文摘

为了满足更高的数据传输速率要求的地铁通信服务、毫米波(mmWave)宽带通信被认为是一个潜在的解决方案5 g技术。基于地铁隧道的通道测量数据,本文运用射线追踪(RT)模拟预测的传播特征28 GHz毫米波频段隧道在不同的场景。大量的仿真基于射线跟踪软件进行了隧道模型与不同的弯曲半径和不同的山坡上,我们进一步将仿真结果与各种地铁隧道的实时测量数据。大规模和小规模的传播通道的特点,如路径损耗(PL)、均方根时延扩展(RMS-DS)和角度扩散(),对于不同的隧道场景进行了分析,发现更大的隧道边坡造成较大的路径损耗和均方根时延扩展。此外,在弯曲的隧道,角方位角的传播比在隧道。该结果可以提供一个参考设计未来的5 g通信系统在地铁隧道。

1。介绍

新时代的“智能铁路移动,“轨道交通通信系统不仅需要处理关键信息,但也需要满足一系列的高速率无线连接服务,如车载高清视频监控(1]。为了满足更高的数据率,第五代移动通信技术(5克),如大规模的多输入多输出(MIMO)大规模和mmWave技术,已被用于轨道交通系统(2]。研究信号的传播特性在不同的场景中,建立无线信道模型是必要的先决条件设计无线通信系统和传输技术(3]。因此,研究5 g频段信号的传播特性在地铁隧道场景中有一个至关重要的运营商开发新的通讯技术和设计合适的网络架构。

早期在隧道场景中传播特性的研究主要是集中在空隧道和低频段。在[4),通道的测量进行了高速列车隧道,在2.154 GHz和PL RMS-DS进行了分析。发现的RMS-DS隧道主要低于50 ns和隧道存在明显的慢衰落。宽带信道测量在980兆赫和2.450 GHz的3号线进行了马德里,西班牙,在5),平均功率和RMS-DS进行了研究。研究结果表明,当天线频率高于2.4 GHz,位于隧道接近车站,地铁环境中的多路径效应可以显著降低。通过通道测量在北京地铁14号线(6)、PL RMS-DS,多普勒频移,隧道的通道容量2.4 GHz和5 GHz进行了分析。发现隧道的通道特性是高度位置的依赖。通道测量2.8 GHz和5 GHz进行连续在一个拱形隧道,和RMS-DS之间的关系,,和距离进行了研究(7]。测量结果表明,当收发距离超过100米,RMS-DS显示稳定性能2.5 ns,当收发距离50米到200米左右,如减少从10°到3°。为了在地铁隧道中执行通道测量,一些学者用文中算法模拟信道传播特性。在[8,9),基于测量和仿真数据,PL直隧道和弯曲隧道2.4 GHz进行了研究,分别,发现隧道的曲率半径对信道特性有显著影响。在弯曲的通道,有一个额外的接收功率的损失。在[10),信道特征在不同频率下的隧道,不同的收发器的距离,和不同的横截面研究了基于RT仿真结果。结果表明,列车的存在将导致额外的路径损耗和信道波动。此外,在狭窄的隧道,隧道墙壁有一个更重要的对结果的影响。通道特征在6 GHz隧道研究基于测量和仿真数据(11]。发现正态分布能够更好地适应接收功率。正态分布和均匀分布符合到达方位角(AOA)的所有场景。

毫米波传播特性研究的隧道,一个通道测量31 GHz的地铁隧道进行了首尔,韩国,在12),测量结果表明,延迟扩展小于60 ns直线和曲线隧道。在[13),基于首尔地铁8号线的通道测量数据,全面分析了RT模型参数,和PL RMS-DS通道在城市,农村,直,弯曲的空隧道场景25 GHz检查是非常有效地。通道测量28 GHz进行相同的短直实验隧道(14- - - - - -16]。RMS-DS之间的相关性、导热系数和阴影衰落参数进行了分析,并发现与收发器距离的增加会降低(14]。在[15),信道容量的2×2和4×4 MIMO系统在28 GHz,天线间距对信道特性的影响进行了研究。在[16),信道容量比较在不同极化模式(水平、垂直),和发现的能力水平copolarization高于垂直copolarization不变的假设下信噪比(信噪比)在地铁隧道。RT方法被用来比较三种不同的PL和阴影衰落参数天线设置31.5 GHz 33.5 GHz的直接与拱形隧道横截面(17]。典型的直地铁隧道现场模拟(18),和PL RMS-DS 30 GHz利用RT的方法进行了分析。在[19),信道特性在1.4 GHz和40 GHz隧道根据仿真结果进行了比较。发现存在列车在隧道时,会有更多的多路径组件和copolarization和交叉极化的传播特性表现不同。基于仿真数据(20.),信道特征在37 - 42.4 GHz高速火车站进行了研究,并发现火车已经存在一个明显的影响。

