本發(fā)明涉及磁浮列車無(wú)線通信，具體涉及一種真空管磁浮列車漏泄波導(dǎo)車地通信無(wú)線信道建模方法。

背景技術(shù)：

1、當(dāng)今，被譽(yù)為“第五種交通工具”之稱的真空管磁浮列車以低機(jī)械摩擦、低氣動(dòng)阻力、低噪聲模式等優(yōu)點(diǎn)，在真空或接近真空的圓形管道中以實(shí)現(xiàn)時(shí)速超過(guò)1000km/h的超高速軌道運(yùn)輸。真空管磁浮列車安全、高效地運(yùn)行離不開(kāi)穩(wěn)定可靠的無(wú)線通信系統(tǒng)的支撐和保障。作為無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確的無(wú)線信道能夠?qū)ο到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的技術(shù)評(píng)估、系統(tǒng)仿真以及網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃提供重要指導(dǎo)。

2、目前受限空間內(nèi)電磁波傳播特性的研究方法包括射線追蹤法、波導(dǎo)理論以及基于有限差分的電磁理論計(jì)算。其中，射線追蹤法很難統(tǒng)計(jì)到所有的電磁波傳播路徑，而且計(jì)算量比較大；波導(dǎo)理論是將隧道直接近似為大尺度的波導(dǎo)，并用相關(guān)理論描述電磁波在隧道中的傳播模式，其局限性在于并未考慮列車車體的影響；基于有限差分的電磁理論計(jì)算主要根據(jù)麥克斯韋方程從發(fā)射源出發(fā)對(duì)電磁波的傳播過(guò)程進(jìn)行建模，該方法建模準(zhǔn)確度較高，但是即使采用簡(jiǎn)化版的矢量拋物方程方法，其計(jì)算量仍然比較大。目前，真空管磁浮列車的無(wú)線信道建模還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一和公認(rèn)的理論支撐，現(xiàn)有的研究大多是基于分布式天線的方式來(lái)開(kāi)展的，然而在實(shí)際受限空間中往往采用漏泄波導(dǎo)的方式來(lái)提供穩(wěn)定的信號(hào)覆蓋。因而，開(kāi)展面向真空管磁浮列車漏泄波導(dǎo)車地?zé)o線信道建模的研究，能更好地優(yōu)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，從而能更好地分析無(wú)線通信對(duì)服務(wù)質(zhì)量的影響，對(duì)發(fā)展軌道交通具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種真空管磁浮列車漏泄波導(dǎo)車地通信無(wú)線信道建模方法，以解決上述背景技術(shù)中存在的至少一項(xiàng)技術(shù)問(wèn)題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供一種真空管磁浮列車漏泄波導(dǎo)車地通信無(wú)線信道建模方法，包括：

4、漏泄波導(dǎo)上開(kāi)有多個(gè)規(guī)則分布的縫隙，每個(gè)縫隙視為單個(gè)磁偶極子輻射源，每個(gè)縫隙輻射的信號(hào)經(jīng)由視距直射鏈路和散射鏈路到達(dá)車載天線，車載天線僅接收天線主瓣范圍內(nèi)所有縫隙所輻射電波的視距直射分量和散射分量；

5、其中，散射分量為車載天線主瓣范圍內(nèi)所有縫隙輻射電波的單次散射信號(hào)的疊加，每個(gè)縫隙對(duì)應(yīng)一個(gè)散射點(diǎn)圓環(huán)，從所有縫隙中按距離車載天線自遠(yuǎn)而近的順序構(gòu)造散射點(diǎn)圓環(huán)，圓環(huán)位于每個(gè)縫隙和車載天線連線中點(diǎn)所在的管道橫截面上，散射點(diǎn)均勻分布在圓環(huán)上，不同圓環(huán)間存在最小間隔，若下一個(gè)縫隙所對(duì)應(yīng)的圓環(huán)與上一個(gè)縫隙所對(duì)應(yīng)的圓環(huán)間隔小于設(shè)定的閾值，則該縫隙與上一個(gè)縫隙共用一個(gè)散射圓環(huán)；

6、保存直射鏈路和散射鏈路對(duì)應(yīng)的增益、時(shí)延、角度和多普勒頻偏信息，利用信號(hào)重構(gòu)原理計(jì)算無(wú)線信道的時(shí)延功率譜、角度功率譜和多普勒功率譜。

