文摘
在下一代无线通信系统中,使用更高的频段和大规模的多输入多输出(MIMO)系统变成了热门的研究主题,因为他们有可能显著增加网络容量利用可用的窄带和宽带光谱。因此,窄带信道测量是执行以下五个潜在的频段,包括2.6 GHz, 3.5 GHz, 5.6 GHz, 10 GHz, 28 GHz在上海地铁隧道环境中为了实现最新标准的第五代(5克)。此外,在宽带通道测量,中心频率为3.5 GHz 5.6 GHz和带宽是160 MHz,分别。发射机(Tx),一个统一的矩形天线阵列组成的32个元素固定在隧道壁附近的平台。接收器(Rx)配备统一的圆柱形天线阵列组成的64个元素,这是设置在一个小车沿轨道。基于获得的巨大的MIMO信道脉冲响应,延迟传播,扩散角、特征值和信道容量进行了分析。研究结果表明,隧道场景中的多路延迟很短,延迟扩展和角度扩散迅速下降随着Tx和Rx之间的距离的增加,信道矩阵逐渐变得严重。本研究为未来5 g的部署提供了一个参考系统在地铁隧道。
1。介绍
近年来,为了保证列车运行的安全性和效率,需要传输数据,如根据视频监控、列车运行控制和车载传感列车和地面之间的高速度和高可靠性,迫切需要应用程序创建和部署5 g的地铁通信。无线传播信道的特点,确定最终的无线通信系统的性能。因此,它是非常重要的检测无线传播渠道的实际表现在实际隧道环境。到目前为止,大量的信道测量(1- - - - - -14)在不同的地铁隧道环境中进行。开创性的论文(1]表明,多次反射隧道墙上和隧道横截面的变化导致相对高的MIMO信道在隧道环境的多样性。根据模态理论(2),隧道可以被视为有损波导,和活动模式的数量迅速减少随着Tx-Rx距离的增加,这限制了MIMO信道矩阵的自由度。然而,相比之下,single-input-single-output通道的输出通道容量的改善是显著的。通道测量的基础上,在地铁隧道的影响极化多样性、空间多样性和隧道的横截面对MIMO信道容量的能力被认为是在3- - - - - -6),它提供了建议隧道场景中分布式天线系统的设计。指出横截面积的增加提高了MIMO信道的性能通过测量进行了双节的大部分环境(7]。在[8- - - - - -10),第一个锁眼train-to-ground通信系统中引入的测量是评估不同极化的锁眼概率组合和隧道横截面,它揭示了钥匙孔效应的影响是有限的。宽带测量在隧道环境中进行(11- - - - - -13]。车厢的影响在无线频道在隧道被认为是和检查(14,15]。大规模的MIMO信道测量在各种场景中地铁隧道环境密切相关,比如地铁站台上大厅6 GHz和11 GHz (16,17在毫米波)和intrawagon环境(mmWave)乐队18]。这是证明sum-rate容量随频率的增加。在[19,20.),学者们将隧道划分为不同的传播区和提出一个传播模式在隧道覆盖不同的传播机制。在[21),一个向量抛物方程(汽相外延)场预测模型,提出了可用于分析广播传播铁路矩形隧道。的基础上(21),汽相外延建模已得到改进和隧道粗糙度作为参数包含在22),可进一步用于各种隧道具有任意横截面的几何形状和曲率变化。一个快速和准确的电波传播建模相结合的混合汽相外延和波导模式理论提出了(23]。然而,最好的作者的知识,目前MIMO天线系统用于信道测量在实际隧道场景不超过4×4和研究长距离train-to-ground通信系统在实际地铁隧道场景尤为缺乏。因此,很难提供工程指导隧道环境中5 g系统的设计。
在本文中,我们在上海地铁进行窄带和宽带无线通信测量。在窄带测量,五个潜在的5 g频段,包括2.6 GHz, 3.5 GHz, 5.6 GHz, 10 GHz, 28个GHz,选择,隧道环境中信号的传播特性研究。在宽带测量载波中心频率的3.5 GHz 5.6 GHz, 160 MHz带宽是审议。Tx和Rx天线阵列是由32和64个元素,分别。为了模拟实际的地铁隧道中无线通信,传感器固定在平台上靠近隧道墙,接收机是放置在一个小车能沿着轨道。根据收集到的数据,我们模拟了路径损耗参数和分析能力延迟(PDP),均方根时延扩展(RMS-DS)、均方根角传播(RMS-AS),特征值,通道容量。
