Channel Measurement and Modeling in Complex Environments
- Autores: Lei Zhang
- Directores de la Tesis: César Briso Rodríguez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2016
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: José Ignacio Alonso Montes (presid.), Juan Moreno García Loygorri (secret.), Luis Castedo (voc.), Ke Guan (voc.), Miguel Angel Gómez Laso (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería de Sistemas y Servicios para la Sociedad de la Información por la Universidad Politécnica de Madrid
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- Resumen
The fast development of new technologies such as high-speed rail (HSR) with high reliability, safety and capacity promote the evolution process of corresponding dedicated wireless communication system from narrowband to broadband. The main challenges for the communication system design and network planning in complex environments include: the enclosed space in underground systems; the rapidly time-varying channel in high mobility scenarios, a variety of complex structures in composite scenarios, such as stations, tunnels, cuttings, viaducts, etc.; and the extra losses caused by the vehicle’s structure. Thus, Wireless propagation characteristics in complex scenarios are of importance for the design and implement reliable and efficient communications in modern communication systems. This dissertation analyzes the key challenges for wireless channel characterization in the complex environments. Then a series of propagation measurements conducted in real complex scenarios are presented as the test cases. For the underground system, two typical types of curved tunnels are firstly investigated by the mean of narrowband measurements. The statistical characterization of the path loss exponent, shadow fading distribution, autocorrelation, and cross-correlation are parametrized and compared with different configurations. Furthermore, wideband measurement campaigns conducted in a modern subway system at 980 MHz and 2450 MHz are described in detail. The time dispersion is analyzed with the power delay profile in different regions. The principal parameters, such as mean power and root mean square (RMS) delay are extracted to establish region-based tapped delay line (TDL) models. Moreover, the electromagnetic reverberation in underground system is characterized by the reverberation time, absorption coefficient, and quality factor (Q) as the functions of distance for the first time. Also, the transition distance between station and tunnel is modeled based on the Q versus distance. For high mobility scenarios, a series of wideband measurements carried out in an HSR composite scenario are described. The PDPs are also analyzed to generate the TDL channel models in different regions. Then the corresponding 3D ray-tracing simulation is employed to achieve a deterministic channel model for validating the measurement and also providing the frequency dispersion. The small-scale fading characteristics and the effect of Doppler shift are statistically analyzed. Propagation mechanism inside the mass transit system is another “hot” topic. The study of the outdoor-to-indoor and indoor-to-indoor radio propagation characteristics inside trains is also conducted in this dissertation. Based on the measurements of actual LTE coverage receiving by external and internal antennas, the extra loss caused by the train’s physical structure is estimated. Also, the propagation measurements inside the high-speed train (HST) are presented. Results show the waveguiding effects inside the HST carriage. The log-distance path loss models are parameterized, and small-scale fading statistics for various propagation links are proposed and compared. The extensive analysis and discussions made in this dissertation are expected to reflect the propagation mechanism behind the observations in complex environments. The quantitative results and channel models are useful to realize the high-performance wireless communication system in complex scenarios. RESUMEN El rápido desarrollo de la alta velocidad ferroviaria (HSR) con una alta fiabilidad, seguridad y capacidad está demandando actualmente la evolución de los sistemas de telecomunicaciones inalámbricas empleados en este entorno hacia sistemas banda ancha y alta capacidad. Por ello, las comunicaciones con los trenes de alta velocidad son uno de los principales casos de estudio para el desarrollo y diseño de sistemas de comunicaciones en entornos complejos. Este entorno incluye: espacios cerrados en los sistemas sub-terraneos; canal rápidamente variable en el tiempo en los escenarios de alta movilidad, variedad de estructuras complejas en escenarios compuestos como estaciones, túneles, trincheras, viaductos, etc., y las pérdidas adicionales causadas por la estructura del vehículo. Por lo tanto, el modelado de las características de propagación en estos escenarios es de gran importancia para el diseño e implementación de sistemas de comunicaciones fiables y requeridas en los sistemas de comunicación modernos. Esta tesis analiza los principales retos para la caracterización de la propagación en entornos complejos principalmente de ferrocarriles de alta velocidad y metropolitanos. Para ello se han realizado multitud de medidas de propagación realizados en escenarios complejos reales, las cuales se han analizado y empleado para el modelado del canal. En los ferrocarriles metropolitanos se han estudiado en detalle distintos tipos de túneles curvos. El estudio se realiza primero analizando el comportamiento en banda estrecha, la caracterización estadística del exponente de perdidas de propagación, la distribución estadística y sus parámetros de autocorrelación y de correlación cruzada. Estos parámetros se comparan con diferentes configuraciones de antenas y en diferentes entornos. Por otra parte, se ha realizado también un modelado de la propagación en banda ancha basado en la realización de varias campañas de medida realizadas por medio de un sistema de sonda de canal empleado en entornos de metro a 980 MHz y 2.450 MHz. De estas medidas se obtiene el perfil y retardo de potencia en diferentes regiones. Los principales parámetros, como la potencia media y retardo (RMS) se extraen para establecer modelos de línea de retardo con tomas basada en regiones (TDL). Otro aspecto novedoso es la aplicación de la teoría de la reverberación electromagnética en radiocomunicaciones en entornos cerrados. En este caso se aplica a los sistema ferroviarios subterráneos donde el entorno se caracteriza en primer lugar con el tiempo de reverberación, coeficiente de absorción, y el factor de calidad (Q) . Ademas, esta teoría se ha aplicado también a la distancia de transición entre la estación y el túnel, modelando en base a el factor de calidad Q frente a la distancia. Para los escenarios de alta movilidad, se describen una serie de mediciones de banda ancha realizadas en un escenario compuesto HSR. Los resultados son empleados para modelar la propagación en diferentes regiones. Estos resultados se han aplicado a un modelo de simulación de trazado de rayos 3D para lograr un modelo de canal determinista para la validación de la medidas y proporcionando también la dispersión de frecuencia. Las características de desvanecimiento de pequeña escala y el efecto del desplazamiento Doppler, el cual se analizan estadísticamente. Otros novedosos puntos de estudio son el mecanismo de propagación en el interior de los sistema de transporte público y el estudio de la propagación vehículo a vehículo entre trenes. Para ello se realizan medidas de la cobertura de sistemas 4G LTE real la recepción por antenas externas e internas, la perdida adicional causada por la estructura física del tren se estima. Ademas, se presenta la medición de propagación en el interior del tren de alta velocidad (TAV). los resultados muestran los efectos de gua de ondas dentro del carro HST. el camino de la distancia de registro modelos de perdida son parametrizados, y se proponen y se comparan las estadísticas de desvanecimiento de pequeña escala para varios enlaces de propagación. Se espera que el extenso análisis y debates realizados en esta tesis para modelar el mecanismo de propagación dentro de las observaciones en entornos complejos. Los resultados cuantitativos y modelos de canal son útiles para realizar el sistema de comunicación inalámbrica de alto rendimiento en escenarios complejos principalmente túneles y grandes recintos cerrados.
