基于射线跟踪法的隧道无线信道特性研究

作     者：由明昕 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陶成

授予年度：2016年

学科分类：0810[工学-信息与通信工程] 08[工学] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：隧道环境 射线跟踪法 信道测量 MIMO 空间相关性 信道容量 

摘      要：随着城市化步伐的加快,城市地下轨道交通成为城市交通中更重要的组成部分,其对高效可靠的通信系统的需求也逐渐增大。而研究地下隧道中无线信道的传播特性是设计和优化无线通信系统的基础。因此论文针对无线自由波在隧道环境中的传播特性,结合实际场景的测量和基于射线跟踪法的仿真,对隧道环境中大尺度衰落特性和多径信道特性进行了研究。基于目前对通信系统容量和数据传输速度的更高需求,论文研究了MIMO系统在隧道中应用的可行性和影响因素,并使用射线跟踪法进行了信道的仿真。论文首先概述了无线信道的电波传播方式和信道主要参数，并对地下隧道无线信道与其他常见场景的区别加以分析,隧道环境的大尺度传播呈波导特性;而在小尺度传播特性方面,隧道环境复杂的反射作用造成明显的多径效应;同时,隧道环境中的锁孔效应、MIMO相关性等信道特征也与其他环境有较大不同。随后论文对射线跟踪法的基本概念与应用方式进行了介绍。射线跟踪法基于几何光学原理,将发射机到接收机的传播路径以射线的形式进行分析,通过计算各射线的传播衰减最后计算出接收端总的信号能量。以隧道环境的特性,适合使用镜像法进行射线跟踪仿真,本文还对射线跟踪法的场强计算方式进行了介绍。为研究隧道环境信道特性,进行了两个实际场景的测量实验,论文对这两次测量实验进行了详细的介绍,分析了实验得到的结果,并基于射线跟踪法对测量实验场景进行了仿真。从大尺度衰落结果的分析可以看出,当收发两端天线之间存在直射径时,路径损耗值明显低于同等距离下自由空间的路径损耗,仿真得到的路径损耗变化趋势也验证了这一点。通过对比分析测量与仿真得到的CIR信息,可以看出仿真得到的CIR可以在时延和功率两方面与测量结果相吻合,因此认为使用射线跟踪法对隧道环境进行仿真能够得到准确的CIR信息,可以使用仿真得到的CIR数据进一步计算角度扩展、相关系数和信道容量等MIMO信道参数。论文在之后基于射线跟踪法对隧道环境内MIMO信道特性进行了仿真研究。首先研究了发射信号频点不同时接收端信道相关性的变化,研究结果表明,接收端信道相关系数随天线间距的变化呈波动性,随发射信道频率的增大,其波动的周期减小。论文还仿真研究了不同横截面尺寸对MIMO信道特性的影响,结果表明,隧道横截面尺寸越大,接收信号的的角度扩展越大,随之使得接收端空间相关系数的波动周期减小,同时,空间相关系数的值整体降低,计算得到的MIMO系统信道容量增大。