本文的其余部分组织如下。节2、环境和系统的介绍了窄带和宽带信道测量。部分3显示了安装路径损耗模型窄带测量。节4、宽带信道参数包括PDP RMS-DS RMS-AS,特征值,和能力进行了分析,而部分5得出的结论。
2。信道测量
2.1。测量环境描述
如图1(一)进行了测量之间的地铁7号线上海大学和QiHua Rd.在上海,中国。隧道的横截面是拱形的,半径为2.78米,高5米,底部宽3.4米,为给定的图1(b)。隧道壁材料是钢筋与混凝土材料。如图1(c),隧道结构可分为三个部分,S1是一个连续短隧道的长度20米,S2是一条曲线长度为100米和1500米的曲率半径,S3是连续长隧道的长度700米。在我们的窄带测量中,最远的测量距离Tx和Rx是800米。在宽带测量,由于繁忙的地铁线路,我们只测量了第一个500宽带频道。在这个500测量范围,在3.5 GHz 91点采样测量,而43点采样测量5.6 GHz。
(一)
(b)
(c)
如图2模拟实际的基站,Tx固定在平台的扩展部分,接近隧道壁。Tx是1.8米高,计算平台高度为1.3米,Rx所在地在移动小车上的中央铁路隧道,模拟作为一个访问点。为了减少测试人员的干扰信号传输,我们增加了Rx的高度2.7米。
(一)
(b)
2.2。窄带测量系统
在窄带测量,如图3,信号发生器安捷伦E8257D和频谱分析仪Ceyear 4024克分别采用Tx和Rx,两边分别。宽带(1 GHz - 40 GHz)双方装备全向天线,和高精度铷时钟是用来确保同步。一个不间断电源(UPS)确保设备的电源在整个测量过程。潜在的5 g频段窄带测量研究,包括2.6 GHz, 3.5 GHz, 5.6 GHz, 10 GHz, 28个GHz。
2.3。宽带测量系统
宽带测量的伪随机噪声(PN)序列相关法。Tx一侧的PN序列调制的带宽160 MHz和1023芯片的长度3.5 GHz和5.6 GHz的载波频率二进制相移键控(BPSK)。Rx分为8通道并行收集数据。我们使用低噪声放大器来提高接收信噪比(信噪比)。注意,只需要10 ms完成静态信道测量2048(32×64)子信道的一个周期,和128年周期的数据收集在每个Rx测量位置。
在宽带测量定向贴片天线阵列在Tx和Rx双方装备。3 dB波束宽度元素的垂直和水平的飞机是100°和120°,分别。所有多路径信号传播路径在隧道环境中可以检测到完美。Tx和Rx天线的结构非常类似于(24,25),如图4。Tx配有2×8均匀矩形贴片天线阵列。Rx,均匀圆柱阵列可分为8个部门,每个部门有4个天线贴片安排在垂直方向。天线贴片间距是波长的一半,和每一对天线包括一对托管的双极化天线。每个补丁天线包含两个元素与主极化±45°的3.5 GHz和垂直和水平在5.6 GHz。总结了重要的测量参数表1。
(一)
(b)
3所示。窄带信道特性
3.1。路径损耗
路径损耗特征信号能量衰减传播传播后的信号。图5介绍了在给定的地铁隧道环境中路径损耗测量。第一次使用最典型的路径损耗模型定量分析了路径损耗参数(26]: 在哪里是参考距离,通常在隧道的现场,设置为1米Tx和Rx之间的距离,路径损耗指数和等于2的自由空间。是一个随机变量与零均值高斯分布和标准差是吗 。 优化路径损耗指数吗最小化之间的均方误差(MSE)模型和实际测量。提取的参数表中列出2。它可以发现路径损耗指数在隧道中所有测量频带小于自由空间的通道和随信号频率的增加而减小。这是因为在隧道波导效应仍然存在。此外,信号的波长越短,镜面反射的可能性越大隧道,提高隧道的波导效应在更高的频率信号。
与此同时,值得注意的是,视距(LOS)传播可以被弯曲隧道墙(S2);因此,《组件是阻塞的位置是非常重要的准确预测那边的路径损耗(27]。基于位置的几何表示断点,如图6我们估计,断点洛杉矶和视线范围(仿真结果传播的这篇文章是关于隧道91米。two-slope路径损耗模型下的隧道可以被定义为
