（电磁场与微波技术专业论文）磁浮交通车地通信系统毫米波传输特性的研究.pdf

一卜海大学硕上学位论文 原创性声明 i i i i iiiii ii i ii ii i ii i ill 17 4 116 6 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 呈筮e l 期：丝! ! ：窆：口 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 1 1 日期：_ 1 上海大学工学硕士学位论文 磁浮交通车地通信系统毫米波传 输特性的研究 姓名：卫慧 导师：郑国莘教授 学科专业：电磁场与微波技术 上海大学通信与信息工程学院 二o o 年一月 上海人学硕士学位论文 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt os h a n g h a iu n i v e r s i t yf o rt h e d e g r e eo fm a s t e ri ne n g i n e e r i n g 一一 m i l l i m e t e rw a v e p r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sf o rm a g l e v t r a i n - - w a y s i d ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m m d c a n d i d a t e - w e ih u i s u p e r v i s o r ：z h e n gg u o x i n m a j o r ：e l e c t r o m a g n e t i ca n dm i c r o w a v et e c h n o l o g y s c h o o lo fc o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g s h a n g h a iu n i v e r s i t y j a n u a r y , 2 0 1 0 i v 上海人学硕士学位论文 摘要 现代通信系统对速率和带宽要求越来越高，毫米波以其通信容量大、 安全保密性好、传输质量高以及全天候通信的特点，被应用于上海磁浮交 通车地通信，实现信号的传输。本文研究3 8 g 毫米波的在开阔空间和隧道 环境下的传播规律和特性，用以指导基站的设计。论文主要工作如下： 1 研究了目前应用较为普遍的电磁波传播规律预测方法，包括统计方 法、确定性方法和混合方法，在分析了这些方法的优缺点的基础上，针对 室外开阔空间和隧道空间，分别提出了研究毫米波传输特性的方案。根据 直隧道和弯曲隧道中毫米波传播的不同机制，分别提出了基于几何光学 ( g e o m e t r i c a lo p t i c s ，g o ) 的直隧道中毫米波的传播模型和基于一致绕射理 论( u n i f o r mt h e o r yo fd i f f r a c t i o n u t d ) 的弯曲隧道中毫米波的传播模型。 2 构建了毫米波传输测试系统，运用毫米波变频模块与高精度频谱仪 相结合的方法，解决了高端测试仪器不能在现场使用而毫米波测量又要求 高精度的矛盾，并对测试系统进行了标定。分别在开阔空间和隧道环境进 行了毫米波传播的测试，分析得出了毫米波在不同环境中的传播特性。 3 在分析综合测试数据基础上，应用射线跟踪理论，建立了电磁仿真 模型研究毫米波传输特性。通过调整模型的参数，使得仿真结果与实测结 果相一致。运用该模型对各种环境下和采用不同天线时毫米波的传输进行 了仿真，分析得出了毫米波在限定空间中传播规律，给出在确定调制方式 下数字传输速率的最高界限，理论计算得出了目前基站设置情况下盲区的 分布。这些具有创新性的结果为磁浮基站的设置提供了理论指导。 4 在以上研究的基础上，分别给出了室外开阔空间和隧道环境下无线 链路的估算公式，并提出了磁浮列车毫米波通信系统基站的设计原则，为 不同环境下无线基站设计提供了有现实意义的指导意见。 