在现有的研究中,有28个GHz相对较少研究隧道场景,和大多数集中在室内办公室,城市,和实验隧道。缺乏测量和仿真比较真实的地铁隧道场景,尤其是与实时列车隧道场景。此外,地铁的影响及其对信号传播的复杂散射经常被忽略。为了满足这种差距,本文研究了信道测量28 GHz在真实的地铁隧道环境和校准RT材料参数。指实际隧道环境,隧道模型和轨道模型具有不同曲率半径和斜坡的设计。根据实际地铁结构、地铁列车模型的细节,如火车椅子和火车车窗设计。此外,综合分析各种地铁隧道的通道进行调查渠道传播的不同方面。

本文总结如下:剩下的部分2描述了信道测量在实际隧道环境和RT参数标定方法。节3介绍了RT模拟的场景和设置。部分4给出了仿真结果比较和完整的信道特性的分析。最后,给出的结论是在部分5。

2。信道测量和RT参数校准

2.1。信道测量

如图1(一)进行了测量,地铁7号线上海大学与Qihua Rd.在上海,中国。隧道壁材料是用钢筋水泥。如图1 (b)的隧道可以分为两个部分。其中一个是一个平台的长度28.1米,横截面是矩形的高度5.55米。另一个部分是nonplatform拱形截面的一部分,是4.96米高,如图1 (c)。沿行驶路线、有直隧道长度20米,弯曲隧道100米的长度,和连续长隧道的长度超过400 m,分别。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图1
测量环境:(a)测量地铁隧道;(b)平台截面;(c) nonplatform横截面。

测量系统如图2。它主要由安捷伦E8257D信号源(发射机)和Ceyear 4024 g频谱分析仪(接收器)。两个发射天线(Tx)和接收天线(Rx)超宽带全向天线和高精度铷时钟是用来保证时钟同步,如图3。


图2
测量系统。

图3
宽带全向天线。

测量,传感器位于隧道的尽头平台,接近隧道墙,和发射天线的高度是3.1米,如图4(一)。接收者位于轨道车中心的隧道,和接收天线是2.25米高。发射机的位置保持不变,测量距离是500米。输入功率和频率都视为10 dBm和28 GHz,分别。随着轨道车,发射机接收机逐渐远离。我们已经考虑了总共79个测试点,并在每个测试点,频谱分析仪读取和记录信号的接收功率。发射和接收天线的位置如图所示4 (b)。收发距离约100米时,采样间隔是2米。从100到300的积分是10米,和间隔从300到500是20米。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
收发器设置在测量:测量隧道的横截面;Tx和Rx (b)的位置。
2.2。射线跟踪参数校准

根据现场测量的接收功率,在RT仿真材料属性参数,如材料粗糙度、相对介电常数和电导率,可校准。本文中使用RT仿真工具是无线注射屋(明智)。地铁隧道的三维模型重构测量,如图5。设计的天线的频率和位置测量领域的仿真是一样的。混凝土和金属材料的模拟,我们最初的粗糙度,电导率,介电常数,然后将PL模拟结果与测量数据。根据对比结果,我们不断调整参数,直到有一个高度的模拟和测量结果之间的匹配。图6显示了比较模拟PL和测量结果之间的几次调整后材料属性参数。可以发现,在大多数测试点,模拟PL结果非常接近的测量数据。因为环境是高度复杂和有更多的思考,模拟和测量结果在各个测试点略有不同。


图5
地铁隧道的三维模型。

图6
PL的结果之间的比较测量和RT模拟28 GHz。

经典floating-intercept PL模式(21描述如下: 在哪里 PL的斜率模型和吗 收发器的参考距离,也就是1米。 是拦截模型,它代表了PL价值当收发距离参考距离,然后呢 是高斯随机变量的标准偏差 。在此基础上,PL模拟和测量的结果是安装,分别和PL模型如图6。它可以发现PL模型的测量和模拟比赛。PL模型的参数如表所示1,在那里 和 基本上是相同的。比较结果证实RT仿真参数的值非常接近实际环境中,表明修正后的材料参数可以用来模拟不同的地铁隧道环境的信道传播特性。在这个时候,材料参数如表所示2。