图7显示了two-slope 28 GHz路径损耗模型。模型的系数表列出所有频段3。的路径损耗指数从1.06到1.80在《传播的场景中,在仿真结果的场景中,路径损耗指数范围从1.67到2.42。这表明断点之前,隧道的轴向方向的多路径传播,传播的反射之间的隧道墙壁,导致较小的传输损耗。弯曲的隧道壁阻塞多路径组件时,上面的波导效应减弱。相比之下,路径损耗模型(27),它显示了一个较小的路径损耗指数在仿真结果主要是因为1500的曲率半径大得多比(27]。此外,Tx放置接近隧道墙在我们的测量,而Tx和Rx (27)设置在隧道的中心。从5被测信号频率的比较,5.6 GHz的传播衰减率是最小的在《场景10 GHz的路径损耗指数和28 GHz仿真结果中较小的场景。
4所示。宽带信道特性
4.1。PDP和RMS-DS
PDP经常用于描述多路径在延迟域的分布特征。平均功率延迟谱(APDP)是pdp的平均值在所有Tx-Rx链接,可以降低小规模衰落的干扰有效信号多路(28),表示为 在哪里和代表Tx和Rx的数组元素的数量,分别。之间的复杂的信道脉冲响应吗m -th Tx和n -Rx。
图8显示所有测量分规范化APDP在隧道场景。以在3.5 GHz APDP为例,多路径组件随时间衰减很快。如果选为-20分贝的功率阈值多路径组件、多路径组件将迅速减弱的延迟100 ns 50 ns Tx-Rx距离的增加。APDP在5.6 GHz的趋势大致相同的3.5 GHz。
(一)
(b)
我们可以进一步研究延迟由APDP传播。延迟传播延迟的统计描述多径信道的特点,决定了传输速率最高支持的渠道,如果没有宽带通信系统中的码间干扰。RMS-DS通常定义为中央第二时刻APDP表示如下(26]: 在哪里是有效的多路径组件的数量。和估计是权力的相对延迟kth有效的多路径。
它是观察从图9(一个),RMS-DS随Tx-Rx距离的增加,这基本上是符合文中算法的仿真结果(15]。这可以解释为模态理论(29日]。当Tx-Rx距离短,多个传播模式感到兴奋。随着距离的增加,特别是在进入仿真结果传播场景中,高阶模态衰减严重,只有低阶的基本模态。因此,RMS-DS仿真结果地区相对稳定和变化平稳。表中列出的统计和百分位数4。除了《场景当Tx-Rx距离短,RMS-DS不同6 ns 10 ns 3.5 GHz,尽管RMS-DS 5.6 GHz变化从4 ns 8 ns。总的来说,从图可以得出结论9 (b)3.5 GHz的RMS-DS略大于5.6 GHz。
(一)
(b)
4.2。RMS-AS
RMS-AS通常是探索指示出发或到达的扩张角信号的天线由于多路径反射和散射的影响。在本文中,我们使用Bartlett波束形成方法来估计到达角特征方位(AOA)的到来(地址结束),方位出发(AOD)和海拔出发(爆炸品处理)。RMS-AS被定义为角度的二阶中心矩谱和可以计算如下26]: 在哪里的角度吗kth有效的多路径。
图10显示了angle-delay功率谱在一个典型的洛杉矶位置(Tx-Rx距离15米)和仿真结果位置(AOA Tx-Rx距离400米)。它可以观察到,在一个典型的测量位置,大部分的多路径都集中在洛杉矶(−90°)方向,和其他方向的多路径可以收到Rx 60°、100°−−反映双方从墙上的隧道。在仿真结果的位置,由于有限的传播空间的隧道,波导效应力的多路径组件沿传播方向的轨道。接近接收者的角度基本上是相同的,周围−80°。
(一)
(b)
发现RMS-AS减少迅速的增加Tx-Rx距离图11。所有RMS-AS总结在表的统计结果5。均匀圆柱阵列在Rx端可以接收信号从不同方位角度的每个部门,和一个更大的扩张角的到来。大约90%的大气气溶胶和爆炸品处理小于10°Tx的一面,和90%的地址结束小于5°。比较RMS-AS在不同的频段,可以得出的结论是,在3.5 GHz RMS-AS大于5.6 GHz除了农产品协定的。上述实验结论非常有利于在隧道场景中部署和天线的设计。
(一)
(b)
4.3。特征值和信道容量
我们估计无线通信系统的性能通过测量信道容量和信道矩阵的特征值分布。复杂的信道矩阵H可以表示如下: 在哪里可以得到每个子通道的多路径信号求和:
规范化的特征值的看到图12。在这里,矩阵的共轭转置。它可以发现衰减信道矩阵的特征值在一个典型的洛杉矶位置(Tx-Rx距离15米)低于仿真结果的位置(Tx-Rx距离400米)。5.6 GHz的归一化特征值衰减大于3.5 GHz。假设-16分贝(0.025)作为特征值阈值,它被认为是特征值小于阈值有什么影响信道矩阵。的条件Tx-Rx 15米的距离在3.5 GHz为例,有效的信道矩阵的特征值的数量只有12个,这远小于最小数量的Tx和Rx天线元素 。这表明在隧道测量环境中,巨大的MIMO信道矩阵有一个严重的等级减少,这将有不利影响多流道并行传输的无线通信系统。
信道容量是指错误的最大信息速率传输通道,这是最重要的一个指标,用以衡量无线传播渠道。它可以表示为30.] 在哪里是真正的单位矩阵。是在接收端信噪比,它被设置为10 dB。的归一化信道矩阵通道复杂矩阵H删除路径损耗的影响和满足 。
为了探索大规模的部署前景MIMO在地铁隧道的场景中,我们关注的影响Tx-Rx距离和发射天线的数量元素的信道容量。条件下的一个常数 和一个固定的号码 圆柱天线元素在Rx端,信道容量为3.5 GHz,如图5.6 GHz(13日)和13 (b),分别。
(一)
(b)
(c)
(d)
图13 (c)显示了32×64 MIMO信道容量与Tx-Rx距离隧道场景在3.5 GHz和5.6 GHz。可以看出,在洛杉矶的传播条件下,信道容量与Tx-Rx距离的增加迅速降低。考虑到3.5 GHz通道容量为例;它滴从85比特/秒/ Hz到45位/ s / Hz。3.5 GHz的平均信道容量和5.6 GHz 54.96比特/秒/ Hz和55.55比特/秒/赫兹在《传播情况下,分别。信道容量的5.6 GHz似乎略高于在洛杉矶3.5 GHz的场景。这可以解释为频率越高,形式越兴奋,这增强了在接收机端解相关。当Rx进入仿真结果,活动模式的数量衰减迅速,信道容量慢慢变弱。3.5 GHz和5.6 GHz的平均信道容量的仿真结果面积36.24比特/秒/ Hz和28.96比特/秒/ Hz,分别。从射线理论的观点来看,在洛杉矶地区,存在稳定的直接组件。 As the distance between Tx and Rx increases, the distance between the multipath component reflected by the tunnel wall and the direct component gradually decreases, resulting in smaller RMS-DS and RMS-AS. The similarity between multipath components is increased, thereby reducing the ability of channel diversity gain. In the NLOS propagation area, the direct component is blocked by the tunnel curvature, and the surface of the curved tunnel wall will provide irregular reflection. The propagation distance between multipath components is relatively stable, so the channel capacity does not change significantly with the distance between Tx and Rx. As a reference, the 32×64 MIMO Rayleigh channel capacity is about 128 bits/s/Hz. The MIMO Rayleigh channel capacity of 4×4, which is deployed in the current subway communication system, is about 11 bits/s/Hz. The channel capacity is considerably