一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信信道的建模方法
阅读说明：本技术 一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信信道的建模方法 (Modeling method for ground wireless communication channel of vacuum pipeline magnetic levitation vehicle ) 是由 虞凯 韦道准 谢联莲 杨捷 李廷军 庞雪春 杨岗 陈昳 王学林 王业立 王富斌 于 2021-09-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信信道的建模方法,具体方法包括：建立真空管道磁悬浮车地通信信道的三维模型,再计算三维模型中直达波和反射波的传播路径和角度,最后结合传播路径和传播角度,计算平行于地面的合成波电场强度以及垂直于地面的合成波电场强度；本发明利用建立的无线通信信道模型,进行仿真分析直达波、反射波以及合成波的电场分布形式,实现了通过改变真空管道尺寸参数,得到不同参数对车地通信信道电场分布的影响。(The invention discloses a modeling method for a ground wireless communication channel of a vacuum pipeline magnetic levitation vehicle, which comprises the following specific steps: establishing a three-dimensional model of a ground communication channel of the vacuum pipeline magnetic levitation vehicle, calculating propagation paths and angles of direct waves and reflected waves in the three-dimensional model, and finally calculating the electric field intensity of a synthetic wave parallel to the ground and the electric field intensity of a synthetic wave vertical to the ground by combining the propagation paths and the propagation angles; the invention utilizes the established wireless communication channel model to carry out simulation analysis on the electric field distribution forms of direct waves, reflected waves and synthesized waves, and realizes the effect of different parameters on the electric field distribution of the vehicle-ground communication channel by changing the size parameters of the vacuum pipeline.)
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信信道的建模方法。
背景技术
真空管道磁悬浮列车，也被称为“超级高铁”，它将磁悬浮技术和真空管道运行环境相结合，致力成为一种超高速、高安全、环境友好的优点。现行的轨道交通技术因为轮轨摩擦、气动阻力等原因速度受到限制，真空管道磁悬浮列车则将突破当前轮轨交通的速度极限。目前，国际上具有代表性的真空管道交通技术方案有三种：一是采用常导电磁悬浮的瑞士SWISSMETRO方案，二是采用气动/永磁悬浮和轮轨列车的美国Hyper loop系统计划，三是采用高温超导磁悬浮技术的美国ET3和我国西南交通大学的方案。