关键词：毫米波传输，射线跟踪法，路径损耗，3 8 g ，隧道 一j ：海大学硕- 1 二学位论文 a bs t r a c t m o d e mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sr a i s eh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o rb a n d w i d t h a n dd a t ar a t e s i n c em i l l i m e t e rw a v ec o m m u n i c a t i o n p o s s e s s e s t h e c h a r a c t e r i s t i c so fs e c u r i t y , h u g ec a p a c i t y , h i g hq u a l i t yo ft r a n s m i s s i o na n d a l l w e a t h e r c o m m u n i c a t i o n ，s h a n g h a im a g l e vt r a n s p o r t a t i o n w i l l a p p l y m i l l i m e t e r - w a v ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y t oa c h i e v e t r a i n w a y s i d e c o m m u n i c a t i o n t h e r e f o r ew em u s tu n d e r s t a n dt h e1 a w sa n dc h a r a c t e r i s t i c so f m i l l i m e t e rw a v ep r o p a g a t i o ni no p e ns p a c ea n dt u n n e le n v i r o n m e n tt og u i d et h e i n s t a l l a t i o na n dd e s i g no ft h eb a s es t a t i o n t h ew o r ko ft h et h e s i si sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h es t u d ym e t h o d so nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm i l l i m e t e rw a v e p r o p a g a t i o ni no p e ns p a c ea n dt u n n e le n v i r o n m e n ta r ep r o p o s e da f t e ra n a l y z i n g t h ep o p u l a rp r e d i c t i o nm e t h o d so fe l e c t r o m a g n e t i cw a v ep r o p a g a t i o ni n c l u d i n g s t a t i s t i c a lm e t h o d s ，d e t e r m i n i s t i cm e t h o d sa n dh y b r i dm e t h o d s d i f f e r e n t p r o p a g a t i o nm o d e l s a r ep r o p o s e d a c c o r d i n g t od i f f e r e n tm e c h a n i s m so f m i l l i m e t e rw a v ep r o p a g a t i o ni ns t r a i g h tt u n n e l sa n dc u r v e dt u n n e l s p r o p a g a t i o n m o d e lo fs t r a i g h tt u n n e li sb a s e do ng o ( g e o m e t r i c a lo p t i c s ) t h e o r y , w h i l e p r o p a g a t i o nm o d e lo fc u r v e dt t m n e li sb a s e do nu t d ( u n i f o r mt h e o r yo f d i 衢a c t i o n ) s e c o n d l y , m i l l i m e t e rw a v et r a n s m i s s i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mi sd e s i g n e d a n dc a l i b r a t e d ，w h i c hs o l v e st h