射线明显导致接收信号的强度。频道损失这部分遵循自由空间损耗衰减(18] 在哪里发射机和接收机之间的距离在米是信号的波长。

2.2.2。多模波导的传输损耗

根据模态理论,一个等效矩形隧道可以被视为一个超大号的不完美的空心矩形波导。自从超高频远远高于截止频率的基本模式是非常低的,范围广泛的多种模式传播自由空间段结束时(12]。

采用模态理论,衰减常数的一般表达水平和垂直极化模式在不同隧道(19),如圆形隧道、矩形隧道、拱形隧道,椭圆形隧道,可以由等等 在哪里和表示的最大宽度和高度,分别;是一个系数,其值变化不同的形状的隧道(20.]:矩形隧道,;圆形隧道,;拱形隧道,。和相对介电常数为垂直和水平的墙,混凝土的典型值:(1]。

除了几何的隧道,隧道的墙壁粗糙度对传输损耗的影响。因此,引入衰减由于粗糙度(2)是参与模式。最后,多模波导的传输损耗部分可以通过考虑偏振和墙壁的粗糙度; 在哪里是均方根粗糙度。

2.3。建模为划分点不同的传播机制之间任意横截面隧道

为了澄清传播机制的情况下,有必要模型准确的位置划分点自由空间传播段和多模波导段。

的基础上,分析隧道内的传播过程,它可以知道的第一菲涅耳带是切线隧道的墙壁是两种机制之间的分隔点。然而,它的定位不是一件容易的工作。自从第一菲涅耳带之间的交互和墙上取决于很多因素,例如发射机和接收机的位置,隧道的尺寸,工作频率,计算时间将无法忍受如果所有的元素被认为是当我们跟踪的相互作用及其变化规律。因此,需要找到一个简单的参数代表的互动。

根据几何,很容易确定切线之间的距离/曲线(最大菲涅耳波带板和墙)和中间点(发射机和接收机之间的视线)。如果这个距离大于最大的半径第一菲涅耳波带片,第一菲涅耳带几乎可以被视为清楚。我们必须承认,在这种情况下,一些地区在第一菲涅耳带仍可能被阻塞。但自从第一菲涅耳带是一个扁平的椭球体,这种轻微的障碍不会导致许多有效的反射射线或明显的衍射损失。因此,自由空间传播模型仍然可以工作。当这个距离小于半径,这意味着即使第一菲涅耳带最宽的部分是封锁,更严重的阻塞发生在其他地区。因此,这个距离和半径之间的相对关系可以用来反映第一菲涅耳带和墙之间的交互。此外,分裂点的位置可以推导出当距离和半径相等。

图1说明了具体的建模过程的流程图。第一步是几何模型任意横截面隧道和所有相关组件。图2描述了三维几何原理图的任意横截面隧道,发射机,接收机,视线,最大第一菲涅耳带。

根据三维立体几何,任意横截面隧道表面由一组平面和曲面的坐标,,满足以下方程 的坐标发射机、接收机和中间点发射机和接收机之间的视线,,;他们的关系是表达的 然后,最大的菲涅耳区平面可以表达的平面一般类型 因此,最大的菲涅耳区平面之间的交叉和表面隧道是一条曲线或一条线,可以写的 第一个方程定义为一个函数通过 第二个方程定义为一个函数。

为了找到之间的最小距离十字路口(行/曲线)和中间点的视线,采用拉格朗日乘数法求极值。构造一个函数如下: 在哪里,拉格朗日乘数法。通过寻求的偏导数,,分别(11可以转化为)

通过寻求同时解决方案(12),交点的坐标的最小距离可以得到:。因此,之间的最小距离和十字路口(行/曲线)之间的最大的菲涅耳区平面和表面隧道可以表示为 传播理论的基础上,确定第一菲涅耳带的半径 在哪里表示之间的距离发射机的视线之间的交互和第一菲涅耳带表示接收机之间的距离和交互。当交互中间点,。此时,半径得到第一菲涅耳带的最大价值 传播理论表明,自由空间损耗信道模型可以应用如果第一菲涅耳带是完全免费的,没有任何障碍。因此,如果只有墙上隧道可以感动的最大第一菲涅耳带两种传播机制位于之间的分隔点这是最小的积极的真正根源 因此,可以表达的 这意味着最大第一菲涅耳带触摸表面吗的隧道。

然而,事实上,有完全任意横截面隧道的墙壁可以切最大第一菲涅耳带。因此,位于分割点当最大第一菲涅耳带触摸任何墙壁。因此,位于分割点 这意味着最大第一菲涅耳带触摸表面的任何一个隧道。

