技术领域
[0001] 本发明涉及磁浮列车无线通信技术领域，具体涉及一种真空管磁浮列车漏泄波导车地通信无线信道建模方法。
相关背景技术
[0002] 当今，被誉为“第五种交通工具”之称的真空管磁浮列车以低机械摩擦、低气动阻力、低噪声模式等优点，在真空或接近真空的圆形管道中以实现时速超过1000km/h的超高速轨道运输。真空管磁浮列车安全、高效地运行离不开稳定可靠的无线通信系统的支撑和保障。作为无线通信系统设计的基础，准确的无线信道能够对系统设计时的技术评估、系统仿真以及网络覆盖规划提供重要指导。
[0003] 目前受限空间内电磁波传播特性的研究方法包括射线追踪法、波导理论以及基于有限差分的电磁理论计算。其中，射线追踪法很难统计到所有的电磁波传播路径，而且计算量比较大；波导理论是将隧道直接近似为大尺度的波导，并用相关理论描述电磁波在隧道中的传播模式，其局限性在于并未考虑列车车体的影响；基于有限差分的电磁理论计算主要根据麦克斯韦方程从发射源出发对电磁波的传播过程进行建模，该方法建模准确度较高，但是即使采用简化版的矢量抛物方程方法，其计算量仍然比较大。目前，真空管磁浮列车的无线信道建模还没有一个统一和公认的理论支撑，现有的研究大多是基于分布式天线的方式来开展的，然而在实际受限空间中往往采用漏泄波导的方式来提供稳定的信号覆盖。因而，开展面向真空管磁浮列车漏泄波导车地无线信道建模的研究，能更好地优化无线网络拓扑，从而能更好地分析无线通信对服务质量的影响，对发展轨道交通具有十分重要的现实意义。
具体实施方式
[0053] 下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0054] 本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
[0055] 还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0056] 本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。
[0057] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0058] 为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
[0059] 本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
[0060] 实施例1
[0061] 本实施例1中，提供一种真空管磁浮列车漏泄波导车地通信无线信道建模方法，包括以下步骤：
[0062] S1、磁浮列车接收天线放置于车体顶部，地面天线漏泄矩形波导铺设在管道顶部，矩形波导管上开有多个规则分布的缝隙，每个缝隙视为单个磁偶极子辐射源，每个缝隙辐射的信号经由视距直射链路和散射链路到达车载天线，车载天线仅接收天线主瓣范围内所有缝隙所辐射电波的视距直射分量和散射分量；
[0063] S2、散射分量为车载天线主瓣范围内所有缝隙辐射电波的单次散射信号的叠加，每个缝隙对应一个散射点圆环，从所有缝隙中按距离车载天线自远而近的顺序构造散射点圆环，圆环位于每个缝隙和车载天线连线中点所在的管道横截面上，散射点均匀分布在圆环上，不同圆环间存在最小间隔，若下一个缝隙所对应的散射圆环与上一个缝隙所对应的散射圆环间隔小于设定的阈值，则该缝隙与上一个缝隙共用一个散射圆环；
[0064] S3、保存直射链路和散射链路对应的增益、时延、角度和多普勒频偏信息，利用信号重构原理计算无线信道的时延功率谱、角度功率谱和多普勒功率谱。
[0065] 所述步骤1包括：
[0066] 所述的漏泄波导是横截面为矩形的漏泄波导，漏泄波导铺设在管道中心顶部，漏泄波导开设多个辐射缝隙，波导管长度为无限长，有无穷多个波导缝隙，每个缝隙尺寸远小于波长，每个缝隙可等效为磁偶极子，且不同缝隙间互不耦合影响，缝隙沿着波导方向规则分布。传播时仅考虑传输损耗，暂不考虑介质损耗，电波沿着波导传播方向上的衰减因子为：