ec o n t r a d i c t i o nt h a th i g h e n dm e a s u r e m e n t e q u i p m e n tc a nn o tb eu s e di n t h es i t ef o ri t s l a r g es i z ea n dm i l l i m e t e rw a v e p r o p a g a t i o nm e a s u r e m e n t sr e q u i r eh i g h p r e c i s i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mb yu s i n g t h ec o m b i n a t i o no ff r e q u e n c yc o n v e r s i o nm o d u l ea n dh i g h p r e c i s i o ns p e c t r u m a n a l y z e r t h e nt h em e a s u r e m e n t si no p e ns p a c ea n dt u n n e le n v i r o n m e n t sa r e c o n d u c t e dr e s p e c t i v e l y , a n dm i l l i m e t e rw a v ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si n d i f f e r e n te n v i r o n m e n t sa r eo b t a i n e db ya n a l y z i n gt h em e a s u r e m e n td a t a 1 1 上海人学硕士学位论文 t h i r d l y , t h es i m u l a t i o nm o d e lo fm i l l i m e t e rw a v ep r o p a g a t i o nb a s e do nr a y t r a c i n gm e t h o di s b u i l t a n dt h ep a r a m e t e r so fp r o p a g a t i o nm o d e la n ds b r m e t h o da r ea d j u s t e dt om a k et h es i m u l a t i o nr e s u l t sc o n s i s t e n tw i t hm e a s u r e m e n t r e s u l t s ，w h i c hg u a r a n t e et h ec o r r e c t n e s sa n dr e l i a b i l i t yo ft h ef o l l o w i n gr e s e a r c h t h e i lal o to fs i m u l a t i o n sb a s e do nt h ev e r i f i c a t i o nm o d e lh a v eb e e nd o n ei n d i f f e r e n te n v i r o n m e n t s ，a n dt h ev a l u a b l ec o n c l u s i o n so nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f m i l l i m e t e rw a v ep r o p a g a t i o ni nt u n n e l sa r eg a i n e d t h eh i g h e s tr a t eo ft h e d i g i t a ls i g n a lt r a n s m i s s i o ni nd e t e r m i n a t et y p eo fm o d u l a t i o na n dt h eb l i n da r e a d i s t r i b u t i o nb a s e do nt h ec u r r e n ts e t t l e m e n to fb a s es t a t i o n b yt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o na r ep u tf o r w a r d t h e s ei n n o v a t i v ec