3所示。分裂点模型验证在矩形、圆形和拱形隧道

从理论上说,可以使用通用模型在任意横截面隧道用各种参数。在这里,我们给的具体模型和相应的验证主要类型的隧道在现实中(矩形、圆形、拱形隧道),分别。

3.1。在矩形隧道划分点模型

图3展示了传播在一个矩形隧道第一菲涅耳带间隙。在一个矩形隧道、两架垂直墙壁和两个水平可能阻碍第一菲涅耳带;因此,用以下功能:(我)左垂直墙:;(2)正确的垂直墙:;(3)上限:;(iv)楼:;(6),,,,相应的最小距离左边的相交线垂直墙,对垂直墙壁,天花板,地板可以获得。通过使用(16),分割点的位置,,,,对应于最大的触摸左边第一菲涅耳带和墙壁,墙壁,天花板,和地板的矩形隧道,分别可以派生 然后,两个传播机制之间的分割点在一个矩形隧道位于:

为了验证模型的性能在矩形隧道,一组在最长的隧道测量的新的450公里的高铁线路从马德里到Lleida在西班牙1]:,,,,,,,,。通过寻求最小正实根的同步的解决方案(12),结果在每个表面交点的坐标点的最小距离矩形隧道:,,,。通过求解(16)和(17),,,,。因此,根据(18),位于分割点在这种情况下。比较结果如表所示1。

3.2。在环形隧道划分点模型

图4说明了环形隧道内的传播与第一菲涅耳带间隙。在圆形隧道,圆形的墙壁可能阻碍第一菲涅耳带;因此,通过用以下功能:

(我)圆墙:(6),相应的最小距离上的相交曲线圆墙可以获得。通过使用(16),分割点的位置对应于最大的接触第一菲涅耳带和圆形隧道墙可以获得 然后,在环形隧道机制之间的分割点定位:

为了验证模型的性能在圆形隧道、两组实验连续3.5公里长的隧道在法国中南部的地块中央报告(21)已经被使用。在这些测量相关参数引用如下:(我)第一组的测量(21]:,,,,,,。(2)第二组的测量(21]:,,,,,,。

在第一组的情况下,通过寻求同时解决方案(12),最小正实根交点的坐标的最小距离在隧道测量:。通过求解(16)和(17),。因此,根据(18),位于分割点。在第二组,,。所有的比较结果如表所示1。

3.3。在拱形隧道划分点模型

主要有两种类型的拱形隧道。“I型”包括三个平面墙和一个拱形的屋顶;“二型”包括拱形墙和屋顶,但飞机地板,更像一个半圆。数据5和6证明了两种类型的拱形隧道横断面几何。值得注意的是这两个拱形隧道“I型”和“二型”可以被视为一个圆形隧道和一个矩形隧道,但在不同的配置。因此,划分点可以独立建模在环形隧道和矩形隧道,然后由其特定的组合。

图5显示了拱形隧道内的传播“I型”第一菲涅耳带间隙。在“我”类型,两个垂直的墙壁和地板上的矩形隧道以及拱形屋顶的圆形隧道可能阻碍第一菲涅耳带;因此,通过用屋顶的功能,墙壁和地板(6):(我)左垂直墙:;(2)正确的垂直墙:;(3)楼:;(iv)拱形屋顶:; ,,,相应的最小距离十字路口(行/曲线)的拱形屋顶,左/右墙和地板。采用(17),分割点的位置,,,对应于最大的接触第一菲涅耳带和每一个拱形隧道可以推导出墙 因此,拱形隧道内部的分裂点位于“I型”:

图6说明了拱形隧道内的传播“II型”第一菲涅耳带间隙。在“II型”,只有地上的矩形隧道和拱形顶/墙在环形隧道可能阻碍第一菲涅耳带;因此,用拱形屋顶和地板上的功能(6):(我)楼:;(2)拱形屋顶:;

和相应的最小距离十字路口(行/曲线)拱形顶/墙和地板上。然后,将点的位置和对应于最大的接触第一菲涅耳带和每一个墙可以派生 拱形隧道内部的分裂点位于“II型”:

两组测量运动已被用于验证模型在拱形隧道。(我)第一批收到的信号强度测量执行在一个铁路隧道典型的欧洲在400 MHz。隧道长520米,最初为铁路工程,但线路被关闭,它现在被行人和骑自行车的人12]:,,,,,,,,。通过联合解决(12),交点的坐标的最小距离在拱形隧道可以推导出:,。通过求解(16)和(17),,。因此,划分点位于。(2)第二组进行测量的双车道公路隧道连接奥地利和斯洛文尼亚在400 MHz。隧道被关闭在一个方向上,而第二个车道(运作正常12]:,,,,,,,。通过寻求同时解决方案(12),交点的坐标的最小距离可以得到:,。所以,,。方程(18)表明分裂点定位,这意味着最大第一菲涅耳带触摸的屋顶拱形隧道。

