面向地下轨道交通的无线信道模型构建与应用

作为缓解城市交通压力，实现绿色、低碳交通的重要措施，城市轨道交通受到极大的关注。根据中长期交通建设规划，到2020年，我国将建成地铁总里程将达6100公里以上，投资近4万亿。由于理论与技术的限制，现有的面向地下轨道交通的无线通信尚不能满足高效率、高安全、高可靠的地下轨道交通发展的需要。主要的难点在于对地下轨道交通场景下的信道特征缺乏全面、细致的认知、现有的无线通信系统没有进行系统的优化设计。. 本课题将以地下轨道交通信道模型的构建出发，深入研究面向轨道交通安全运行的无线通信关键技术，主要研究点是：（1）漏泄电缆、漏泄波导传输特征；（2）无线MIMO信道测量与建模；（3）受限空间信道容量；（4）轨道交通专用信道仿真仪关键技术；（5）基于信道特征的无线通信系统优化。

城市轨道交通的车地无线通信是列车运行、控制和监测系统的重要基础，是保障安全运营的重要环节。面对地下轨道交通的高效率、高安全、高可靠的发展需求，有必要开展隧道场景下无线自由波的信道测量、建模与容量分析、隧道场景下特殊媒介的信道测量与建模、轨道交通通信信道仿真仪及关键技术、基于信道特征的地下轨道交通无线通信系统优化设计的研究。针对常规地下轨道交通的通信信号控制系统是基于轨道电路和低频漏泄电缆媒介，重点研究隧道场景下多频段下单天线或多天线无线自由波信道传播的小尺度特性，隧道场景下漏泄电缆、漏泄波导传播的小尺度特性，研发具有低时延特性的轨道交通专用信道仿真仪，针对硬切换频繁，研究基于信道特性的CBTC列车控制参数优化。.1．在北京14号线、昌平线、北京交通大学隧道实验室，上海 ，江苏南通中天科技集团隧道实验室等地，对1.4、2.4、5.9、25.5和39.5GHz等微波及毫米波波段采集大量单天线与多天线测试数据，分析了隧道中大尺度衰落和小尺度时延、角度及MIMO传输特性，构建了统计及三维隧道信道模型。研究了隧道环境、天线阵列规模、收发阵列方向与相对位置及不同阵元间隔对MIMO信道容量的影响，并结合多模信道模型对不同因素作用机理进行分析，提出了针对受限空间的MIMO系统优化设计措施。.2．在北京地铁亦庄线和环行道试验线搭建了漏泄波导和漏泄电缆的测试系统，在大量测试数据基础上，推导了隧道场景下漏泄波导的传输损耗和辐射衰减常数；利用有限状态马尔科夫链对CBTC系统中的漏泄波导和漏泄电缆信道建模，确定大、小尺度衰落分布模型。.3．在轨道交通场景下无线信道测量数据基础上，研究了轨道交通通信信道模型与微波电路的映射关系，提出了基于乘性扩展因子的半实物信道仿真方法，所研发的轨道交通专用信道仿真仪已用于上海申通地铁公司、中兴和信威等设备制造商。.4．基于所提出的马尔科夫信道模型，通过跨层设计联合优化，提出了一种适用于CBTC系统的列控和车地通信的一体化设计方法。