o n c l u s i o n sp r o v i d et h et h e o r e t i c a l g u i d ef o rm a g l e vb a s es t a t i o nd e s i g n f i n a l l y , t h ee s t i m a t i o nf o r m u l a s o nt h ew i r e l e s sl i n ka n dt h e d e s i g n p r i n c i p l eo ft h em a g l e vb a s es t a t i o ni nt h eo p e ns p a c ea n dt u n n e le n v i r o n m e n t a r ep r o p o s e d ，p r o v i d i n gg u i d a n c ef o rt h ed e s i g no fw i r e l e s sb a s es t a t i o ni n d i f f e r e n te n v i r o n m e n t s k e y w o r d s ：m i l l i m e t e rw a v ep r o p a g a t i o n ，r a yt r a c i n gm e t h o d ，p a t hl o s s ， 3 8 gt u n n e l 上海人学硕上学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录 第一章绪论l 1 1 课题来源1 1 2 课题研究的背景和意义l 1 3 国内外研究概况1 1 4 论文的主要研究内容5 第二章毫米波传输特性的预测方法7 2 1 引言。7 2 2 毫米波传输特性预测方法7 2 2 1 电磁波传播特性预测方法。7 2 2 2 毫米波传输特性的预测方法9 2 3 毫米波在隧道中的传播模型1 0 2 3 1 入射和反射射线( s b r ) 射线管跟踪技术。1 1 2 3 2 直隧道中毫米波传播模型1 3 2 3 3 弯曲隧道中毫米波传播模型1 5 2 4 本章小结1 6 第三章3 8 g 毫米波传播测试1 7 3 1 引言1 7 3 2 测试系统设计17 3 2 1 发射装置1 7 3 2 2 接收装置l8 3 2 3 选用大线1 9 3 3 测试系统标定2 0 3 4 室外开阔环境中3 8 g 毫米波传播测试2 l 3 4 1 测试设备和环境2 1 3 4 2 测试结果2 2 3 4 3测试结果分析2 2 3 5隧道环境中3 8 g 毫米波传播测试2 3 3 5 1 测试设备和环境2 3 3 5 2 测试结果2 4 3 5 3 测试结果分析2 5 3 6 开阔空间与隧道空间电波传播比较2 6 3 7 本章小结2 7 第四章3 8 g 毫米波在隧道环境中的传播仿真2 8 4 1 引言一2 8 4 2w i r e l e s si n s i t e 仿真平台介绍2 8 i v 1 上二海大学硕l 学位论文 4 3 射线跟踪模型建立3 0 4 3 1 传播模型参数的确定3 0 4 3 2 s b r 射线参数的确定3 0 4 3 3隧道模型建立3 5 4 4 直隧道环境下毫米波传播仿真3 7 4 4 1 不同水平偏转角的传播仿真3 7 4 4 2 不同高度的传播仿真4 0 4 4 3 不同俯仰角的传播仿真4 l 4 4 4 不同天线的传播仿真4 2 4 4 5 不同发射大线位置的传播仿真4 3 4 4 6 不同隧道、卜径_ 卜i 直隧道的传播仿真4 4 4 4 7不同频率信号在直隧道中的传播仿真4 5 4 4 8 不同隧道壁相对介电常数下的传播仿真4 5 4 4 9 不同隧道壁电导率下的传播的仿真4 6 4 4 1 0 时延扩展仿真4 7 4 5 弯曲隧道中的毫米波传播仿真4 8 4 6 第五章 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 5 6 第六章 6 1 6 2 6 3 6 4 6 5 第七章 7 1 4 5 1不同天线的仿真4 8 4 5 2路径损耗与频率关系仿真4 9 本章小结5 0 基站覆盖盲区的计算5 2 引言5 2 计算条件5 2 理论分析5 2 理论计算5 6 5 4 1 不同基站大线高度时，基站下车载天线的接收功率和盲区5 6 5 4 2 相同基站天线高度时，不同水平位置车载天线的接收功率和盲区6 2 总结一6 3 本章小结6 4 基站设计原则6 5 引言6 5 室外开阔空间传输时无线链路的计算6 5 隧道空间传输时无线链路的计算6 6 隧道环境卜基站设计原则6 8 本章小结一6 9 结论与展望7 0 结论7 0 7 2 展望7 l 作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文7 8 作者在攻读硕士学位期间所作的项目7 9 致j 射8 0 v 上海人学硕上学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于上海大学通信学院与上海磁浮交通工程技术研究中心合作项 目毫米波通信系统在隧道内传播特性测试的研究，研究成果将编入高速 磁浮交通设计规范，指导无线电基站设计。 