3.4。验证结果

表1说明了全球对比的结果之间的分割点模型和测量矩形内,圆形、拱形隧道。分裂点的位置在以下方式:从测量数据中提取自由空间传播模型与接收信号功率测量;点,前面的拟合是好的是坏的背后,被发现。如表所示1,结果表明,模型的划分点具有良好的性能在不同类型的隧道在不同的频率。

清晰地描述整个传播模式的影响近区域的任意横截面隧道、铁路隧道的测量进行了西班牙在900 MHz (1)已被使用。如图7分裂点分离两个传播领域。前一段划分点的传播遵循自由空间的机制,和相应的自由空间损耗模型具有良好的协议与测量接收信号功率。后段划分点由多模波导机制,和多模波导损耗模型显示了良好的性能。分裂点的准确位置近区域明确区分两种传播机制。因此,之前的不同和看似相互矛盾的观点1,2,6,12- - - - - -14)已经被这一普遍的统一模型。

以上验证结果和比较提供的模型意味着传播机制及其近区域的划分点是有效的和容易被用于任意横截面隧道。

4所示。将模型简化和讨论

在一些真正的应用程序中,发射器和接收器的位置,以及移动站的运动轨迹遵循一定的规则。在本节中,矩形的潜水点模型的简化公式,推导出圆形、拱形隧道对应五个应用情况。

图8(一个)说明具体情况:在一些系统中,如专用短程通信(DSRC) [11),不同车辆之间的通信是怎么回事(汽车或车厢)。在这种情况下,发射机和接收机总是有相似的高度和类似的跟踪:,。图8 (b)描述具体情况,可在短距离,特别是在双车道公路隧道发射机和接收机天线的车辆也有类似的水平和垂直距离横截面的中心:。图8 (c)显示具体情况三:与具体情况两个不同的是,这种情况通常发生在单向狭窄的隧道,汽车和火车。这意味着所有的通信单元沿着中央与类似的高天线跟踪:,。图8 (d)说明具体情况四:具体情况三个一样,这种情况下要求可以满足多路隧道,汽车和火车。在这种情况下,所有的通信单元沿着相同的跟踪和天线的高度大约相等的横截面的中心:,;图8 (e)显示具体情况五:在一些长隧道,尤其是几个GHz的工作频率,近区域很长。在这种情况下,通过使用模态理论,发射机和接收机可以近似位于隧道横截面的中心:,。

如表所示2在每种情况下,分裂点的位置可以由简单的公式来表达相应的矩形,圆形、拱形隧道(“I型”和“二型”)。

所有的简化公式提供了一个简单的方法来确定的位置区域近区域对应不同的传播机制,根据实际的应用场景。总结共性的简化公式,我们发现最小绝对距离天线和隧道的表面是主要因素在这些情况下的计算。这个结论非常有用的系统设计师来控制不同的系统,隧道内传播地区近区域。例如,使用这个模型,基于通信的列车控制系统设计师可以扩大或抑制某些传播机制根据他们的设计要求。

5。结论

本文阐明了隧道近区域的传播机制情况。本文的主要贡献是提出一个通用的分析方法和模型之间的分割点不同的传播机制在任意横截面隧道首次。的准确定位分割点,现有的看似矛盾的意见传播近区域的统一。从理论和测量结果在五个典型的行人,公路、铁路隧道,分裂点定位从13.65到75.76 m时,频率范围从400兆赫到900兆赫。这个位置可以进一步当频率较高时,或者当发射器/接收器是远离隧道的墙壁。

为了方便的实现模型,提出隧道的具体模型的主要类型(矩形、圆形、拱形隧道)。特别是,五个现实的应用情况,给出了简化模型。人们已经发现,在这些情况下最小绝对距离隧道的天线和任何表面占主导地位的定位分割点。这个结论可以有效地帮助系统设计师来控制不同的系统,即传播领域。本文的分析方法和模型可以基本和启发式隧道内传播机制的深入了解,并且可以应用于现实的无线电系统设计。未来的工作是扩展了模型从隧道直弯曲隧道通过考虑的影响曲线。

确认

作者表达他们的感谢支持中国NNSF的赠款60830001和60830001下,新世纪优秀人才计划在大学授予ncet - 09 - 0206,北京NSF 4112048,中央大学2010 jbz008基础研究基金,轨道交通控制与安全国家重点实验室(RCS2011ZZ008, RCS2010 K008,和RCS2011 K008),和TECRAIL项目马德里理工大学的ipt - 2011 - 1034 - 370000。