【摘要】：隧道空間受限、狹長且存在分支、彎道和坡道等情況,電磁波在其中傳播的多徑衰落效應(yīng)嚴重,是制約隧道無線通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵問題。協(xié)作通信能夠在不增加各個節(jié)點天線數(shù)量的前提下,利用隧道內(nèi)的多徑衰落,提高隧道無線通信性能。本文對隧道無線協(xié)作通信系統(tǒng)容量與性能優(yōu)化開展研究,利用中繼協(xié)作構(gòu)成虛擬MIMO,增強抗多徑衰落能力。首先,建立了隧道無線通信信道模型。提出通過增加隧道粗糙損耗因子,對多波模模型進行了修正,建立了綜合隧道壁散射損耗的多波模修正信道模型。利用多波模修正信道模型仿真隧道內(nèi)電磁波的傳播特性,仿真結(jié)果與實測結(jié)果吻合度較高。對多波模修正信道模型進行簡化,建立了近區(qū)模型和遠區(qū)模型,并通過仿真驗證了其合理性。其次,基于多波模修正信道模型,建立了隧道單中繼協(xié)作通信系統(tǒng)模型,提出基于信道容量優(yōu)化的隧道單中繼協(xié)作通信功率分配方法、協(xié)作模式選擇方法和中繼位置選擇方法。推導(dǎo)了AF和DF協(xié)作模式下,最大化信道容量的功率分配方法,仿真結(jié)果表明,在雙重功率受限時,AF模式和DF模式下信道容量可分別提升15-38%和20-65%。提出了V-SISO和V-SIMO隧道協(xié)作通信系統(tǒng)協(xié)作模式選擇方法。給出了不同協(xié)作模式下中繼節(jié)點優(yōu)化位置的計算公式。再次,建立了隧道多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)模型,提出隧道多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)的性能優(yōu)化方法。在雙重功率受限時,以信道容量為優(yōu)化準則,基于多個中繼節(jié)點參與協(xié)作,提出了AFPAGA算法和DFMKPA算法,給出了不同協(xié)作模式下功率優(yōu)化分配方法。仿真結(jié)果表明,在總功率較小時,信道容量的優(yōu)化效果更明顯。提出了中繼選擇和功率分配聯(lián)合優(yōu)化方法,降低了隧道協(xié)作通信系統(tǒng)的中斷概率。最后,在隧道多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)的中繼端采用分布式波束成形,建立了隧道協(xié)作波束成形通信系統(tǒng)模型,提出了基于信道容量優(yōu)化的隧道協(xié)作通信聯(lián)合功率分配和波束成形方法,提高系統(tǒng)的信道容量。提出了基于預(yù)定信道功率增益門限的隧道協(xié)作通信聯(lián)合中繼選擇和波束成形方法,在獲得與所有中繼節(jié)點均參與協(xié)作波束成形非常相近的信道容量和誤碼率的同時,降低了中繼端波束成形的復(fù)雜度。論文的研究有助于提升隧道無線通信的可靠性和有效性,為靈活構(gòu)建實時、長距、可靠和高效的隧道安全監(jiān)控和應(yīng)急救援系統(tǒng)提供理論支撐與技術(shù)支持。
[Abstract]:The tunnel space is limited, narrow and there are branches, bends and ramps, and so on. The multipath fading effect of electromagnetic wave propagating in the tunnel is serious, which is the key problem to restrict the performance of the tunnel wireless communication system. Cooperative communication can improve the wireless communication performance of tunnel by utilizing multi-path fading without increasing the number of antennas in each node. In this paper, the capacity and performance optimization of tunnel wireless cooperative communication system is studied. Virtual MIMO, based on relay collaboration is used to enhance the anti-multipath fading capability. Firstly, the tunnel wireless communication channel model is established. By increasing the rough loss factor of the tunnel, the multi-mode model is modified, and the multi-mode modified channel model is established to synthesize the tunnel wall scattering loss. The propagation characteristics of electromagnetic wave in tunnel are simulated by using multi-mode modified channel model. The simulation results are in good agreement with the measured results. The multimode modified channel model is simplified, and the near region model and the far region model are established, and the rationality of the model is verified by simulation. Secondly, based on the multi-mode modified channel model, a tunnel single-relay cooperative communication system model is established, and a tunnel single-relay cooperative communication power allocation method, cooperative mode selection method and relay location selection method based on channel capacity optimization are proposed. The power allocation method for maximizing channel capacity in AF and DF cooperative mode is derived. The simulation results show that the channel capacity in AF mode and DF mode can be increased by 15-38% and 20-65% respectively under dual power constraints. A method for selecting cooperative mode of V-SISO and V-SIMO tunneling cooperative communication systems is proposed. The formula of optimal location of relay nodes in different cooperative modes is given. Thirdly, the model of tunnel multi-relay cooperative communication system is established, and the performance optimization method of tunnel multi-relay cooperative communication system is proposed. In the case of dual power constraints, the AFPAGA algorithm and the DFMKPA algorithm are proposed based on the channel capacity optimization criterion and multiple relay nodes participate in the cooperation, and the optimal power allocation methods in different cooperative modes are given. The simulation results show that the channel capacity optimization effect is more obvious when the total power is small. A joint optimization method of relay selection and power allocation is proposed to reduce the outage probability of tunnel cooperative communication system. Finally, the distributed beamforming is adopted at the relay end of the tunnel multi-relay cooperative communication system, and the model of the tunnel cooperative beamforming communication system is established. A joint power allocation and beamforming method based on channel capacity optimization is proposed to improve the channel capacity of the system. A joint relay selection and beamforming method for tunnel cooperative communication based on predetermined channel power gain threshold is proposed. The channel capacity and bit error rate (BER) which are very similar to those of all relay nodes involved in cooperative beamforming are obtained. The complexity of beamforming at the relay end is reduced. The research in this paper is helpful to improve the reliability and effectiveness of tunnel wireless communication, and provide theoretical support and technical support for the flexible construction of real-time, long distance, reliable and efficient tunnel security monitoring and emergency rescue system.
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TD65

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本文編號：2267388