摘要
为进一步发展智能铁路，亟需部署铁路5G-R专用移动通信系统。5G-R系统主要用来承载新一代铁路列车控制、多媒体调度通信等核心业务，对车地通信传输的稳定性和可靠性提出了更高的要求。铁路隧道群衔接场景定义为隧道群进出隧道口的隧道受限区域与开阔区域的衔接场景，属于铁路典型场景。然而在该场景下时常会出现掉话和数据传输中断等问题，该场景下的5G-R连接丢失会造成列车控制信息传输超时，严重影响列车运行效率及安全。 掌握电波传播机理和无线信道特性以提升铁路隧道群衔接场景下的无线覆盖质量是5G-R系统设计和部署中的关键问题。尽管铁路场景电波传播和无线信道建模方面已取得大量研究成果，但是既有的工作主要聚焦于铁路单一场景，无法准确刻画铁路隧道群衔接场景的信道特性。本文以5G-R系统为研究对象，面向铁路隧道群衔接场景，主要从时频域特征、空域特征、覆盖性能三方面开展相关研究。本文取得主要成果如下: 揭示隧道群衔接场景无线信道时频域特征。针对铁路隧道群衔接场景，提出了一个基于几何的三维宽带随机信道模型，准确刻画了该场景下接收信号同时受到两种不同传播环境影响的特征。基于提出的模型推导并分析了信道统计特性，提出了铁路隧道群衔接场景的边界表征方法。通过实际测量数据验证了模型的准确性。此外，仿真数值结果表明列车、天线位置及散射体分布等参数对信道时频域特征有较大影响。这些成果对于未来5G-R系统设计具有重要的指导意义。 揭示隧道群衔接场景无线信道空域特征。针对隧道群衔接场景未来将部署的多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output,MIMO)技术需求，研究了MIMO信道的空间相关函数及信道容量。将用于时频域特征分析的模型扩展为几何随机MIMO信道模型，在此基础上推导了信道理论模型和仿真模型。基于实测结果、理论结果及仿真结果证明了模型的准确性。同时，基于数值结果分析了多天线和多漏缆对信道空域特征影响的差异以及隧道形状和尺寸对信道容量的影响。这些结论为后续在隧道群衔接场景进行多天线部署奠定了基础。 分析隧道群衔接场景覆盖性能。面向隧道群衔接场景，分析了5G-R系统的无线覆盖性能指标。结合场景的实际特点，基于测量数据建立了双斜率电波传播模型。在此基础上，推导了小区覆盖面积占比和小区边缘中断概率两个性能指标。通过仿真与数值结果的对比验证了推导的正确性，且结果展现了不同场景及上下行链路最大通信距离的显著差异，为5G-R网络规划和部署提供了理论基础。
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