[0067]
[0068] 其中，a和b分别表示矩形波导横截面的长度和宽度，ε0表示真空介电常数，ρ表示波导管的电阻率，c表示光速，f0和fc分别表示载频和波导的截止频率。建立直角坐标系，其中原点位于管道中心，z轴位于管道中心轴，且其正方向为磁浮列车前向方向。波导缝隙沿z轴方向规则分布，缝隙间隔为Δz，首个缝隙编号为0，其辐射场强为E0，则第m个缝隙tm的辐射场强为：
[0069]
[0070] 则第m个缝隙tm在距离缝隙为r、相对于波导平面俯仰角为θ处的辐射场强为：
[0071]
[0072] 其中，k＝2π/λ为波数，λ为波长，β为电波在波导管中的传播常数。
[0073] 所述步骤2包括：
[0074] 所述的车载天线为指向性天线，车载天线指向x轴正方向，天线在x‑O‑z平面上的主瓣宽度为θW，视距分量为车载天线主瓣范围内所有波导缝隙辐射的信号的叠加，视距分量的信道冲激响应(Channel Impulse Response,CIR)可表示为：
[0075]
[0076] 其中，θm表示缝隙tm至车载天线的俯仰角，rm表示缝隙tm至车载天线的距离，c表示光速。设车载天线的位置为pc＝[hc,0,zc(t)]，其中车载天线位于管道中轴线的纵切面上，则缝隙m∈[Mmin,Mmax]的取值范围应满足如下条件：
[0077]
[0078] 其中，符号<·>表示向量内积运算，符号||·||表示向量的2‑范数运算，nx表示x轴正方向的单位向量，pm表示第m个缝隙tm的位置，可表示为：
[0079] pm＝[R‑hw,0,mΔz]
[0080] 其中，R为管道半径，车载天线与波导管的最短距离为R‑hc‑hw，hw为波导管厚度，对于视距分量的信道冲激响应公式，有：
[0081]
[0082] 视距分量的信道冲激响应公式中， 表示第m个缝隙tm至车载天线视距径的多普勒频偏，其可表示：
[0083]
[0084] 其中，vc表示磁浮列车的运行速度，nz表示z轴正方向的单位向量。
[0085] 所述的散射分量计算如下，每个缝隙至车载天线对应的散射点均匀分布在一个的管道内壁圆环上。当车载天线位于pc＝[hc,0,zc(t)]时，按距离车载天线由远及近的顺序分别对所有缝隙构造对应的散射圆环。第m个缝隙tm其对应的圆环上的散点n的位置表示为：
[0086]
[0087] 其中，N为圆环上散射点的数目。对第m'个缝隙tm'进行如下判断：
[0088]
[0089] 其中，ΔZ表示最小散射点圆环间隔，若满足上述条件，则第m'个缝隙tm'与第m个缝隙tm共用一个散射圆环，反之，则根据第m个缝隙tm其对应的圆环上的散点n的位置表示公式构造新的散射点圆环。
[0090] 单跳散射分量对应的时变CIR可表示为：
[0091]
[0092] 其中，μ∈(0,1)表示单跳散射损耗因子，Em(rmn,θmn)表示缝隙tm至散射点sm,n的场强，θmn表示表示缝隙tm至散射点sm,n相对于波导的俯仰角，rmn＝||pm,n‑pm||和rnr＝||pr‑pm,n||分别表示缝隙tm至散射点sm,n、散射点sm,n至车载天线间的距离，符号||·||表示向量的2‑范数运算，角度变量θmn∈(0,180°)，且sinθmn的表达式为：
[0093]
[0094] 表示缝隙tm‑散射点sm,n‑车载天线的散射链路的多普勒频偏，其表达式为：
[0095]
[0096] 最终的CIR为直射分量和散射分量之和，可表示为：h(t,τ)＝hLoS(t,τ)+hS(t,τ)。
[0097] 所述步骤3包括：
[0098] 针对每条传播链路，保存其在时延域、角度域、频偏域中的参数其中，gl表示第l条链路的增益，τl表示第l条链路的传播时延，
表示第l条链路的俯仰到达角， 表示第l条链路的水平到达角， 表示第l条链路的俯仰离开角， 表示第l条链路的水平离开角，fl表示第l条链路的多普勒频偏。
[0099] 采用信号重构理论重构时延功率谱，可表示为：
[0100]
[0101] 其中，L表示所有链路数目，其为视距链路的数目和散射链路数目之和，τ表示时延变量，Δτ表示时延分辨率，函数sinc(·)表达式为sinc(x)＝sin(πx)/(πx)。角度功率谱可表示为：
