CN105721087B - 基于传播图理论的非视距类距隧道环境下的信道建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于传播图理论的非视距类距隧道环境下的信道建模方法。该方法主要包括:将隧道的几何模型划分成若干个散射点集合，将各个散射点集合进行排列组合获得传播路线；利用传播路线上依次相邻两散射点集合之间的子传递函数的级联计算，得到所述传播路线的传递函数，利用转移概率调整传播路线的传递函数；将调整后各个传播路线的传递函数求和得到非视距类隧道系统的传递函数，再做傅里叶逆变换获得非视距类隧道系统的时域信道冲激响应。本发明实施例的基于传播图理论的非视距类距隧道系统的信道建模方案改进了传播图理论方法，提出转移概率和划分面的概念，能很好地适用于非视距矩形、马蹄形隧道等类距隧道系统的信道建模。

Description

基于传播图理论的非视距类距隧道环境下的信道建模方法

技术领域

本发明涉及隧道信道模型技术领域，尤其涉及一种基于传播图理论的非视距类距隧道环境下的信道建模方法。

背景技术

随着地下轨道交通的迅速发展，车地间通信以及旅客通信需求也越来越迫切。建立完善的地下轨道通信系统，为列车的安全运行控制提供强有力的保障，满足旅客多样化的通信需求，提供流畅、清晰、误码率低的图像和用户数据等，就显得尤为重要。

现如今，许多研究人员正在将地面上的成熟的移动通信系统技术应用到隧道系统中。常见的隧道信道模型有射线理论、模态理论和经验模型。

射线跟踪是一种精确的搜索射线轨迹的方法，能够准确预测出复杂环境中从发射天线到接收天线的射线传播，并计算多径信号的幅度、延时等参数。射线理论在复杂环境中具有较广泛的应用，但是效率低，计算量大，对计算机内存要求很高。

模态理论一般应用在简单几何场景下。它使用电磁场理论对无线电波在各类场景中的传播特性进行分析，最终以数学表达式的方式对传播信道进行描述。由于所提出的信道数学模型中通常会包含一些对环境和系统的假设，所以模态理论对传播信道的描述大多是近似的。

经验模型是通过大量的实际环境下的测量统计得到的一种模型。这种统计方法所得的结果直接来自于实测，直观可靠。但是，用该方法所得出的电波传播模型对环境的依赖性较大，对实测设备的要求也较高，这使得该方法的应用局限性较大。

传播图理论从频域的角度出发，从信道传递函数获取衰落特性，它将无线电波传播经历的反射物和散射物、传播等物理现象建模为计算机科学中的顶点和边的关系，利用频域传递函数的级联，得到最终的信道传递函数。随后传播图理论被用于室内信道建模和高铁环境等建模。在隧道系统下使用传播图理论建模还没有得到应用。

在经典传播图信道建模理论中，将所有散射点作为一个集合，用统计概率来描述散射点集合内所有边发生的概率。对于某些互相不可见的散射点间的传递函数也相应地计算在内，这种方案只能粗略地描述散射点到散射点的传递函数，不适用于非视距环境。另一方面，对于不同形状的散射物，统计概率是不同的，经典图论并未区分出不同散射物之间的转移概率。因此，经典图论不能精确的描述散射点集合内部反射情况。

因此，开发一种有效的非视距类距隧道系统的信道建模方法是十分必要。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于传播图理论的非视距类距隧道环境下的信道建模方法，以实现对非视距类距隧道系统进行有效的建模。

本发明提供了如下方案：

一种基于传播图理论的非视距类距隧道环境下的信道建模方法，包括：

根据非视距类距隧道系统的实际隧道尺寸构建隧道的几何模型，将所述几何模型划分成若干个散射点集合，将各个散射点集合进行排列组合获得传播路线；

利用传播路线上依次相邻两散射点集合之间的子传递函数的级联计算，得到所述传播路线的传递函数，利用所述传播路线上依次相邻两散射集合之间的转移概率之积调整所述传播路线的传递函数；