表1
PL模型参数在28 GHz。
表2
材料属性参数校准。

3所示。基于RT信道传播特性的方法

3.1。模拟场景描述

上海第7行指的隧道,隧道设计模型与连续隧道和隧道具有不同曲率半径和不同的斜坡和建立了地铁列车模型参照第7行列车,如图7(一)。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图7
3 d模型的地铁隧道和地铁:(a)隧道的三维模型;(b)地铁列车的纵向截面视图模型;(c)地铁的截面视图模型。

所有隧道模型设计,本文分为两个部分, 和 。的 部分是连续短隧道的长度20米, 部分是一个隧道具有不同结构在不同的场景中,长度为200米。如图7(一), 连续的连续隧道模型是一个隧道。在弯曲隧道模型中, 弯曲半径的隧道吗 ,和两个 设计值,分别为500米和300米。隧道模型中的斜率, 是一个倾斜的隧道斜坡的吗 ,和两个 设计值,分别2°和3°。所有隧道的横截面模型是拱形的,如图1 (c)。地铁列车模型是长24.4米,宽3米,高3.8米。火车的内部数据所示7 (b)和7 (c)。有10门31玻璃窗8椅子,和几个垂直扶手里面。

本文考虑三种类型的地铁隧道场景:地铁隧道场景与不同的曲率半径(Case.2和Case.3),地铁隧道场景与不同斜坡(Case.4和Case.5),火车和地铁隧道场景(Case.6),如表所示3。与此同时,表3显示了长度、半径和坡隧道模型的每个场景。表4显示火车模型和内部对象的尺寸。

表3
场景和隧道模式。
表4
地铁列车模型和内部对象的大小。
3.2。仿真设置

在模拟中,发射和接收天线的频率设置为28 GHz, 100 MHz带宽,传输和接收天线是全向天线,和输入功率是10 dBm。

的位置设置接收和发射天线的三种情况也不同,如图8。在隧道场景中具有不同曲率半径和斜坡(Case.1-Case.5),如图8(一个),发射天线位于隧道横截面的中心高度为2.48米。第一个接收天线是10米的发射天线,然后放置一个接收天线每5米的收发距离210米。总共有41接收位置,和所有接收天线位于隧道的横截面的中心高度为2.48米。在隧道现场培训(Case.6),如图8 (b),发射天线接近左隧道墙,2.5米的距离中线的隧道截面和3米高。Case.6认为,三个接收天线的位置,所有位于中线的隧道截面。Rx1位于顶部的火车,高4.3米。Rx2位于前面的火车,高1.8米。Rx3坐落在马车,高4.3米。在15米的距离,地铁开始远离发射天线,和模拟每5米,直到火车移动的距离200米从发射天线。

(一)
(一)
(b)
(b)
图8
收发天线位置设置:(a)收发天线的设置在Case.1-Case.5;(b)在Case.6收发天线的设置。

在RT仿真,本文认为四个材料:混凝土、金属、玻璃和塑料。表5显示所有材料的参数设置。具体的参数和金属1节使用校准结果2.2和其他材料参数设置使用推荐的值ITU(国际电信联盟)- r P.2040 [22]。此外,我们反映的数量设置为15,传播的数量2,射线的间距0.1°,假设不超过100射线。

表5
所有材料的参数设置。

4所示。仿真结果和分析

4.1。地铁隧道场景与不同的曲率半径(Case.1、Case.2 Case.3)

仿真结果显示执行(1),PL Case.1模型,Case.2,和Case.3实现,如图9。PL模型参数如表所示6。可以发现,随着隧道曲率半径的减小,PL值在相同的收发距离增加。这是因为隧道曲率半径越小,越快越视距(LOS)组件的信号将会消失,和视线外的衰减越(仿真结果)组件将会增加。当曲率半径500米,PL模型的斜率接近PL模式的自由空间。此外,floating-intercept PL的连续模型的斜率小于隧道的室内环境(23和城市环境2428 GHz。这主要是因为隧道的波导效应降低了功率耗损。此外,地铁隧道的障碍更少比在室内或城市环境,降低了信号传播的障碍。