[0102]
[0103] 其中，角度变量θ可替换为θA,φA,θD,φD，Δθ表示对应的角度分辨率。多普勒功率谱可表示为：
[0104]
[0105] 其中，f表示多普勒频偏变量，Δf表示多普勒频偏分辨率。
[0106] 实施例2
[0107] 参见图1，本实施例2中，提供了真空管磁浮列车漏泄波导车地通信无线信道建模方法，包括如下步骤：
[0108] S1、磁浮列车接收天线放置于车体顶部，地面天线漏泄矩形波导铺设在管道顶部，矩形波导管上开有多个规则分布的缝隙，每个缝隙视为单个磁偶极子辐射源，每个缝隙辐射的信号经由视距直射链路和散射链路到达车载天线，车载天线仅接收天线主瓣范围内所有缝隙所辐射电波的视距直射分量和散射分量；
[0109] 所述的漏泄波导是横截面为矩形的漏泄波导，漏泄波导铺设在管道中心顶部，漏泄波导开设多个辐射缝隙，波导管长度为无限长，有无穷多个波导缝隙，每个缝隙尺寸远小于波长，每个缝隙可等效为磁偶极子，且不同缝隙间互不耦合影响，缝隙沿着波导方向规则分布。传播时仅考虑传输损耗，暂不考虑介质损耗，电波沿着波导传播方向上的衰减因子为：
[0110]
[0111] 其中，a和b分别表示矩形波导横截面的长度和宽度，ε0表示真空介电常数，ρ表示波导管的电阻率，c表示光速，f0和fc分别表示载频和波导的截止频率。建立直角坐标系，其中原点位于管道中心，z轴位于管道中心轴，且其正方向为磁浮列车前向方向。波导缝隙沿z轴方向规则分布，缝隙间隔为Δz，首个缝隙编号为0，其辐射场强为E0，则第m个缝隙tm的辐射场强为：
[0112]
[0113] 则第m个缝隙tm在距离缝隙为r、相对于波导平面俯仰角为θ处的辐射场强为：
[0114]
[0115] 其中，k＝2π/λ为波数，λ为波长，β为电波在波导管中的传播常数。
[0116] S2、散射分量为车载天线主瓣范围内所有缝隙辐射电波的单次散射信号的叠加，每个缝隙对应一个散射点圆环，从所有缝隙中按距离车载天线自远而近的顺序构造散射点圆环，圆环位于每个缝隙和车载天线连线中点所在的管道横截面上，散射点均匀分布在圆环上，不同圆环间存在最小间隔，若下一个缝隙所对应的散射圆环与上一个缝隙所对应的散射圆环间隔小于设定的阈值，则该缝隙与上一个缝隙共用一个散射圆环。
[0117] 所述的车载天线为指向性天线，车载天线指向x轴正方向，天线在x‑O‑z平面上的主瓣宽度为θW，视距分量为车载天线主瓣范围内所有波导缝隙辐射的信号的叠加，视距分量的信道冲激响应(Channel Impulse Response,CIR)可表示为：
[0118]
[0119] 其中，θm表示缝隙tm至车载天线的俯仰角，rm表示缝隙tm至车载天线的距离，c表示光速。设车载天线的位置为pc＝[hc,0,zc(t)]，其中车载天线位于管道中轴线的纵切面上，则缝隙m∈[Mmin,Mmax]的取值范围应满足如下条件：
[0120]
[0121] 其中，符号<·>表示向量内积运算，符号||·||表示向量的2‑范数运算，nx表示x轴正方向的单位向量，pm表示第m个缝隙tm的位置，可表示为：
[0122] pm＝[R‑hw,0,mΔz]
[0123] 其中，R为管道半径，车载天线与波导管的最短距离为R‑hc‑hw，hw为波导管厚度，对于视距分量的信道冲激响应公式，有：
[0124]
[0125] 视距分量的信道冲激响应公式中， 表示第m个缝隙tm至车载天线视距径的多普勒频偏，其可表示：
[0126]
[0127] 其中，vc表示磁浮列车的运行速度，nz表示z轴正方向的单位向量。
[0128] 所述的散射分量计算如下，每个缝隙至车载天线对应的散射点均匀分布在一个的管道内壁圆环上。当车载天线位于pc＝[hc,0,zc(t)]时，按距离车载天线由远及近的顺序分别对所有缝隙构造对应的散射圆环。第m个缝隙tm其对应的圆环上的散点n的位置表示为：
[0129]
[0130] 其中，N为圆环上散射点的数目。对第m'个缝隙tm'进行如下判断：
[0131]