将调整后各个传播路线的传递函数求和得到所述非视距类隧道系统的传递函数，对所述非视距类隧道系统的传递函数做傅里叶逆变换获得所述非视距类隧道系统的时域信道冲激响应。

进一步地，所述的根据非视距类距隧道系统的实际隧道尺寸构建隧道的几何模型，将所述几何模型划分成若干个散射点集合，包括：

根据非视距类距隧道系统的实际隧道尺寸构建弯曲隧道系统的几何模型，沿着弯曲隧道系统的内圆做切线，该切线与外圆相交成两点，将所述两点间的弧线所对应的角度作为最大划分角度，所述内圆为所述非视距类距隧道系统的内壁，所述外圆为所述非视距类距隧道系统的外壁；

以所述最大划分角度为分界线将所述非视距类距隧道系统分割为多个部分，将每个部分作为一个隧道点集合，每个隧道点集合包含多个不同的面，电磁波不能在每个隧道点集合的内部发生反射。

进一步地，所述的利用传播路线上依次相邻两散射点集合之间的子传递函数的级联计算，得到所述传播路线的传递函数，包括：

将各个散射点集合进行任意的排列组合获得多条传播路线；

利用传播路线上依次相邻两散射点集合之间的子传递函数的级联计算，得到传播路线的传递函数，相邻两散射点集合之间的子传递函数的计算公式如下：

A_e(f)＝g_e(f)expj(φ_e-2πτ_ef)

式中，f代表信号频率，j代表虚数，φ_e代表相位，满足[0,2π)均匀分布，τ_e代表传播时延,g_e(f)代表增益，针对四种传播过程，g_e(f)也都不同：

上式中，μ(ε′)＝∑_e∈ε′τ_e/|ε'|，并且ε′代表散射点集合，|·|表示集合中元素的个数,因此μ(ε′)表示发射顶点到散射体的平均传播时延；g²/odi(e)是散射点到散射点的功率增益，g为实数，需要根据实际场景设置大小，odi(e)表示从一个散射点集合到另外一些点集合的边数；

第i条传播路线的传递函数H_i的计算公式如下：

H_tx,S(1)表示第i条传播路线上发射端到第一个散射点集合之间的子传递函数，H_S(i),S(i+1)表示第i个散射点集合到第i+1个散射点集合之间的子传递函数，H_S(V),rx表示第v个散射点集合到接收端之间的子传递函数，所述H_tx,S(1)，H_S(i),S(i+1)和H_S(V),rx根据所述A_e(f)的计算公式计算得到。

进一步地，所述的利用所述传播路线上依次相邻两散射集合之间的转移概率之积调整所述传播路线的传递函数，包括：

计算出第i条传播路线的转移概率P_vis,i，计算公式如下：

P_tx,S(1)表示第i条传播路线上发射端到第一散射点集合之间的转移概率，P_S(j),S(j+1)为第j个散射点集合到第j+1个散射点集合之间的转移概率，P_S(V),rx表示第V散射点集合到接收端的转移概率；

定义散射点集合之间转移概率的计算公式如下：

x,y分别为两个散射点集合中的元素，X,Y各为两个散射点集合中所有元素个数，T用于判别两个散射点集合中两点是否相互可见，判断方法如下：

连接两点做一线段，并均匀的在线段上取点；

判断线段上的端点除外的点是否位于隧道壁围成的隧道内部；

若所有点均位于内部空间，则视为两点可见T＝1；反之，若至少有一点不在内部空间中，则认为两点不可见T＝0。

将第i条传播路线的传递函数H_i乘以该条传播路线的转移概率P_vis,i，得到调整后的第i条传播路线的传递函数P_vis,iH_i。

进一步地，所述的将调整后各个传播路线的传递函数求和得到所述非视距类隧道系统的传递函数，包括：

非视距类距隧道系统的传递函数H_S(f)的计算公式如下：

电磁波在非视距类距隧道系统的U个散射面之间发生V次反射，所述非视距类距隧道系统共有U^V条传播路线。

进一步地，所述的对所述非视距类隧道系统的传递函数做傅里叶逆变换获得所述非视距类隧道系统的时域信道冲激响应，包括：

对H_S(f)进行快速傅里叶逆变换IFFT获得非视距类隧道系统的时域信道冲击响应CIR，CIR的计算公式如下：

CIR＝IFFT(H_S(f))

