基于射线跟踪仿真轨道交通隧道方案的信道特性

抽象

隧道方案是一个主要的铁路通信场景。在本文中，隧道场景具有不同的载波频率的无线电信道特性，发射器（Tx）和接收机（Rx），和横截面之间的不同距离进行了仿真用光线跟踪工具。关键参数诸如路径损耗，莱斯K系数，均方根（RMS）延迟扩展，和角展了研究。一个CCording to the results, higher frequencies introduce larger path loss and the presence of the vehicle body increases the path loss by about 35 dB in the scenario; at the same time it will also cause the fluctuation and instability of the path loss. Besides, the influence of reflections from the side walls is significant on radio propagation. The channel experiences more severe fading in a narrow tunnel compared with others.

1.简介

轨道交通通信最近经历了快速的发展，如高速铁路，市政铁路，城市铁路系统。轨道交通的情况是私人和公众移动通信不可或缺的。人们普遍认为，无线信道模型是显著开展移动通信的研究，系统开发，以及网络部署等[1]。目前，长期演进铁路（LTE-R）系统已被建议更换用于移动通信的铁路（GSM-R）系统用于高速列车（HST）通信系统，智能交通系统的一部分的全球系统（它的） [2克ydF4y2Ba，3]。此外，第五代无线系统基于高速铁路（HSR）的研究（5G）已经成为满足传输能力的需求[趋势4-6]。因此，在轨道交通系统中的新通信系统的信道模型研究是必不可少的。

关于各种典型铁路交通场景（高架桥，隧道，插条，等），以进行无线信道研究需要时，考虑到轨道交通场景和公共网络场景[之间的差异显著7]。现场测试和光线跟踪器（RT）是用于实现信道表征两种公知的方法。在轨道交通领域的现场测试是很难的，昂贵的，而且是长期的。RT提供了波的传播是省时和方便的准确预测的手段。因此，RT被广泛用于信道建模为狭窄的环境中。

隧道场景是最常见的场景之一，尤其是在山区和丘陵地区。由于其独特的构造，隧道中无线传播不同于其他HST场景，引起了很多研究兴趣[8-10]。泄漏电缆和分布式天线系统（DAS）11，12]主要有两种前途的方法，以提供无线覆盖隧道。几个隧道的信道模型，近年来提出了例如射线跟踪模型，多模模型，和传播-图论基于模型[13，14]。一个典型矩形地铁隧道中无线电传输的真实多径传播模型在[15]使用RT来分析多普勒扩展。的用于毫米波和太赫兹列车到基础设施信道6个情景模块的三维（3D）模型进行定义和用于在第一时间构建[16]，审议现实障碍的对象。基于隧道场景进行的宽带测量通过使用移动热点网络系统中，在[作者17]探讨了通过三维RT不同HSR场景关键信道特性。此外，被设置在码元速率，子帧的带宽，和极化配置建议，指导在典型HSR情景5G毫米波通信系统的设计。

上述研究表明，现有的大部分工作都是基于大尺度参数的建模方法。在现场试验的基础上，对已有模型进行了分析和比较。测量结果如通道脉冲响应(CIR)是混合了多种因素。此外，在低频段对窄带单输入单输出(SISO)系统进行测量，会丢失角扩展和多普勒频移等多径参数。同时考虑大尺度参数、小尺度参数和空间参数的准确完整的信道模型仍迫切需要[18，19]适用于SISO系统或多输入多输出(MIMO)系统中的多类型隧道场景。在此基础上，可以精确地得到信道的路径损耗、多径延迟、角扩展等参数并进行分析。本文给出了1.8 GHz下不同类型隧道的仿真结果。为MIMO系统和天线配置提供优化部署建议。

本文的其余部分安排如下。对于3GPP的隧道方案的现有渠道模式在节中介绍2克ydF4y2Ba。定义的隧道方案和模拟设置在节介绍3。关键参数诸如路径损耗，莱斯K系数，均方根（RMS）延迟扩展，以及角度扩展与在不同频率不同的横截面的隧道节进行了分析4。得出以下结论节五。

2.信道模型

3GPP TSG-RAN WG4在RAN#66会议上定义了四种典型的高速铁路场景。3GPP采用了多种隧道场景下的标准航道模型[20-23]，像单抽头信道，时间延迟线（TDL）模型等