图9
PL Case.1模型、Case.2 Case.3。
表6
PL Case.1模型参数,Case.2, Case.3。

表达式计算RMS-DS (25)如下: 在哪里 代表了在这个点和接收功率 和 的接收功率和时间延迟吗我- - - - - -分别th路径。在此基础上,Case.1 RMS-DS结果,Case.2,和Case.3,如图10和统计参数如表所示7。它可以发现RMS-DS Case.3的意思是最大的RMS-DS意味着Case.1是最小的。这是因为,减少隧道的曲率半径,多路信号需要经过更多的思考才可以收到,导致路径的增加多路信号和RMS-DS的增加之间的区别。


图10
RMS-DS Case.1, Case.2, Case.3。
表7
RMS-DS Case.1统计参数,Case.2, Case.3。

估计的关系角度传播()(26)如下: 在哪里 是这一点的接收功率; 和 的接收功率和方向到达或离开的吗我- - - - - -分别th路径;和 是加权平均数的角度。在此基础上,Case.1, Case.2, Case.3可以获得。在图11ASA, ESA, ASD和ESD的方位角的到来(AOA),仰角的到来(地址结束),离职(AOD)的方位角和仰角的离职为每个场景(爆炸品处理)。Case.1的统计参数,Case.2 Case.3如表所示8。它可以发现亚撒和Case.1 ASD, Case.2, Case.3大约10°。当收发距离超过15米,亚撒和ASD Case.2和Case.3大于Case.1。的原因是,在弯曲的隧道、多路径信号需要更能反映时代之前就可以收到,导致增加的。ESA和ESD Case.1, Case.2, Case.3大约15°。当收发距离小于100米,ESA和ESD Case.1, Case.2, Case.3减少单调,和那些Case.2 Case.3小于Case.1。当收发距离超过100、欧洲航天局和ESD Case.1 Case.2, Case.3逐渐往往是相同的。直到收发距离是150米,他们基本上是相同的。可以看出,隧道的曲率半径有更明显的影响比仰角的方位角。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图11
Case.1, Case.2, Case.3:(一)亚撒;(b) ESA;(c)自闭症;(d)防静电。
表8
作为Case.1的统计参数,Case.2, Case.3。
4.2。地铁隧道场景与不同的曲率半径(Case.1、Case.4 Case.5)

基于(1),PL Case.1模型、Case.4和Case.5可以实现,如图12。Case.1的PL模型参数、Case.4 Case.5如表所示9。可以发现,随着坡度的增加,拦截的PL模型也在不断增加。这主要是因为当收发器的距离小于20米的隧道场景与更大的斜坡,信号更能反映时代从传输到接收端,导致更快的衰减率的仿真结果组件,这使路径损耗大。值得注意的是,收发器距离的增加,边坡的影响仿真结果的传播组件上减少,所以仿真结果分量的衰减速度变得缓慢而逐渐变得一致连续的隧道。当收发距离是200米,PL Case.1值,Case.4, Case.5已经非常接近。


图12
PL Case.1模型、Case.4 Case.5。
表9
PL Case.1模型参数,Case.4, Case.5。

的RMS-DS结果Case.1、Case.4 Case.5图所示13和统计参数如表所示10。它可以发现RMS-DS Case.4和Case.5场景的平均值大于Case.1。主要原因是,隧道坡度的增加,多路信号的路径差异变得更大,导致RMS-DS的增加。收发器的距离超过150后,Case.4 RMS-DS值和Case.1几乎是相同的。这表明多路径组件差异引起的发射机和接收天线之间的距离可以忽略收发距离很大时,得出的结论是一致的,在27]。


图13
RMS-DS Case.1, Case.4, Case.5。
表10
RMS-DS Case.1统计参数,Case.4, Case.5。

Case.1的结果,Case.4, Case.5如图14和统计参数如表所示11。它可以发现在隧道显示一个下降的趋势与收发器距离的增加,这是类似于[结论14]。当收发距离约50米,Case.4值和Case.5都小于Case.1。这意味着当接收和发射天线之间的距离相对较近,在隧道斜坡,一些多路径信号经验更多的反射,导致损失增加,所以他们不能收到,减少。收发距离超过150时,三种情况的值往往是相同的。这证明了坡对信号传播的影响时减少收发距离远。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图14
Case.1, Case.4, Case.5:(一)亚撒;(b) ESA;(c)自闭症;(d)防静电。
表11
作为Case.1的统计参数,Case.4, Case.5。
4.3。地铁隧道场景与火车(Case.6)