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的基于传播图理论的非视距类距隧道系统的信道建模方案改进了传播图理论方法，提出转移概率和划分面的概念，能很好地适用于非视距矩形、马蹄形隧道等类距隧道系统的信道建模，并且能有效地减少计算量，提高非视距类距隧道系统建模的准确性，对环境的依赖性较小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于传播图理论的非视距类距隧道系统的信道建模方法的处理流程图；

图2为本发明实施例提供的一种非视距类距隧道系统的划分示意图。

具体实施方式

下面详细描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。下面通过参考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。

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、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

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。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。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

由上述分析，经典图论应用到隧道系统下需要进行一定的改进，本发明改进了传播图理论方法，使其适用于非视距矩形、马蹄形隧道场景。

本发明实施例在非视距类矩形隧道场景下，引入了散射点集合的划分算法和集合间转移概率的概念，来细化散射点到散射点间的传递函数。

本发明实施例提供的一种基于传播图理论的非视距类距隧道系统的信道建模方法的处理流程如图1所示，包括如下的处理步骤：

步骤S110：根据实际隧道尺寸构建隧道几何模型，将几何模型划分成若干个散射点集合。

按照隧道的几何大小构建隧道点几何模型，该几何模型用均匀分布的隧道点来描述隧道系统。

对于视距场景，根据划分好的散射点集合自身转移概率为0(即散射点集合内的点相互之间不可见)为判断标准划分，将隧道系统的几何模型划分成若干个散射点集合。

对于非视距弯道场景，图2为本发明实施例提供的一种非视距类距隧道系统的划分示意图，沿着内圆做切线，与外圆相交成两点，所述内圆为所述非视距类距隧道系统的内壁，所述外圆为所述非视距类距隧道系统的外壁，这两点间的弧线所对应的角度则为最大划分角度θ_cut。

根据几何关系，可得最大划分角θ_cut与内外圆半径R₁、R₂的关系如下：

θ_cut＝2arccos(R₁/R₂)

因此，当隧道弯曲角度较大，大于最大划分角度θ_cut的时候，以最大划分角度θ_cut为分界线将弯曲隧道分割为多个部分，将每个部分作为一个隧道点集合。每个隧道点集合包含多个不同的面，电磁波不能在每个隧道点集合的内部发生反射。相应的，若隧道弯曲小于θ_cut，那么可以将该弯道隧道视为一部分，接下来只需要对该部分的隧道进行更为细致的面的划分，根据视距场景的方法进行划分。

步骤S120：利用传播路线上依次相邻两散射点集合之间的子传递函数的级联计算，得到传播路线的传递函数。

将各个散射点集合进行任意的排列组合获得多条传播路线。

利用传播路线上依次相邻两散射点集合之间的子传递函数的级联计算，得到传播路线的传递函数，相邻两散射点集合之间的子传递函数的计算公式如下：

A_e(f)＝g_e(f)expj(φ_e-2πτ_ef)

式中，f代表信号频率，j代表虚数φ_e代表相位，满足[0,2π)均匀分布，τ_e代表传播时延。g_e(f)代表增益，针对四种传播过程，g_e(f)也都不同：

上式中，μ(ε′)＝∑_e∈ε′τ_e/|ε'|，并且|·|表示集合中元素的个数。因此μ(ε′)表示发射顶点到散射体的平均传播时延；g²/odi(e)是散射点到散射点的功率增益，g需要根据实际场景设置大小，odi(e)表示从一个散射体到另外一些散射体的边数。

电磁波在封闭环境中传播时，往往会经历多次反射。当电磁波在U个散射面之间发生V次反射时，考虑存在电磁波回路情况下，共有U^V条可能的传播路线，每条传播路线的传递函数由不同散射点集合之间的传递函数H_i(f)级联得到。

H_i表示第i条传播路线的传递函数，H_tx,S(1)表示发射端到第一个散射点集合之间的子传递函数，H_S(i),S(i+1)表示第i个散射点集合到第i+1个散射点集合之间的子传递函数，H_S(V),rx表示第v个散射点集合到接收端之间的子传递函数。上述H_tx,S(1)，H_S(i),S(i+1)和H_S(V),rx根据上述A_e(f)的计算公式计算得到。