真空管道磁悬浮铁路对车地通信技术带来的挑战，主要体现在系统对超过1000km/h的超高列车运行速度和超长密闭管道传播环境的适应性上。目前应用于高速磁悬浮铁路车地通信的38GHz毫米波车地通信系统在物理通道和数据传输方面都采用了冗余性设计，不能完全满足真空管道磁悬浮车地通信的需求。
为解决因列车运行速度大幅提升造成的旅客通信质量下降、列车检测信息不能实时回传等问题，需要通过系列关键化技术来提高真空管道磁悬浮车地通信。建立合理可靠的无线信道模型是进行车地通信系统设计的基础。对于真空管道磁悬浮车地通信信道建模方法的研究，是解决车地通信问题非常重要的环节。磁悬浮列车运行环境复杂、多普勒偏移大、小区切换频繁等问题均给无线信道模型的建立带来很大困难，因此对真空管道磁悬浮车地通信信道研究十分必要。
目前高速铁路信道模型存在一定局限性，已有高速铁路信道标准化提案和模型无法准确反映高速铁路典型场景的传播特性，无法为真空管道车地无线通信系统的性能评估提供全面参考。
无线信号在无线信道传输信号过程中，由于障碍物阻挡经历直射、反射、散射后会形成不同路径，即多径传播。多径传播造成多径衰落，使接收信号的幅度急剧变化。在全封闭的金属管道内，多径衰落更为严重，将严重影响车地通信质量。
综上所述，真空管道内有大量轨旁设备以及其他遮挡物等，会造成反射、散射和折射现象等的存在，并且管道材料、尺寸等都会对通信性能造成一定的影响。传统的信道建模方法如确定性建模、统计性建模及半确定性建模都不能解决真空管道磁悬浮车地通信问题。
发明内容
本发明目的在于研究真空管道的尺寸参数对车地通信信道电场分布的影响，通过结合相关参数进行仿真分析直达波、反射波以及合成波的电场分布形式，提供了一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信信道的建模方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信信道的建模方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤101，建立真空管道磁悬浮车地通信信道的三维模型，包括地面基站1、移动基站2、圆形管道3和列车4；
步骤102，基于三维模型计算电磁波的传播路径和传播角度；
步骤103，结合所述传播路径和传播角度计算合成波电场强度。
优选地，一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信信道的建模方法中，所述移动基站2固定于列车4车体上，所述地面基站1固定于圆形管道3内。
优选地，一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信信道的建模方法中，所述电磁波的传播角度为发射角。
优选地，一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信信道的建模方法中，所述电磁波包括直达波和反射波。
优选地，一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信信道的建模方法中，所述反射波经管道壁反射，为一次反射波。
优选地，一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信信道的建模方法中，所述直达波的传播路径Rd的计算公式为：其中，h1为地面基站1在z轴方向上的投影距离，h2为移动基站2在z轴方向上的投影距离，h3为两基站距离最近时在y轴方向上的投影距离，D为列车4的运行距离。
优选地，一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信信道的建模方法中，所述直达波发射角的计算公式为：其中，h1为地面基站1在z轴方向上的投影距离，h2为移动基站2在z轴方向上的投影距离，h3为两基站距离最近时在y轴方向上的投影距离，D为列车4的运行距离。
优选地，一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信信道的建模方法中，所述反射波的传播路径Rr的计算公式为：其中， R为管道半径，k0为常数，h1为地面基站(1)在z轴方向上的投影距离，h2为移动基站(2)在z轴方向上的投影距离，h3为两基站距离最近时在y轴方向上的投影距离，k为电磁波的传播常数。
优选地，一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信信道的建模方法中，所述反射波发射角的计算公式为：其中，l1为地面基站(1)到反射点(6)的直线距离，l2移动基站(2)到反射点(6)的直线距离，D为列车(4)的运行距离。