场景2c和2G是对应于由泄漏电缆覆盖隧道场景。演进节点B（eNB）的覆盖是通过在2G和2c的场景，其被示于表部署泄漏电缆延伸1。在方案2G，用户设备（UE）与隧道内的泄漏电缆直接通信。该信号被严重衰减，由于列车体在这种情况下，屏蔽。在情景2C，继电器设置在火车上。所述UE实现了与通过中继泄漏电缆两跳通信，如图1。由于传输功率会随着泄漏的电缆逐渐衰减，通常会使用射频放大器来确保足够的信号强度。在车内继电器和UE之间的传播通道不涉及高速运动。

3GPP R4-154106提出了一种用于在隧道场景泄漏电缆部署一个抽头信道模型，如图2克ydF4y2Ba，其中d 是两个相邻的辐射点之间的距离;辐射点的辐射角被表示为 。可以假设接收器(Rx)被8-9个辐射点覆盖。射频接收信号是 哪里表示的归一化的接收到的功率辐射,是各自的多普勒频移，z (t)是接收到的噪声，并且X（t）的是所发射的信号。衰落增益的功率可以被建模为根据中心极限定理莱斯分布。

然而，这种模式只是一个简化模型。它忽略了反射成分和其应在有限的空间被认为是散射分量。此外，参数，如隧道尺寸，横截面，隧道壁的内部的电磁（EM）性，表面粗糙度，和天线极化模式，影响信道特性。RT观看由隧道的表面反射的无线电波。它解决了大的工作量和适用性差在现场测试的问题，并且也补偿了传统模式不能提供特定的无线信道的参数，如幅度，延迟，多普勒频移和角展度，这是一种用于无线重大意义通信系统。它是一种有效的建模方法来建立所述轨道通信场景的3D信道模型，并分析在不同的覆盖模式和多个衰落特性的无线电信号传播。

3.场景定义和仿真设置

3.1。隧道方案定义

鉴于不同的地质条件，隧道的横截面在现实中不同。横截面的四个典型的形状：矩形，拱形，拱形长（组合矩形和半圆形的），和半圆形，显示在图3。该side length of rectangular is 6 m in隧道;Ťhe height of arched is 6 m, and the center of circle is 2 m high above the ground in隧道b;隧道çContains a rectangular whose side length is 4 m and a semicircular whose radius is 2 m; the radius of semicircular is 6 m in隧道d。隧道表面的在模拟中的数量为4，10，图9和13，分别。数字4显示了简化模型隧道指的是地铁隧道工程的细节边界的火车模型如图所示的中国中铁第四勘察设计院集团有限公司提供地图五。在这项工作中的3D隧道模型是由谷歌的SketchUp建造。这些模型在下面的仿真分析认为。

3.2。参数设置

仿真参数要慎重考虑，以保证仿真结果准确，有效，使仿真能友好省时。RT支持多种无线电波传播的机制，如方向，反射，散射，衍射和透射。反射顺序意味着光线从发射机（Tx）于Rx经历高达数十倍镜面反射。适当的反射顺序是必要的，不仅要反映实际的反射率，也避免一个较长的模拟时间。

基于上述想法，根据不同的反射订单的信道特性进行了仿真，并在图中隧道场景分析4与所有无线电波传播的机制。关键信道特性，例如莱斯K因子，延迟扩展，（AOA）到达角的角度传播，和离开（AOD）的角度，分别比较，在不同的反射级的范围从- 。当反射顺序设置为高于 ，很少有变化。此外，我们定义 其中，当频率是时，路径损耗是多少和反射顺序是 。该（一世，Ĵ）表示之间的差异率和为了在一系列频率。的CDF在图中示出6。手段（8，9），（7，8），和（6，7）是 ， ，和0.18，分别。该（8,9）是最小的，范围从 至 。该（7，8）的范围从 0.12。该（6，7）的范围从 到0.53，比其他的都大。因此，路径损耗高达高于为了几乎没有变化。就这样为了在模拟中采用由于计算复杂度和精度之间的折衷，如表2克ydF4y2Ba。考虑到一个事实，即隧道方案是用无通风管道和其他障碍，具体涵盖直长的隧道，因为Tx不是固定在墙上的衍射在这里无关紧要以及传输。