7、進(jìn)一步的，所述的漏泄波導(dǎo)是橫截面為矩形的漏泄波導(dǎo)，漏泄波導(dǎo)鋪設(shè)在管道中心頂部，漏泄波導(dǎo)開(kāi)設(shè)多個(gè)輻射縫隙，波導(dǎo)管長(zhǎng)度為無(wú)限長(zhǎng)，有無(wú)窮多個(gè)波導(dǎo)縫隙，每個(gè)縫隙尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，每個(gè)縫隙可等效為磁偶極子，且不同縫隙間互不耦合影響，縫隙沿著波導(dǎo)方向規(guī)則分布。

8、進(jìn)一步的，傳播時(shí)僅考慮傳輸損耗，暫不考慮介質(zhì)損耗，電波沿著波導(dǎo)傳播方向上的衰減因子為：

9、

10、其中，a和b分別表示矩形波導(dǎo)橫截面的長(zhǎng)度和寬度，ε0表示真空介電常數(shù)，ρ表示波導(dǎo)管的電阻率，c表示光速，f0和fc分別表示載頻和波導(dǎo)的截止頻率。

11、進(jìn)一步的，建立直角坐標(biāo)系，其中原點(diǎn)位于管道中心，z軸位于管道中心軸，且其正方向?yàn)榇鸥×熊嚽跋蚍较?；波?dǎo)縫隙沿z軸方向規(guī)則分布，縫隙間隔為δz，首個(gè)縫隙編號(hào)為0，其輻射場(chǎng)強(qiáng)為e0，則第m個(gè)縫隙tm的輻射場(chǎng)強(qiáng)為：

12、

13、則第m個(gè)縫隙tm在距離縫隙為r、相對(duì)于波導(dǎo)平面俯仰角為θ處的輻射場(chǎng)強(qiáng)為：

14、

15、其中，k＝2π/λ為波數(shù)，λ為波長(zhǎng)，β為電波在波導(dǎo)管中的傳播常數(shù)。

16、進(jìn)一步的，所述的車載天線為指向性天線，車載天線指向x軸正方向，天線在x-o-z平面上的主瓣寬度為θw，視距分量為車載天線主瓣范圍內(nèi)所有波導(dǎo)縫隙輻射的信號(hào)的疊加，視距分量的信道沖激響應(yīng)表示為：

17、

18、其中，θm表示縫隙tm至車載天線的俯仰角，rm表示縫隙tm至車載天線的距離，c表示光速；表示第m個(gè)縫隙tm至車載天線視距徑的多普勒頻偏；

19、設(shè)車載天線的位置為pc＝[hc,0,zc(t)]，其中車載天線位于管道中軸線的縱切面上，則縫隙m∈[mmin,mmax]的取值范圍應(yīng)滿足如下條件：

20、

21、其中，符號(hào)<·>表示向量?jī)?nèi)積運(yùn)算，符號(hào)||·||表示向量的2-范數(shù)運(yùn)算，nx表示x軸正方向的單位向量，pm表示第m個(gè)縫隙tm的位置。

22、進(jìn)一步的，計(jì)算散射分量包括：每個(gè)縫隙至車載天線對(duì)應(yīng)的散射點(diǎn)均勻分布在一個(gè)的管道內(nèi)壁圓環(huán)上；當(dāng)車載天線位于pc＝[hc,0,zc(t)]時(shí)，按距離車載天線由遠(yuǎn)及近的順序分別對(duì)所有縫隙構(gòu)造對(duì)應(yīng)的散射圓環(huán)；第m個(gè)縫隙tm其對(duì)應(yīng)的圓環(huán)上的散點(diǎn)n的位置表示為：

23、其中，n為圓環(huán)上散射點(diǎn)的數(shù)目；r為管道半徑；

24、對(duì)第m'個(gè)縫隙tm'進(jìn)行如下判斷：

25、

26、其中，δz表示最小散射點(diǎn)圓環(huán)間隔，若滿足上述條件，則第m'個(gè)縫隙tm'與第m個(gè)縫隙tm共用一個(gè)散射圓環(huán)，反之，則根據(jù)公式(10)構(gòu)造新的散射點(diǎn)圓環(huán)。

