地铁隧道场景中时延估计的改进算法

王利森 李莉 吴静芳 魏爽 周小平

摘 要： 基于地铁隧道场景，利用射线跟踪法，将多径效应产生的时延估计问题转化为在立体空间中求解不同路径之间的时间差问题.不同于发射端与接收端相对静止的情况，考虑列车在高速运行时具有的多普勒效应，提出了在接收与发射端运动状态下的时延估计改进方法.仿真结果表明：相较于在收发端相对静止状态下估计得到的时延参数，改进方法的结果与实际场景更加匹配.

关键词： 地铁隧道场景; 毫米波传输; 时延扩散

中图分类号： TN 929.4文献标志码： A文章编号： 1000-5137（2019）01-0007-06

Abstract： Based on the subway tunnel scenario，the time delay estimation problem generated by the multipath effect was transformed into the problem of solving the time difference among different paths in the three-dimensional space by the ray tracing method.An improved estimation method was proposed under the motion scenario considering the Doppler effect when the train running at high speed，which was different from the case of the relative static of the transmitter and receiver.The simulation results showed that the improved method was better matched with the actual scene than the method estimated in the relative static state of the receiver.

Key words： subway tunnel scenario; millimeter wave transmission; time delay spread

0 引 言

室内场景无线通信电磁波传播的理论方法通常分为波模式理论法、有限时域差分法和射线跟踪法等.根据波模式理论，电磁波只能匹配标准圆形横截面隧道的边界.有限时域差分法受到计算机运算容量的限制，只适用于体积较小的电磁空间和相对较低的工作频率.射线跟踪法是计算高频电磁波传播的一种普遍方法，不受场景轮廓的影响[1].

平均时延和均方根时延是室内场景应用中的重要参数，针对不同的毫米波波段和不同的室内实验场景，国内外研究人员己经开展了一定量的信道探究工作.

DAVIES等[2]通过实验发现对于1.7 Hz的载频，通信实验室、教学实验室和走廊这3种无线传播环境都具有不足50 ns的均方根时延扩展，而60 GHz毫米波在这3种环境中传播时均产生低于40 ns的均方根时延扩展.CAI等[3]利用矢量网络分析仪（VNA）开展了基于扫频法的毫米波室内信道测量工作，发现归一化的1 m参考距离处的接收功率在-82 dB～-70 dB范围内波动;对于各室内传播环境，实测路损因子均低于0.5.研究还表明：均方根时延扩展的取值会随着墙面反射系数的提高而增大.GENG等[4]采用与文献[3]相同的信道测量方案，分析了频率对归一化接收功率均方根时延扩展的影响.MANABE等[5]研究了接收天线的辐射方向图和极化方式对60 GHz室内无线毫米波信道的多径传播特性的影响，实验表明：高增益的接收天线可有效降低无线信道的均方根时延扩展，若用圆极化的接收天线替代线极化的接收天线，可进一步降低均方根时延扩展.

上述文献所列工作均仅对发射机与接收机相对静止的室内场景中的高频无线通信传播特性进行了研究，本文作者针对地铁通信的需求，使用射線跟踪法进行隧道场景信道建模，对地铁通信场景中毫米波传输特性参数（平均时延和均方根时延）进行估计，为动态地估计通信时延提供参考.

1 系统模型

与室外场景不同，电磁波在隧道场景中传播时，受隧道墙壁介质的限制，电磁波传播过程中的反射、散射情况更频繁，多径传播效应更加突出，图1给出了地铁在隧道中运行时进行无线通信的电波传播信道模型.

1.1 相对静止状态下多径时延估计方法

1.2 运动状态下时延估计方法的改进

2 仿真结果

仿真场景选用上海地铁7号线的岚皋路站至新村路站的隧道区段，隧道高7.2 m，宽12.0 m，发射端天线高6.0 m，接收端天线高6.5 m，隧道内壁介电常数为15[8]，列车运行时速最高可达80 km·h-1，平均时速为75 km·h-1，在本研究中近似设置为20 m·s-1，最大反射次数设为12次，天线发射功率采用的是长期演进（LTE）基站的室内基带处理单元（BBU）和射频拉远单元（RRU）协同工作的额定工作功率.

按照1.1节的方法估计，在收发端相对静止的情况下，估计得到平均时延和均方根时延，结果如图2，3所示.

3 结 论

基于地铁隧道的场景，使用射线跟踪法进行信道建模，求得任意一条反射路径的长度，得出相对于直达路径的时间差、相位差.在收发端相对静止的情况下，估计出平均时延和均方根时延.在此基础上，考虑地铁高速运行而产生的多普勒频移，得到了收发端处于运动状态下的平均时延和均方根时延.仿真实验结果表明：所讨论的平均时延估计改进方法更符合实际场景中时延的情况.本研究是在最大反射次数和多径数目都确定的条件下进行的，如何估计合理的多径数目和最大反射次数是未来要进一步研究的问题.另外，本研究建立的信道模型仅适用于近似于直线型的隧道区段，对于存在弯道或者高度差的隧道，有待进一步探索.

参考文献：

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（责任编辑：包震宇，顾浩然）