步骤S130：利用传播路线上依次相邻两散射点集合之间的转移概率的级联计算，得到传播路线的转移概率。

某条传播路线的转移概率可以由下式计算：

P_tx,S(1)表示发射端到第一散射集合之间的转移概率，P_S(j),S(j+1)为第j散射点集合到第(j+1)散射点集合之间的转移概率，P_S(V),rx表示第V散射集合到接收端的转移概率。从而，电磁波沿某条路径发生概率是由不同散射点集合之间的转移概率之积决定。

定义散射点集合之间转移概率的计算公式如下：

x,y分别为两个散射点集合中的元素，X,Y各为两个散射点集合中所有元素个数。T用于判别两个散射点集合中两点是否相互可见。判断方法如下：

连接两点做一线段，并均匀的在线段上取点；

判断线段上的点(端点除外)是否位于隧道壁围成的隧道内部；

若所有点均位于内部空间，则视为两点可见T＝1；反之，若至少有一点不在内部空间中，则认为两点不可见T＝0。

考虑两种极端情况，当两个面互相不可见的时候，那么任取两个面上的两个点做连线，连线上的任意一点均不在所属空间内，因此对于所有的T均为0，所以这两个面间的转移概率为0；同样的，当两个面互相可见的时候，任取两个面上的连个点做连线，连线上任意一点均位于所属空间内，因此对于所有的T均为1，这两个面间的转移概率为1。

通过上述方法，我们可求得任意两个散射点集合间的转移概率P_S(j),S(j+1)，即电磁波由一个散射点集合反射到另一个散射点集合的转移概率。相应的可得电磁波沿某条传播路线的发生概率P_vis,i。

步骤S140：利用上述转移概率来调整各个传播路线的传递函数，将调整后的各个传播路线的传递函数求和得到整个非视距类隧道系统的传递函数。

非视距类距隧道系统的信道传递函数H_S(f)为各条传播路线的传递函数之和，定义发射端为tx，接收端为rx，定义散射点为S，定义反射次数为i，在不考虑转移概率的情况下，H_S(f)的计算公式如下：

在考虑转移概率的情况下，利用传播路线上依次相邻两散射集合之间的转移概率之积调整该传播路线的传递函数，即将各条传播路线的传递函数和转移概率相乘，将调整后各个传播路线的传递函数求和得到整个非视距类隧道系统的传递函数，得到非视距类距隧道系统的传递函数H_S(f)，计算公式如下：

步骤S150：对H_S(f)进行IFFT(Inverse Fast Fourier Transform，快速傅里叶逆变换)，获得整个系统的时域信道冲击响应获得CIR(Channel Impulse Response，时域信道冲激响应)。

CIR＝IFFT(H_S(f))

获得CIR之后，进行适当的运算，即可获得PDP(功率时延谱)，信道容量，离开角，到达角等有效信息。可以根据这些参数信息规划或者优化通信系统。

综上所述，本发明实施例的基于传播图理论的非视距类距隧道系统的信道建模方案改进了传播图理论方法，提出转移概率和划分面的概念，能很好地适用于非视距矩形、马蹄形隧道等类距隧道系统的信道建模，相对于传统的传播图理论方法，本发明实施例的方法对于多径信息的体现更加具体，同时也提高了仿真的准确度。传统的隧道仿真方法比如射线跟踪法计算时间较长。传播图理论可以有效地缩短计算时间。比如射线跟踪法需要几小时的计算时长，传播图理论只需要几分钟就可以解决。另外传播图理论只需要知道测量环境具体的几何尺寸就可以建模仿真，不需要额外的环境信息，对环境的依赖性较小。本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件单元的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于传播图理论的非视距类距隧道环境下的信道建模方法，其特征在于，包括：

根据非视距类距隧道系统的实际隧道尺寸构建隧道的几何模型，将所述几何模型划分成若干个的散射点集合，每个散射点集合由散射点构成，将各个散射点集合进行排列组合获得传播路线，所述类距隧道系统包括矩形、马蹄形隧道；

利用传播路线上依次相邻两散射点集合之间的子传递函数的级联计算，得到所述传播路线的传递函数，利用所述传播路线上依次相邻两散射点集合之间的转移概率之积调整所述传播路线的传递函数；

将调整后各个传播路线的传递函数求和得到所述非视距类距隧道系统的传递函数，对所述非视距类距隧道系统的传递函数做傅里叶逆变换获得所述非视距类距隧道系统的时域信道冲激响应。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的根据非视距类距隧道系统的实际隧道尺寸构建隧道的几何模型，将所述几何模型划分成若干个的散射点集合，每个散射点集合由散射点构成，包括：

