真空管磁浮列车漏泄波导车地通信无线信道建模方法

本发明涉及磁浮列车无线通信，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。

背景技术：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、本发明的目的在于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，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

3、本发明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：

4、漏泄波导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；

5、其中，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圆环与上一个缝隙所对应的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；

6、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。

7、进一步的，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。

8、进一步的，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：

9、

10、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。

11、进一步的，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：

12、

13、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：

14、

15、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。

16、进一步的，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表示为：

17、

18、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；表示第m个缝隙tm至车载天线视距径的多普勒频偏；

19、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：

20、

21、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。

22、进一步的，计算散射分量包括：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：

23、其中，n为圆环上散射点的数目；r为管道半径；

24、对第m'个缝隙tm'进行如下判断：

25、

26、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，则根据公式(10)构造新的散射点圆环。

27、进一步的，单跳散射分量对应的时变cir表示为：

28、

29、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。

30、进一步的，角度变量θmn∈(0,180°)，且sinθmn的表达式为：

31、

32、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：

33、

34、最终的cir为直射分量和散射分量之和表示为：

35、h(t,τ)＝hlos(t,τ)+hs(t,τ)。

36、进一步的，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。

37、进一步的，采用信号重构理论重构时延功率谱，表示为：

38、

39、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)；

40、角度功率谱表示为：

41、

42、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；

43、多普勒功率谱表示为：

44、

45、其中，f表示多普勒频偏变量，δf表示多普勒频偏分辨率。

46、本发明有益效果：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。考虑了直射分量和散射分量，对真空管磁浮列车这一应用场景下的漏泄波导无线信道建模提供了一种新方法。

47、本发明附加方面的优点，将在下述的描述部分中更加明显的给出，或通过本发明的实践了解到。