优选地，一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信信道的建模方法中，结合所述传播路径和传播角度计算合成波电场强度包括以下步骤：
S1，将所述电磁波的电场分解为水平极化分量和垂直极化分量，得到入射波平行于地面的电场分量、入射波垂直于地面的电场分量、反射波平行于地面的电场分量、反射波垂直于地面的电场分量；
S2，将入射波平行于地面的电场分量与反射波平行于地面的电场分量叠加，得到平行于地面的合成电场分量，计算公式为：
其中，Eh0为水平极化分量的电场幅值，为水平极化分量初始相位，垂直极化分量的反射增加相位，k为电磁波的传播常数，
S3，将入射波垂直于地面的电场分量与反射波垂直于地面的电场分量叠加，得到垂直于地面的合成电场分量，计算公式为：
其中，Ev0为垂直极化分量的电场幅值，垂直极化分量初始相位，垂直极化分量的反射增加相位， f(θ)为场强方向函数。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：
本发明采用建立真空管道磁悬浮车地通信信道模型的方式，通过研究地面基站与移动基站之间通信信号的传播路径和角度变化，结合管道不同的尺寸来分析直达波、反射波以及合成波的电场强度分布情况。一方面建立的真空管道磁悬浮车地通信信道的模型简单直观，且具有参考性作用；另一方面得到了真空管道的尺寸参数对车地通信信道电场分布的影响。
附图说明
：图1为真空管道的横截面图；
图2为真空管道磁悬浮车地通信信道的三维模型；
图3为真空管道内直达波路径图；
图4为真空管道内反射波路径图；
图5为直达波和反射波的横截面方向上的传播路径图；
图6为直达波和反射波的水平方向电场强度分布图；
图7为直达波和反射波的水平方向电场相位分布图；
图8为管道尺寸为半径2.5m的钢材料管道的直达波和反射波平行于地面的合成电场分布图；
图9为管道尺寸为半径2.5m的钢材料管道的直达波和反射波垂直于地面的合成电场分布图；
图10不同管道材料下直达波和反射波的合成电场分布图；
图11为不同管道尺寸下直达波和反射波的合成电场分布图；
图中标记：1-地面基站，2-移动基站，3-管道，4-磁悬浮列车，5-轨道，6-反射点
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信信道的建模方法，包括如下步骤：
S1，建立真空管道磁悬浮车地通信信道的三维模型；
如图1、图2所示，建立真空管道磁悬浮车地通信信道的三维模型，设置管道3，管道外壁为圆形，管道内包括地面基站1、移动基站2、磁悬浮列车4、轨道5；磁悬浮列车4运行于轨道上；地面基站1固定于管道内的地面上，用于发射无线信号，即发射端，移动基站2固定于所述磁悬浮列车4的车体上，用于接收无线信号，即接收端；由发射端直接到接收端的电磁波，称为直达波，由发射端经反射后到达接收端的电磁波，称为反射波。
S2，基于三维模型计算电磁波的传播路径和传播角度；
具体的，选取管道尺寸为半径R，直达波的传播路径及角度计算方法如下：
当移动基站与地面基站处于管道的同一横截面上时，此时两基站距离最近，如图2、3所示，以地面基站1所在的管道圆形横截面，圆形的中心为坐标原点O，建立空间坐标系xyz，地面基站1在z轴方向上的投影距离为h1，移动基站2在z轴方向上的投影距离为h2。设两基站距离最近时在y轴方向上的投影距离为h3。
如图2、3所示，当两基站距离最近时的直线距离为：
设列车在管道内运行距离为D，管道内直达波的传播路径Rd为：
管道内直达波的入射角θd为：
根据直达波的入射角与发射角之和为90°，因此直达波的发射角θd1为：
进一步的，反射波的传播路径及角度计算方法如下：
根据反射波的反射点，反射波的传播路径可以分为两部分：反射前的传播路径和反射后的传播路径。根据不同的反射点，反射波的传播路径发生变化，入射到移动基站的角度也随之发生变化。地面基站1发射无线信号，经管道壁反射，再由移动基站2接收到此无线信号，反射波的传播路径如图4所示，以反射点6所在的管道圆形横截面，圆形的中心为坐标原点O，建立空间坐标系xyz，同样的，地面基站1在z轴方向上的投影距离为h1，移动基站2在z轴方向上的投影距离为h2，两基站距离最近时在y轴方向上的投影距离为h3。
设反射点和坐标原点O构成的直线l为：
l：z＝k0y (5)
管道尺寸为半径R，已知圆的表达式为：
y2+z2＝R2 (6)
则过反射点与圆相切的表达式为：
计算可得：
过反射点的切线表达式为：
首先计算发射端到l的垂直距离、接收端到l的垂直距离分别为：