详细参数设定示于表2克ydF4y2Ba。该Frequency is set to 1.8 GHz and 5.8 GHz in order to compare channel characteristics at different frequencies. Signal propagates with 25 dBm of transmitting power. Tx is fixed at one end of the tunnel with the height of 3 m. Rx moves along the x-axis with the height of 5 m. Both of them use vertically polarized omnidirectional antennas. The channel bandwidth乙= 10 MHz, and the system time domain resolutionŤ= 1/ B。为了更好的与最大额外时延最大值观察路径，模拟频点的数量应确定足够[24]： 其中，换句话说，频域分辨率F=B / N 应充分设置。

4.仿真结果与分析

在本节中，在不同的横截面和不同频率隧道信道特性的仿真结果和分析。此外，设于优化配置的建议。

4.1。大规模的参数

可靠的大规模信道模型是网络部署和优化的关键。通常，路径损失表示为 其中，PL（d）是路径损耗不小尺度衰落，它是Tx和Rx [之间的距离的函数25]。ñ是路径损耗指数，和X（阴影衰落）是具有标准偏差的零均值高斯随机变量 。数字7shows the path loss at 1.8 GHz in different cross sections. In the 0-190 m section, the path loss is nearly the same. However in the 190-500 m section, the path loss in隧道ç具有比其他隧道较高的路径损耗。在路径损耗隧道ç可分为两个阶段，并且路径损耗指数分别为1.96和3.62，这意味着有一个断点（= 190。10 m) in this scenario. These tunnel cross sections have the same height, and the width varies in shape and size. The path loss fitting result given in Table3结果表明，在强视线路径下的空隧道中，侧向形状对路径损失有重要影响。中的路径损耗指数隧道ç大于2，因为现有的断点。路径损耗指数为1.77，1.84，1.88和在隧道，d,b， 分别。在直拱隧道测量结果相比[26，27]和长方形隧道[28-三十]，路径损耗的值指数1.96在隧道ç一世s similar to 1.40-2.03 at 954-2000 MHz in straight arched tunnel. Meanwhile, path loss exponent 1.77 in隧道一世s similar to 1.65-1.94 at 945-2650 MHz in rectangular tunnel. Simulation results in this paper are basically consistent with the measurement results in previous work.

数字8示出在不同频率的接收功率隧道ç。随着频率的增加，所接收到的功率减小。When the distance between Tx and Rx equals 50 m, the received power at 1.8 GHz is 11 dB higher than that at 5.8 GHz. Received power has larger fluctuation, and deeper fading is prone to occur in higher frequency. Based on the similar simulation scenario and parameters setup, the same conclusion is also reflected on the simulation results at three different typical carrier frequencies, i.e., 900 MHz, 2.45 GHz, and 5.75 GHz in [31]。表4示出了不同频率下的拟合参数。该path loss exponent is 2.31 at 1.8 GHz, while the path loss exponent is less than 2 at higher frequency. Results confirm that the frequency band has a strong impact on the wireless propagation.

对于列车的隧道，在选定位置处的路径损耗的结果显示在图9。RX固定在列车的头部，当火车逐渐移动从Tx程。梗阻和火车的反射使接收信号经历较长的距离和更大的衰减。到达光线的相应数量急剧减少。在路径损耗Creases by 35.58 dB with the presence of the vehicle body. The result shows that the path loss in the empty tunnel scenario rises more steadily. Suggestions are given that the antenna deployment in reality scenarios should make sure of the existence of LOS path between Tx and Rx. Moreover, antenna placement is selected carefully to make the blocking effect of the train as small as possible for which further researches are needed.

4.2。小规模的参数

小规模的参数在无线通信系统的设计和分析具有重要的影响。莱斯K因子，RMS延迟扩展，以及角度扩展是描述小规模的特性的重要参数。表五显示在不同的隧道方案中的K系数和RMS延迟扩展。

4.2.1。莱斯K因子

莱斯K因子被定义为LOS路径的功率的无线电到的非线的视距（NLOS）路径[功率32]。数字10shows K-factor at 1.8 GHz and CDF of K-factor at all the snapshots. Figure10 ()描述了仿真部分可分为两部分;第一部分(0-100 m) k因子波动剧烈，第二部分(100-500 m) k因子平稳下降。在前50米，衰落是微弱的，但之后，衰落就越来越严重，无论隧道场景是什么。表五演示K系数是94.8％，在所有的快照隧道ç一世s lower than 25 dB, but there is about 88% of K-factor lower than 25 dB in other tunnel scenarios as shown in Figure10 (b)。该mean K-factor of tunnel scenarios is around 13.49 dB larger than the result 11.5 dB of empirical cluster characteristics extracted for tunnel scenarios at 2.14 GHz [33]。Since the path loss increases with frequency, LOS path experiences a deeper fading at 2.14 GHz. In conclusion, channel characteristics in隧道ç体验比别人严重的衰落。