[0132] 其中，ΔZ表示最小散射点圆环间隔，若满足上述条件，则第m'个缝隙tm'与第m个缝隙tm共用一个散射圆环，反之，则根据第m个缝隙tm其对应的圆环上的散点n的位置表示公式构造新的散射点圆环。
[0133] 单跳散射分量对应的时变CIR可表示为：
[0134]
[0135] 其中，μ∈(0,1)表示单跳散射损耗因子，Em(rmn,θmn)表示缝隙tm至散射点sm,n的场强，θmn表示表示缝隙tm至散射点sm,n相对于波导的俯仰角，rmn＝||pm,n‑pm||和rnr＝||pr‑pm,n||分别表示缝隙tm至散射点sm,n、散射点sm,n至车载天线间的距离，符号||·||表示向量的2‑范数运算，角度变量θmn∈(0,180°)，且sinθmn的表达式为：
[0136]
[0137] 表示缝隙tm‑散射点sm,n‑车载天线的散射链路的多普勒频偏，其表达式为：
[0138]
[0139] 最终的CIR为直射分量和散射分量之和，可表示为：
[0140] h(t,τ)＝hLoS(t,τ)+hS(t,τ)
[0141] S3、保存直射链路和散射链路对应的增益、时延、角度和多普勒频偏信息，利用信号重构原理计算无线信道的时延功率谱、角度功率谱和多普勒功率谱。
[0142] 针对每条传播链路，保存其在时延域、角度域、频偏域中的参数其中，gl表示第l条链路的增益，τl表示第l条链路的传播时延，
表示第l条链路的俯仰到达角， 表示第l条链路的水平到达角， 表示第l条链路的俯仰离开角， 表示第l条链路的水平离开角，fl表示第l条链路的多普勒频偏。
[0143] 采用信号重构理论重构时延功率谱，可表示为：
[0144]
[0145] 其中，L表示所有链路数目，其为视距链路的数目和散射链路数目之和，τ表示时延变量，Δτ表示时延分辨率，函数sinc(·)表达式为sinc(x)＝sin(πx)/(πx)。角度功率谱可表示为：
[0146]
[0147] 其中，角度变量θ可替换为θA,φA,θD,φD，Δθ表示对应的角度分辨率。多普勒功率谱可表示为：
[0148]
[0149] 其中，f表示多普勒频偏变量，Δf表示多普勒频偏分辨率。
[0150] 综上所述，本发明实施例所述的真空管磁浮列车漏泄波导车地通信无线信道建模方法。该方法磁浮列车接收天线放置于车体顶部，地面天线漏泄矩形波导铺设在管道顶部，矩形波导管上开有多个规则分布的缝隙，每个缝隙视为单个磁偶极子辐射源，每个缝隙辐射的信号经由视距直射链路和散射链路到达车载天线，车载天线仅接收天线主瓣范围内所有缝隙所辐射电波的视距直射分量和散射分量；散射分量为车载天线主瓣范围内所有缝隙辐射电波的单次散射信号的叠加，每个缝隙对应一个散射点圆环，从所有缝隙中按距离车载天线自远而近的顺序构造散射点圆环，圆环位于每个缝隙和车载天线连线中点所在的管道横截面上，散射点均匀分布在圆环上，不同圆环间存在最小间隔，若下一个缝隙所对应的散射圆环与上一个缝隙所对应的散射圆环间隔小于设定的阈值，则该缝隙与上一个缝隙共用一个散射圆环；保存直射链路和散射链路对应的增益、时延、角度和多普勒频偏信息，利用信号重构原理计算无线信道的时延功率谱、角度功率谱和多普勒功率谱。该方法弥补了现有漏泄波导通信无线信道未将反射和散射分量同时考虑在内，为真空管磁浮列车车地通信无线信道建模提供了一种新方法。
[0151] 本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD‑ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0152] 本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0153] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0154] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0155] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