1 2 课题研究的背景和意义 随着人类社会信息化进程的加快，电磁频谱的应用范围同益扩大。上世纪7 0 年代，国际电信联盟( i t u ) 召开的世界无线电大会对通信业务使用的3 0 g h z 7 0 g h z 频段进行了划分和分配。近年来，由于宽带大容量信息传输、个人通信 及军事保密抗干扰通信的需求持续增长，毫米波乃至亚毫米波领域已经成为国 际电磁波频谱资源研究、开发和利用的一个极其活跃的领域，它蕴藏着十分丰富 的信息资源。为了提高通信容量，避免信道拥挤和相互干扰，通信频率必须向更 高的频段发展。在综合因素的共同推动下，极大加快了毫米波通信技术的前进步 伐。 由于毫米波具有通信容量大、安全保密好、传输质量高以及全天候通信的 特点 1 】，上海磁浮交通将采用毫米波通信技术，实现信号的传输。因而必须了 解毫米波的在开阔空间和隧道环境下的传播规律和特性，来指导基站的设计。 从目前来看，虽然国内外有不少学者对毫米波的传播进行过研究，但缺乏在隧 道等特定环境下，毫米波基站的无线链路特性的研究。因而全方位细致地研究 毫米波无线链路的特性，对于指导磁浮基站设计是亟待解决的课题。 1 3 国内外研究概况 目前国内外毫米波的主要研究方向集中在系统中元部件和天线所涉及的 理论和方法。研究内容包括新型高增益天线、集成单脉冲天线、焦面阵成像技 上海人学硕士学位论文 术以及毫米波器件与电路等。 毫米波在限定空间的传播规律研究较少，文献 2 】研究了铁路隧道中毫米波 传输特性，发现用于隧道通信的6 0 g h z 毫米波时延扩展通常很小，当有一主直 射波( l o s ) 存在而没有其他强反射时，大于5 0 n s 的脉冲响应可以忽略。而当 主直射波路径损耗大或存在强反射物( 如相向而过的列车) 时，时延扩展的影 响十分显著，引起误码率的上升。通过对各种极化波的分析，在几百米范围内， 圆极化波误码率性能最好，更远范围时与垂直极化波有相近的性能，而水平极 化波只在较短距离内有优势。 许多测试 3 1 1 4 5 研究隧道通信中2 g h z 信号传输，建议收发距离间隔， 一般分2 3 段( 如5 0 m 以内，5 0 m 至5 0 0 m ) 。统计分析表明当仅考虑衰落， 信号概率密度分布服从瑞利分布。最大时延扩展1 0 0 n s ( 对应1 5 d b 衰落) ，平 均时延扩展2 0 n s - - 3 0 n s ，相干带宽1 0 - - 3 0 m h z 。 大部分关于隧道中无线电传播的研究频带都集中在5 g h z 以下。文献 6 】 研究了最大到1 0 g h z 的平直与弧形隧道的传输损耗，大量测量表明弧形隧道的 传输损耗对频率更加敏感。文献 7 】 8 】提出一种隧道损耗预测模型，依靠拐点位 置设置不同区域，拐点范围以内用光射线分析( 波导) 模型，拐点范围以外用 单光射线( 自由空间) 模型。拐点位置的设置与频率、天线位置、隧道传播方 向有关。 在移动通信领域，在城市街区等环境中的电磁波传播有许多研究，对于地 面基站规划有相当成熟的经验，以解决移动通信的覆盖问题 9 】。在无线网络规 划中，根据用户分布、业务种类、无线传播环境进行链路预算，根据校正后传 播模型( 如c o s t 2 3 1 h a t a 模型) ，得到小区的覆盖半径。基站覆盖范围、容量、 干扰三者之间是相互关联相互制约 1 0 】，这些原则可以用于磁浮基站的设计。 在铁路以及地铁通信的无线电系统都未使用毫米波，其主要系统包括铁路 4 0 0 m 常规通信，地铁列调8 0 0 m 集群通信 1 1 】，铁路列调9 0 0 mg s m r 的无线 通信 1 3 】，以及地铁基于通信的列车控制c b t c 系统以及乘客信息p i s 系统中 的无线通信系统 1 2 】，它们是工作在2 4 g 的无线电局域网8 0 2 1 1 9 或工作在5 8 g 的无线电局域网8 0 2 1 1 a ，因而未见有关高达3 8 g 毫米波基站的规划研究，但这 2 l ：海大学硕卜学位论文 些系统设计中的传输测试方法可以借鉴。 隧道内电波传播规律的研究方法主要有波导理论和射线跟踪理论。 