lower than the Rayleigh channel capacity under the condition of the same antenna scale. This is because that the tunnel measurement environment in this paper is obviously nonscattering environment, the RMS-DS and RMS-AS are quite small, and the spatial correlation is very large. In addition, the rank reduction of the channel matrix mentioned above also limits the capacity of the channel. However, compared with the 4×4 MIMO deployment in tunnels, there is still a considerable improvement in channel capacity. The channel capacity of 3.5 GHz is generally greater than 5.6 GHz in the NLOS scenario, which is consistent with the APDP observed in Figure8。可以看出多路径的数量和功率在3.5 GHz大于5.6 GHz的仿真结果,从而导致更大的延迟传播和扩散角和较小的空间相关性。
我们都知道,当天线不相关的条件下,天线系统的信道容量可以增加线性 。从图可以看出13 (d)的Tx-Rx距离400米,信道容量迅速收敛作为Tx天线元素数量的增加。当Tx天线元素的数量大于16,信道容量仍然相对稳定,和3.5 GHz 5.6 GHz通道能力37位/ s / Hz和33位/秒/ Hz,分别。Tx-Rx距离15米,5.6 GHz和3.5 GHz的通道容量相对较近。当Tx天线元素的数量达到32通道容量约为80位/秒/ Hz。
5。结论
在本文中,我们进行窄带测量五个潜在频带,巨大和32×64宽带MIMO信道分析上海地铁7号线的隧道场景。隧道传播分为两个领域:《面积和仿真结果。路径损耗,PDP, RMS-DS RMS-AS,通道矩阵特征值,和信道容量进行了调查的基础上,获得信道脉冲响应。该方法将为大规模分布式天线有很多富有成效的应用程序基于通道5 g移动通信在地下隧道、矿山、和铁路。从这篇文章中,我们可以总结出以下结论:(1)隧道的整体路径损耗指数小于的自由空间。从一个全面的比较测量频率,它是被推断出来的,5.6 GHz的最小路径损耗衰减率在洛杉矶地区,而10 GHz, 28个GHz较小的路径损耗指数在仿真结果(2)隧道的波导效应限制了RMS-DS RMS-AS的通道。多路延迟在100 ns, RMS-DS的最大值小于15 ns, RMS-AS的平均值小于6.15°。RMS-DS和RMS-AS减弱迅速Tx-Rx距离增加(3)在隧道场景中,信道矩阵的特征值衰减很快,和减少通道等级是认真的。测量32×64 MIMO信道容量为3.5 GHz的最大值为85比特/秒/ Hz和28位最小值/ s /赫兹。与瑞利信道有很大的差距,由于高相似度的多路径组件。然而,相比于MIMO系统部署在当代通信系统在隧道,测量通道容量都得到很大的提高。在仿真结果的情况下,随着Tx天线元素的数量增加,信道容量显示了快速收敛的趋势(4)通过比较测量频带,RMS-DS RMS-AS,信道容量3.5 GHz比这些在5.6 GHz
数据可用性
测量数据还没有提供,因为知识产权保护。此外,与我们的合作伙伴公司,共享的数据将用于我们的未来的工作。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作得到了国家自然基金资助下61871261的科研项目和上海申通地铁集团有限公司有限公司(JS-KY19R031)。