由此可得，发射端到反射点的直线距离l1为：
接收端到反射点的直线距离l2为：
根据入射角与反射角相等，可以得出入射角的正弦与反射角的正弦相等，则：
联合公式(13)、(14)可以求出常数k0的值和反射点6的坐标。
接下来再计算发射点以切线为中轴线的对称点坐标，即：
z＝k0y+h1+k0h3 (16)
反射前的传播路径与反射总路径长度之比为：
当列车在管道内运行距离为D，则反射前的传播路径为：
管道内反射波的总路径Rr为：
由此可得，管道内反射波的发射角为：
S3，结合所述传播路径及角度计算合成波场强；
结合直达波的传播路径Rd和传播角度θd1、反射波的传播路径Rr和传播角度θr1，计算直达波和反射波的合成波电场强度。从电场强度的角度分析管道壁对于电磁波传播的影响，如图4所示。若发射端电磁波的电场极化方式为任意极化，则电磁波的电场可分解为水平极化分量和垂直极化分量如图5所示。在距离发射端半径为1m的球面处，沿α方向电磁波水平极化分量、垂直极化分量表达式为：
复形式为：
其中，为水平极化分量初始相位、垂直极化分量初始相位；Eh0水平极化分量的电场幅值；Ev0为垂直极化分量的电场幅值。
其中，θ为电波辐射方向与水平方向夹角。
由此可得，入射波的水平极化分量为Edirect_x，反射波的水平极化分量为Ereflect_x，因此入射波平行于地面的电场分量与反射波平行于地面的电场分量叠加后，平行于地面的合成电场分量计算公式如下，平行于地面的合成电场分布如图8所示：
式中：
f(θ)为场强方向函数，为水平极化分量初始相位，为水平极化分量的反射增加相位，θd1为直达波的发射角，Rd为直达波的传播路径，θr1为反射波的发射角，Rr为反射波的传播路径，k为电磁波的传播常数。
入射波的垂直极化分量为Edirect_z，反射波的垂直极化分量为Ereflect_z，因此入射波垂直于地面的电场分量与反射波垂直于地面的电场分量叠加后，垂直于地面的合成电场分量计算公式如下，垂直于地面的合成电场分布如图9所示：
式中：
f(θ)为场强方向函数，垂直极化分量初始相位，垂直极化分量的反射增加相位，θd1为直达波的发射角，Rd为直达波的传播路径，θr1为反射波的发射角，Rr为反射波的传播路径，k为电磁波的传播常数。
实施例2
通过计算和分析，我们建立了真空管道磁悬浮车地通信信道模型，并且得到平行于地面的合成波场强计算公式和垂直于地面的合成波场强计算公式。为了研究真空管道的尺寸参数对车地通信的影响，将真空管道不同的尺寸参数代入建立的信道模型，对所建信道模型的电磁波传播特性进行仿真，通过仿真得到的接收电场的强度。
设置地面基站1的高度h1＝1.4m，移动基站2高度h2＝1.5m，两基站距离最近时垂直距离h3＝1.6m，管道尺寸为半径R＝2.5m，管道材料选取钢。将参数代入信道模型中，通过仿真得到直达波和反射波的电场强度如图6所示，由图可得，在运行距离D＝20m附近处，反射波与直达波的电场强度相差最大，随着运行距离D的增加，反射波的电场强度大小与直达波逐渐趋于相等；直达波和反射波的相位如图7所示，由图可得，直达波与反射波的相位大小及变化趋势几乎一致。同样，多次反射波的电场强度及其相位也可以通过所建模型进行相关仿真分析。
入射波和反射波平行于地面的合成电场分布图，如图8所示，入射波和反射波垂直于地面的合成电场分布图，如图9所示。由此可知磁悬浮列车在运行时，接收到的无线信号会出现衰落的情况。
进一步的，分别选取普通干混凝土、普通湿混凝土、铝和钢进行建模，观察其对接收电场的影响，得到结果如图10所示。可以明显观察到金属材料的反射要明显强于混凝土，这说明在38GHz的频段下，金属对于电磁波具有很强的反射作用。其中干混凝土对电磁波的反射最弱，其次是湿混凝土，金属材料对电磁波反射最强且相差不大。同时，以金属管道材料为例，改变真空管道尺寸，即取真空管道半径R分别为R＝2.05m、R＝2.10m、R＝2.15m、R＝2.2m，得到真空管道半径R对于移动基站接收无线信号的影响，如图11所示，可知半径R越大，接收到的无线信号衰减相差不大，但电场强度变化速度加快。
综上所述，本发明通过建立真空管道磁悬浮列车通信信道模型，计算管道内无线信号的传播路径以及传播角度，从而得到直达波、反射波、合成波的电场强度分布情况表，最后结合不同的管道尺寸，得到不同情况下的电场强度分布。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
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