27、進(jìn)一步的，單跳散射分量對(duì)應(yīng)的時(shí)變cir表示為：

28、

29、其中，μ∈(0,1)表示單跳散射損耗因子，em(rmn,θmn)表示縫隙tm至散射點(diǎn)sm,n的場(chǎng)強(qiáng)，θmn表示表示縫隙tm至散射點(diǎn)sm,n相對(duì)于波導(dǎo)的俯仰角，rmn＝||pm,n-pm||和rnr＝||pr-pm,n||分別表示縫隙tm至散射點(diǎn)sm,n、散射點(diǎn)sm,n至車載天線間的距離，符號(hào)||·||表示向量的2-范數(shù)運(yùn)算。

30、進(jìn)一步的，角度變量θmn∈(0,180°)，且sinθmn的表達(dá)式為：

31、

32、表示縫隙tm-散射點(diǎn)sm,n-車載天線的散射鏈路的多普勒頻偏，其表達(dá)式為：

33、

34、最終的cir為直射分量和散射分量之和表示為：

35、h(t,τ)＝hlos(t,τ)+hs(t,τ)。

36、進(jìn)一步的，針對(duì)每條傳播鏈路，保存其在時(shí)延域、角度域、頻偏域中的參數(shù)其中，gl表示第l條鏈路的增益，τl表示第l條鏈路的傳播時(shí)延，表示第l條鏈路的俯仰到達(dá)角，表示第l條鏈路的水平到達(dá)角，表示第l條鏈路的俯仰離開(kāi)角，表示第l條鏈路的水平離開(kāi)角，fl表示第l條鏈路的多普勒頻偏。

37、進(jìn)一步的，采用信號(hào)重構(gòu)理論重構(gòu)時(shí)延功率譜，表示為：

38、

39、其中，l表示所有鏈路數(shù)目，其為視距鏈路的數(shù)目和散射鏈路數(shù)目之和，τ表示時(shí)延變量，δτ表示時(shí)延分辨率，函數(shù)sinc(·)表達(dá)式為sinc(x)＝sin(πx)/(πx)；

40、角度功率譜表示為：

41、

42、其中，角度變量θ可替換為θa,φa,θd,φd，δθ表示對(duì)應(yīng)的角度分辨率；

43、多普勒功率譜表示為：

44、

45、其中，f表示多普勒頻偏變量，δf表示多普勒頻偏分辨率。

46、本發(fā)明有益效果：磁浮列車接收天線放置于車體頂部，地面天線漏泄矩形波導(dǎo)鋪設(shè)在管道頂部，矩形波導(dǎo)管上開(kāi)有多個(gè)規(guī)則分布的縫隙，每個(gè)縫隙視為單個(gè)磁偶極子輻射源，每個(gè)縫隙輻射的信號(hào)經(jīng)由視距直射鏈路和散射鏈路到達(dá)車載天線，車載天線僅接收天線主瓣范圍內(nèi)所有縫隙所輻射電波的視距直射分量和散射分量；散射分量為車載天線主瓣范圍內(nèi)所有縫隙輻射電波的單次散射信號(hào)的疊加，每個(gè)縫隙對(duì)應(yīng)一個(gè)散射點(diǎn)圓環(huán)，從所有縫隙中按距離車載天線自遠(yuǎn)而近的順序構(gòu)造散射點(diǎn)圓環(huán)，圓環(huán)位于每個(gè)縫隙和車載天線連線中點(diǎn)所在的管道橫截面上，散射點(diǎn)均勻分布在圓環(huán)上，不同圓環(huán)間存在最小間隔，若下一個(gè)縫隙所對(duì)應(yīng)的散射圓環(huán)與上一個(gè)縫隙所對(duì)應(yīng)的散射圓環(huán)間隔小于設(shè)定的閾值，則該縫隙與上一個(gè)縫隙共用一個(gè)散射圓環(huán)；保存直射鏈路和散射鏈路對(duì)應(yīng)的增益、時(shí)延、角度和多普勒頻偏信息，利用信號(hào)重構(gòu)原理計(jì)算無(wú)線信道的時(shí)延功率譜、角度功率譜和多普勒功率譜。考慮了直射分量和散射分量，對(duì)真空管磁浮列車這一應(yīng)用場(chǎng)景下的漏泄波導(dǎo)無(wú)線信道建模提供了一種新方法。

47、本發(fā)明附加方面的優(yōu)點(diǎn)，將在下述的描述部分中更加明顯的給出，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。