根据非视距类距隧道系统的实际隧道尺寸构建弯曲隧道系统的几何模型，沿着弯曲隧道系统的内圆做切线，该切线与外圆相交成两点，将所述两点间的弧线所对应的角度作为最大划分角度，所述内圆为所述非视距类距隧道系统的内壁，所述外圆为所述非视距类距隧道系统的外壁；

以所述最大划分角度为分界线将所述非视距类距隧道系统分割为多个部分，将每个部分作为一个散射点集合，每个散射点集合包含多个不同的面，电磁波不能在每个散射点集合的内部发生反射。

3.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，所述的利用传播路线上依次相邻两散射点集合之间的子传递函数的级联计算，得到所述传播路线的传递函数，包括：

将各个散射点集合进行任意的排列组合获得多条传播路线；

利用传播路线上依次相邻两散射点集合之间的子传递函数的级联计算，得到传播路线的传递函数，相邻两散射点集合之间的子传递函数的计算公式如下：

A_e(f)＝g_e(f)expj(φ_e-2πτ_ef)

式中，f代表信号频率，j代表虚数，φ_e代表相位，满足[0,2π)均匀分布，τ_e代表传播时延,g_e(f)代表增益，针对四种传播过程，g_e(f)也都不同：

上式中，μ(ε′)＝∑_e∈ε′τ_e/|ε'|，并且ε′代表散射点集合，ε_t代表发射端到散射点的散射点集合，ε_r代表散射点到接收端的散射点集合，|·|表示集合中元素的个数,因此μ(ε′)表示发射端到散射点的平均传播时延；g²/odi(e)是散射点到散射点的功率增益，g为实数，需要根据实际场景设置大小，odi(e)表示从一个散射点集合到另外的多个散射点集合的边数；

第i条传播路线的传递函数H_i的计算公式如下：

H_tx,S(1)表示第i条传播路线上发射端到第一个散射点集合之间的子传递函数，H_S(i),S(i+1)表示第i个散射点集合到第i+1个散射点集合之间的子传递函数，H_S(V),rx表示第V个散射点集合到接收端之间的子传递函数，所述H_tx,S(1)，H_S(i),S(i+1)和H_S(V),rx根据所述A_e(f)的计算公式计算得到，V表示散射点集合的总数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的利用所述传播路线上依次相邻两散射点集合之间的转移概率之积调整所述传播路线的传递函数，包括：

计算出第i条传播路线的转移概率P_vis,i，计算公式如下：

P_tx,S(1)表示第i条传播路线上发射端到第一散射点集合之间的转移概率，P_S(j),S(j+1)为第j个散射点集合到第j+1个散射点集合之间的转移概率，P_S(V),rx表示第V散射点集合到接收端的转移概率；

定义散射点集合之间转移概率的计算公式如下：

x,y分别为两个散射点集合中的元素，X,Y各为两个散射点集合中所有元素个数，T用于判别两个散射点集合中两点是否相互可见，判断方法如下：

连接两点做一线段，并均匀的在线段上取点；

判断线段上的端点除外的点是否位于隧道壁围成的隧道内部；

若所有点均位于内部空间，则视为两点可见T＝1；反之，若至少有一点不在内部空间中，则认为两点不可见T＝0；

将第i条传播路线的传递函数H_i乘以该条传播路线的转移概率P_vis,i，得到调整后的第i条传播路线的传递函数P_vis,iH_i。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的将调整后各个传播路线的传递函数求和得到所述非视距类距隧道系统的传递函数，包括：

非视距类距隧道系统的传递函数H_S(f)的计算公式如下：

电磁波在非视距类距隧道系统的U个散射面之间发生V次反射，所述非视距类距隧道系统共有U^V条传播路线。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的对所述非视距类距隧道系统的传递函数做傅里叶逆变换获得所述非视距类距隧道系统的时域信道冲激响应，包括：

对H_S(f)进行快速傅里叶逆变换IFFT获得非视距类距隧道系统的时域信道冲击响应(CIR)，CIR的计算公式如下：

CIR＝IFFT(H_S(f))。