1 波导理论 传统上采用波导理论分析隧道中电波的传播损耗，可以将隧道视作有损介质 波导，当工作频率高于波导的截止频率时，t e 波和t m 波能在其中进行传输，截 止频率与隧道的形状、横截面尺寸、电磁波的模式所决定 1 4 。文献 1 5 分析圆 形弯曲隧道的传播损耗，当曲率半径增大时，衰减减小，水平极化的电磁波受弯 曲隧道曲率半径影响小。e m s l i e 1 6 通过分析有损介质矩形波导中衰减最小的模 e ( 1 ，1 ) ，研究了u h f 电波在矩形煤矿隧道中的随频率、粗糙度和隧道壁倾斜度 变化的特性。c h i b a 1 7 】采用相同尺寸的圆形波导理论分析了拱形隧道电波传播 规律，认为电波在隧道中的传播是由主模完成的，分析得到了与实验结果相似的 r e o 。和e h 。模衰减。d e 巧c k 1 4 运用波导理论结合实测数据分析给出- r = 个频率 范围：低于截止频率、截止频率附近、高于截止频率的三种不同的电波传输机制， 并研究了电波传播特性和隧道横截面尺寸和隧道参数的关系。 采用波导理论研究隧道中电磁波的传输的方法有公式法和模式转换法，两者 相互解释相互补充。对于公式法，首先推导出波模方程，采用解析或者数值方法， 得到波导中电波传输的衰减常数。文献 18 】采用m u l l e r 数值方法得到r e o 。和t m 。 的的衰减常数，发现圆形隧道中频率越高衰减越小。针对不同截面的隧道，文献 1 9 】采用解析的方法分析了矩形、圆形和拱形隧道的衰减常数，得出了电波在任 意截面隧道中的衰减常数计算公式，从公式上可以明确看出衰减随截面尺寸的增 大或工作频率的增大而减小。文献 2 0 】对文献 1 6 1 推导出的有损介质波导衰减公 式进行了修正，考虑了电导率的影响。文献 2 1 采用了超大尺寸周期加载的不完 全矩形波导模型，研究了隧道中有列车时的无线电波传播特性。 模式转换法的基本思想是：无线电波在隧道中的传播为多种h e m 。模的混 合模传播，多模传播导致了信号的起伏和码间干扰，另外，隧道的弯曲、分支及 障碍物等因素会导致模式转换，增加模式衰减 2 2 。模式转换的思想能够很好地 解释近场区和远场区的快衰落现象，当接收天线距发射天线较近时，更多的高次 上海大学硕士学位论文 模起作用，因而信号起伏较大，随着距离增大，高次模很快衰减，在远场区，只 有直射和基模起作用，因而快衰落减弱 2 3 。文献 1 6 分别给出了不同频率下圆 形隧道和矩形隧道中不同模的衰减，给出了不同频率隧道中的主模。 尽管波导理论非常成熟，但是将波导理论用于隧道中电磁波的计算有其局限 性：1 ) 采用波导模型只能预测电磁波衰减，对多径引起的时延扩展和电场分布 无法预测 2 4 】；2 ) 计算复杂，只适用于规则截面的空隧道，对于结构复杂的隧 道预测精度低；3 ) 波导理论适用的频率范围荚j 3 0 0 m h z 一3 g h z 2 5 】，因为此时隧 道壁呈现低损耗介质特性。 2 射线跟踪理论 射线跟踪法是进行电波传播预测的有效方法，这种方法已被广泛地用于移动 通信和个人通信环境中，用来预测无线电波传播特性。射线跟踪法是基于几何光 学( g e o m e t r i c a lo p t i c s ，g o ) 原理，在几何光学中，只考虑直射、反射和折射射 线。对于障碍物的绕射，通过引入称为绕射射线理论来补充g o 理论，即几何绕 射理论( g e o m e t r i c a lt h e o r yo f d i f f r a c t i o n ，g t d ) 和一致绕射理论( u n i f o r mt h e o r y o f d i f f r a c t i o n ，u t d ) 2 6 。射线跟踪法的基本思想是：通过确定多径信道中收发之 间所有可能的射线路径，然后根据电波传播理论来计算每条射线的幅度、相位、 延迟和极化，再结合天线的方向图和系统带宽就可得到到达接收点的所有射线的 合成结果 2 7 。 该方法的难点是在确定每一条射线的传播路径。多年来，很多学者对此作过 深入的研究 2 8 4 7 ，并得到了一些行之有效的方法。目前提到较多的射线跟踪技 术有：入射反射线( s h o o t i n ga n db o u n c i n gr a y , s b r ) 法、镜像法和s b r 镜像法。 l i n g 首先提s b r 法用于计算任意形状腔体的雷达散射截面( r a d i oc r o s s s e c t i o n ， r c s ) 2 8 ，y a n g 2 9 提出了射线管方法来避免s b r 法接收射线重复计算的缺点， r y o i c h is a t o 等人 3 0 3 3 】将s b r 法用于预测室内电波的传播规律。