在Case.6 PL Rx的结果在不同的位置如图15。在整个测量距离,PL Rx2总是小于Rx1和Rx3。这是因为Rx2位于前面的火车司机的驾驶室,可以接收的信号反映隧道墙壁和表面的火车。Rx3的PL总是最高的,主要是因为Rx3坐落在地铁火车车厢。当信号到达接收端时,它需要穿透火车窗户,导致额外的能量损失。当收发距离是200米,通过火车窗户损失是大约15分贝。Rx1的PL模型参数、Rx2 Rx3如表所示12。可以发现PL Rx1和Rx2逐渐倾向于结果同样适用于收发器距离的增加,表明火车在信号传播的影响逐渐随收发距离的增加而减小。


图15
PL Rx1模型、Rx2 Rx3 Case.6。
表12
PL Rx1模型参数、Rx2 Rx3 Case.6。

的RMS-DS结果Rx1、Rx2 Rx3图所示16和RMS-DS统计参数如表所示13。的平均值的RMS-DS Rx3显著大于Rx1和Rx2。这主要是因为Rx3可以接收的信号反射后的火车,这就增加了多路径信号路径不同。进一步,可以看出当天线坐落在马车内,反射环境更为复杂。的RMS-DS Rx2略大于Rx1,主要是因为Rx2可以接收的信号反映在表面的火车。

(一)
(一)
(b)
(b)
图16
RMS-DS Rx1, Rx2, Rx3 Case.6: (a) RMS-DS Rx1和Rx2;(b) RMS-DS Rx3。
表13
RMS-DS Rx1的统计参数,Rx2 Rx3 Case.6。

Rx1的结果,Rx2, Rx3如图17和统计参数如表所示14。当收发距离超过60 m,随着Rx1和Rx3逐渐倾向于是相同的。这是因为,收发器距离的增加,信号反射后的运输变得越来越弱,导致多路径信号Rx1分布和Rx3一致。然而,Rx2总是可以接收的强烈信号反射在列车表面,所以到达的Rx2总是大于Rx1和Rx3。此外,与收发器距离的增加,ASD和ESD Rx1, Rx2, Rx3往往是相同的。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图17
Rx1, Rx2, Rx3 Case.6:(一)亚撒;(b) ESA;(c)自闭症;(d)防静电。
表14
作为Rx1的统计参数,Rx2, Rx3 Case.6。

5。结论

基于RT仿真方法,本文研究了传播特性在各种各样的地铁隧道28 GHz场景。实际的测量数据是用来校准的属性参数材料为了执行模拟。此外,隧道模型与不同的曲率半径,建立了不同的斜坡上,一列火车。PL, RMS-DS,结果三个不同的隧道场景进行了分析。主要结果如下:(1)对地铁隧道场景与不同的曲率半径,收发器距离的增加,在隧道半径小,早些时候《组件的信号将会消失,以及仿真结果的衰减组件将会加速,导致PL和RMS-DS的增加。隧道的曲率半径的影响更明显的到达角。隧道的曲率半径越小,亚撒和ASD越大。(2)在符合的前提下地铁隧道施工标准,为地铁隧道场景与不同的山坡,山坡上的差异将产生重大影响的信道特征在一个收发器的距离100米。隧道与一个更大的斜率较大的PL和RMS-DS结果。收发距离约50米时,亚撒和ESA在地铁隧道与直线的斜率明显小于隧道。当收发距离超过150米,斜坡通道特性的影响逐渐减少。(3)对于地铁隧道场景与地铁列车,当接收天线位于前面的火车,它可以接收的信号反映在列车表面,PL是小,RMS-DS,亚撒,ESA都增加了。当接收天线坐落在马车内,造成的能量损失信号穿透火车窗口约15分贝。因为火车的反射的信号后可以收到,多路径分布更为复杂,而且RMS-DS明显大于其他场景。

这些结果可以提供参考的设计在地铁隧道5 g通信系统未来的挑战。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了国家自然基金资助下61871261和科学研究项目的上海申通地铁集团有限公司有限公司(JS-KY19R031)。