4.2.2。rms时延扩展

数字11shows that RMS delay spread at 1.8 GHz and CDF of RMS delay spread at all the snapshots.隧道一世s the rectangular tunnel (W6 mH6 m), and隧道ç一世s the long arched tunnel (W4 mH6 m). The most apparent difference between隧道和隧道ç是它们的宽度。RMS延缓传播隧道比在大隧道ç沿着模拟部分。在表五，we notice that RMS delay spread is lower than 0.8 ns in at least 95% at all the snapshots, and the maximum RMS delay spread is 1.18 ns. The results in Table五说明95%的RMS延迟分布在所有的快照上隧道和隧道çare 0.45 ns and 0.49 ns, respectively, which is narrow compared with other scenarios. On the other hand, mean RMS delay spread is the largest in隧道，和加权平均的延迟扩散隧道ç是最小的。其结果，信道在隧道ç经历了一个较为稳定的衰落。该RMS delay spread varies in ns because of fewer obstacles in empty tunnel, which is similar to the measurement results of delay spread 2-27 ns in mine tunnels [34]。

4.3。空间参数

均方根在角展隧道ç和角展度的CDF显示在图12。ASA，ESA，ASD和ESD是到达的方位角，到达的仰角，出发的方位角，和仰角出发的角展度，分别。数字11结果表明，当Rx远离Tx时，ESA、ASD、ESD均缓慢下降，且均小于10.20^∘在所有的快照。ASA，欧空局，房间隔缺损和ESD的手段51.25^∘，0.67^∘，1.63^∘，和0.95^∘， 分别。ESA的99％，ASD和ESD小于5^∘。然而，ASA与其他人相比变动不同。它逐渐增加，最大ASA是123.90^∘when the distance between Tx and Rx reaches 500 m. Angular spread in straight tunnel scenario in work [17类似地变化，其中，ASD随着的Tx和Rx的距离增加较大的和其他的同时降低。ASA是比其他大多数的快照，这表明反射从侧壁的影响是对无线电传播显著更大。Multiantennas可以考虑实现MIMO系统，使系统容量可以增加实现多样性和复用。此外，定向天线可以部署到下降的ASA和降低多普勒扩展的信道的影响。

仿真结果表明，ASA，欧空局，房间隔缺损和ESD变化同样在隧道b，C，和d。ASA在隧道b，C，和d如图13。ASA的最大值隧道b，C，和d是65.8^∘，123.9^∘和73.8^∘， 分别。很明显，在ASA隧道ç比在大隧道d，而ASA在隧道b在多数快照的最低水平。这一观察结果表明，空间衰落是由横截面的影响。此外，所述侧壁具有在窄的隧道比更宽的一个通道上更显著影响。

5.结论

在本文中，数隧道场景无线电信道特性进行了模拟与RT。在不同的载波频率和隧道的横截面的信道特性进行了分析。的关键参数，诸如路径损耗，莱斯K系数，RMS延迟扩展，和角展度进行了模拟和分析。该presence of the vehicle body introduces additional 35 dB of the path loss, which leads to the fluctuation and instability of the channel. K-factor changes severely when the distance between Tx and Rx is smaller than 100 m and then decreases smoothly in far region. The channel has short delay spread (1.18 ns) due to strong LOS and the limited space. The side walls have a significant influence on radio propagation especially in a narrow tunnel. Therefore, the conclusion can be drawn that the channel experiences a severe and stable fading in long arched tunnels compared to other tunnel scenarios. The other parameters (i.e., Doppler spread, coherence time, antenna polarization, etc.) and leaky cable for coverage will be studied in the future work.

数据可用性

用来支持这项研究的结果的数据是可用的，请相应的作者。

利益冲突

作者声明，他们没有利益冲突。

致谢

这项工作是由中央高校基本科研基金（2018JBM079），在格兰特2016YFE0200900，国家科技重大专项的国家重点研究发展计划（2015ZX03001027-003），国家重点R＆d项目中国的部分支持710071没有。2016YFB1200100，中国国家自然科学基金资助下61471030，在格兰特RCS2018ZZ006轨道交通控制与安全国家重点实验室和基础研究经费用于资助下中央高校没有。2017YJS014。

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