镜像法 3 4 3 7 】 用于简单的环境且反射次数较少的情况，由于其未考虑不能到达接收机的射线， 因而具有非常好的计算效率【3 4 】，文献 3 5 3 7 将镜像法用于预测规则分布的街区 的电波传输。对于复杂的室内环境一般采用s b 刚镜像法 3 8 4 1 ，文献 4 1 】对隧道 中有列车和没列车情况下的电波传播特性，提出了矢量有效天线高度( v e c t o r 4 l ：海大学硕j ：学位论文 e f f e c t i v ea n t e n n ah e i g h t ，v e h ) 来解决拱形隧道的极化耦合，发现拱形隧道的聚 焦效应使其衰减小于矩形隧道，有车时会产生明显的快衰落。 为了提高射线跟踪效率，射线跟踪加速算法应运而生，常用的加速算法有： 二元空间分区( b s p ) 、空间体积分区( s v p ) 和角度的z 缓存区( a z b ) 。 m f , c a t e d r a 等提出了角度的z 缓存区( a n g u l a rz - b u f f e r , a z b ) 法 4 2 1 。a z b 法首先 针对环境进行处理，将大环境划分为一些较小区域，以数组形式保存建筑物的 坐标信息，然后对射线进行跟踪，考虑射线所经过的那些小区域内的建筑物， 这样可以减少跟踪时需要考虑的建筑物的数量，但处理也很复杂，文献 4 3 4 7 】 都采用了这种方法。 目前对毫米波的研究主要集中在毫米波器件，而对隧道通信主要研究的是 u h f 频段的无线电波传播。对于隧道内毫米波基站的无线链路仿真，尚未看到 针对性的研究，因此，本课题的研究具有明显的创新性并对磁浮工程的具有重 要的指导意义。 1 4 论文的主要研究内容 本论文研究了高速磁浮3 8 g 毫米波无线通信系统的传播特性，并辅以理论 分析，将分析结果与可靠的实验进行综合研究，在此基础之上，针对磁浮列车 基站在隧道中的设计原则，对基站( 包括天线) 以及车载天线的设计和设置提 出具体要求。 论文具体内容安排如下： 第一章：介绍了论文的来源、研究背景和国内外研究概况。 第二章：分析了现有较为成熟的电磁波传播特性预测方法的优缺点，针对 毫米波传播的特殊性确定了开阔空间毫米波和隧道空间毫米波传输特性的研究 方法。对毫米波研究的理论基础射线跟踪法进行了研究，并提出了直隧道和弯 曲隧道中毫米波的传输模型。 第三章：建立了3 8 g 传输测试系统，对系统进行了标定，分别在上海大学 校园开阔环境中进行了毫米波无线电传输实验和上海地铁九号线桂林路站进行 了毫米波在隧道中的传输实验，分析得出了毫米波在自由空间和隧道空间的传 5 上海人学硕十学位论文 播规律。 第四章：在实验测试和理论研究的基础上，分析确定了射线跟踪模型的参 数，包括传播模型参数和s b r 射线参数，使得仿真结果接近实测情况。并运用 该模型对各种环境下各类天线的传输特性进行仿真，综合得出了毫米波在限定 空间中传播规律。 第五章：研究了现有磁浮基站设置时的盲区分布，分别从不同基站天线高 度时，基站下车载天线的接收功率和相同基站天线高度时，不同水平位置车载 天线的接收功率两方面研究了盲区随基站高度和位置的变化。 第六章：在综合第三、四、五章的基础上，讨论了室外开阔空问传输时无 线链路的计算和隧道空间传输时无线链路的计算，并在此基础上提出了隧道环 境下基站的总体设计原则，用于指导毫米波的基站设计。 第七章：总结全文并指出今后课题的研究方向。 论文的主要创新点： 1 提出了3 8 g 毫米波在直隧道和弯隧道的传播模型，并验证了模型的正确 性。采用s b r 射线跟踪原理对3 8 g 毫米波在直隧道和弯曲隧道中的传输规律进 行了分析。 2 提出了毫米波场强测试新的技术路线，构建了毫米波传输测试系统。采 用毫米波变频模块与高精度频谱仪相结合的方法，解决了高端测试仪器不能在 现场使用而毫米波测量又要求高精度的矛盾。并对毫米波通信系统在隧道和开 阔空间的传播特性作了全面测试，获得了宝贵的实测数据。 3 对毫米波的传输规律进行了综合。分别采用直隧道和弯隧道电波传播模 型进行各种不同情况下的毫米波传播仿真，发现了毫米波在隧道中的传输损耗 远小于室外开阔空间，发现了毫米波在弯曲隧道可以“绕行”，这些结论都具有 创新性，改变了毫米波不利于在隧道中传播的普遍认识。 4 提出了隧道环境中毫米波通信数据传输速率的上限。 5 研究分析了现有磁浮基站设置情况下，基站盲区的分布。 6 提出了开阔空间和隧道内磁浮列车毫米波通信系统基站的设计原则，为 不同环境下无线基站设计提供了有现实意义的指导意见。 6 上海大学硕士学位论文 第二章毫米波传输特性的预测方法 2 1 引言 在设计移动通信系统时，一个最重要的问题就是要知道系统覆盖区内每个接 收点接收信号的强度以及它的波动变化情况。接收信号的强度可以通过测量的方 法获得，但是这样做势必会提升成本，而且由于环境的限制，不能全面地了解电 磁波的传播规律。本章正是着眼于此，在分析比较当前较为普遍的电磁波传播预 测方法的基础上，讨论并选择适用于磁浮交通环境下，毫米波传输特性的研究方 案，并提出了毫米波在直隧道和弯曲隧道中不同的传输模型。 2 2 毫米波传输特性预测方法 2 2 1电磁波传播特性预测方法 对电磁波传播特性的研究大致可以分为统计方法、确定性方法、混合方法三 类： 1 统计方法 统计方法是在各种类型的传播环境中进行发射和接收实验，现场记录下接收 信号的各种数据；然后用计算机对大量的数据进行统计分析，寻找出反映传输特 性的各种参数的统计分布；再根据数据分析结果，建立传输信道的统计模型来进 行传播预测 4 8 。常用的经验模型有：奥村模型、c o s t2 3 1 - h a t a 模型、l e e 模型、 w a l f i s c h 模型等等。 优点：统计性模型公式简单、使用方便，在现实地形、地物和公式约束条件 相差不大的条件下，统计模型是一种省时省力的预测方法。 缺点：1 ) 经验模型一般用于发射天线处在小区中较高的地方( 0 n 高塔上，小 山上等) ，而接收机则被相对大量的障碍物( o n 建筑物、小山等) 所遮挡的情形。对 于微蜂窝或微微蜂窝移动通信系统，发射天线处在较低位置的情况，这时用统计 7 上海人学硕七学位论文 方式得到的经验模型就不再适用。2 ) 大多数以统计方式得到的传播模型的目标 仅仅是预测发射机到接收机之问的路径损耗中值，对于高速数字或其它宽带信号 来说，不能预测实际传播环境中多径信号的幅度和延迟【4 9 5 0 。 2 确定性方法 即用电磁波的传播理论来计算路径的传播损耗，常见的技术包括射线跟踪、 时域有限差分( f d t d ) 和积分方程( i e ) 。其中f d t d 和i e 是基于麦克斯韦方程 因为传播环境的复杂性使得求解方程所需的边界条件很难确定，且多用于与波长 相同数量级的预测。所以多数研究采用的是射线跟踪法( r a y - t r a c i n gm e t h o d ) 以及由射线跟踪法衍生出来的种种算法 4 8 1 。 优点：1 ) 适用范围广，在乡村地区、在发射机和接收机都很靠近地面的街 道上和室内环境中，都能很精确地建模接收信号功率。2 ) 能过精确预测高速数 字信号和宽带信号的多径分量的幅度、时间延迟和到达角来预测城市环境中无线 信道的信号电平和时问色散或者获得信道的冲激响应。一旦知道冲激响应，一系 列相应的参数( 如所要求的发射脉冲形状的功率延迟分布、平均差分延迟、均方 根延迟扩展、相关带宽等等) 都能被确定。3 ) 它能够结合天线的辐射方向图， 分别考虑辐射方向图对每条射线的影响，这一点超过了其他传播模型。 缺点：计算工作量大，对地理信息系统要求较高，如应用射线跟踪模型时， 必须有详细的环境描述信息，包括地形地貌信息、建筑物信息、室内结构信息等。 3 混合方法 混合方法是基于把确定性方法用于一般的市区或室内环境中导出的等式。有 时候，为了改善它们和实验结果的一致性，则根据实验结果对等式进行修正，得 到的等式是天线周围地区某个规定特性的函数。混合模型的应用同样很容易、速 度很快，因为和经验性模型一样，结果是从闭式中得到。典型的混合模型为双射 线模型和多射线模型 2 6 】。 双射线传播模型只考虑直达射线和地面反射射线的贡献，如图2 1 所示。该 模式对于平坦地面的农村环境是可以适用的，而且它也适合于具有低基站天线的 微蜂窝小区，在那里收发天线之间有l o s 路径。双射线模型给出的路径损耗是收 发之间距离的函数，可用两个不同斜率( n ，和n ，) 的直线段近似，如( 2 1 ) 、 - i ：海大学硕十学位论文 = 厶+ ，。g ( 丢d 吃 。2 ， = 厶+ - 。，z z 。g ( 丢d 吒 。2 2 ， 突变点( b r e a kp o i n t ) d o 出现在离发射端的距离为( 2 3 ) 处： d o ：4 h 了r h r 把双射线模式的传播路径分成两个本质截然不同的区域。当离基站较近时， 即在突变点之前的称为近区；当离基站较远是，及在突变点之后的区称为远区。 一d _ - 卜 图2 1 双射线模犁 多射线模型是在双射线模型的基础上产生的，如四射线模型的传播路径除了 视距传播和地面反射路径外，还包括两条建筑物反射路径，六射线模型则包括了 四条建筑物反射路径。显然，模型包括的反射路径越多，该模型就越精细，但计 算量也随之增加。 优点：兼顾了统计方法和确定性方法，应用容易、速度很快，能够得到闭合 预测公式。 缺点：随着射线的增加，模型复杂度急剧增加，因而一般只用于估算较为简 单的模型。 2 2 2毫米波传