用于消减毫米波强反射传播多径效应的隧道壁的设计方法 【技术领域】
本发明涉及一种隧道壁结构的设计方法，特别涉及一种用于消减毫米波强反射传播多径效应的隧道壁的设计方法。
背景技术 毫米波是波长为10～1毫米的电磁波。目前国内外对毫米波在限定空间的传播规律研究较少，原因是没有真正的毫米波系统在隧道中使用。大部分关于隧道中无线电传播的研究频带都集中在5GHz以下；德国的磁悬浮列车虽然使用38GHz毫米波来构建通信系统，却没有应用于隧道内通信的技术方法和技术规范。
对于5GHz以下低频电磁波在隧道传播的主要技术方法包括，通过选择合适通信频率来规避隧道截止特性、通过对于天线极化的合理设计来适应隧道几何结构和围岩环境参数的变化。但是，由于在5GHz以下低频电磁波隧 道传播的研究中主要采用了波模解析方法，因此，没有包括多径效应、时延扩展等数字通信性能的分析和相应的技术方法。
在无线通信领域，多径效应指无线电信号从发射天线经过多个路径抵达接收天线的传播所引起的干涉延时效应。多径效应会导致信号的衰落和相移问题。
对于消减电磁波在隧道内传播的多径效应，现有技术方法是，在整个隧道壁上布设吸波材料来消减反射波。但对整个隧道壁布设吸波材料成本高，而且设计和施工困难。
发明内容 本发明的目的在于提供一种用于消减毫米波强反射传播多径效应的隧道壁的设计方法，使得通过该方法设计的隧道壁结构可以消减强反射所致的多径衰落和时延扩展，明显改善传播信道特性，简化隧道壁的结构设计和安装、降低实施成本。
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于消减毫米波强反射传播多径效应的隧道壁结构，其特征在于，包含嵌入隧道壁主体中的吸波带；
上述吸波带设置在隧道壁主体上会发生毫米波强反射多径效应的区域；
上述吸波带上涂敷有毫米波吸波材料。
一种用于消减毫米波强反射传播多径效应的隧道壁结构的设计方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1.参数给定
给定隧道的结构参数、隧道壁的电特性参数、基站天线参数、车地通信参数；
步骤2.射线跟踪建模
根据射线跟踪算法建模，获取毫米波在隧道壁的反射系数；
步骤3阈值设定
根据通信性能要求，确定吸波带的反射系数阈值和涂覆区间阈值；
步骤4.吸波带设定
确定吸波带的位置、宽度和材料；
步骤5.性能验证
验证吸波性能，若不符合阈值要求，返回步骤2调整方案；
步骤6.涂覆施工
按照性能验证结果，设定符合反射系数阈值的吸波带涂覆区间和吸波材料，确定隧道壁结构的设计方案，进行施工。
上述步骤1中上述隧道的结构参数，包含隧道截面的几何结构数据和隧道的纵向结构数据。
上述步骤1中上述隧道壁的电特性参数，包含电介质参数、导电率参数、隧道表面的粗糙度参数。
上述步骤1中上述基站天线参数包含基站天线方向图三维数据、天线位置数据。
上述步骤1中上述车地通信参数，包含通信频率、传输速率。
上述步骤2还包含以下步骤：
步骤2.1射线波束建模
由基站天线参数，生成初始射线波束；
步骤2.2传播路径建模；
由隧道的结构数据，为毫米波射线的传播路径建模；
步骤2.3反射强度建模
由隧道壁的电特性参数，确定毫米波射线的反射强度。
上述步骤4还包含以下步骤：
步骤4.1阈值比较
将射线跟踪模型中毫米波的反射系数与吸波带的反射系数阈值进行比较，寻找射线跟踪模型中大于反射系数阈值的反射点；
步骤4.2位置设定
根据超出阈值的反射点的集合，确定设置吸波带的位置，用反射点到基站天线的距离来表示；根据涂覆区间阈值，确定吸波材料涂覆区间的宽度；
步骤4.3材料选择
选择在吸波带使用单层或多层的吸波材料，通过吸波材料的产品手册获取单层或多层吸波材料的反射特性参数。
上述步骤5还包含以下步骤：
步骤5.1小区间实验
在小区间范围内采用仿真或实际试验的方法，在确定的吸波带上涂覆单层或多层吸波材料，根据吸波材料的反射特性参数，计算吸波带的反射系数；
步骤5.2阈值再比较
将吸波带的反射系数与反射系数阈值比较；若不符合阈值范围，返回步骤2调整吸波带的设置方案。
本发明提供的用于消减毫米波强反射传播多径效应的隧道壁结构，与现有技术相比，其优点在于：
本发明由于在隧道壁上涂覆设置吸波带，吸收了毫米波入射波，明显消减了反射波与入射波所致的强多径效应，达到消减强反射所致的多径衰落和时延扩展的目的，明显改善传播信道特性；
本发明由于只在发生强多径衰落的一小段区域涂覆吸波材料，明显降低材料成本、施工成本，同时实施简便、也降低了安装强度，并且避免了隧道 壁吸波处理对于隧道的其他功能设施安装的影响。
【附图说明】
图1是本发明用于消减毫米波强反射传播多径效应的隧道壁结构的总体结构示意图；
图2是本发明提供的用于消减毫米波强反射传播多径效应的隧道壁结构的设计方法的实施流程图。
【具体实施方式】
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
请参见图1所示，本发明提供的用于消减毫米波强反射传播多径效应的隧道壁结构，包含隧道壁主体10、吸波带30。其中隧道壁主体10采用普通材料构建，只在其中会发生强反射多径效应的一小段区域涂敷毫米波吸波材料，使形成的一小段环形吸波带30嵌入在隧道壁10中。
上述吸波带30用于吸收基站天线20发射的毫米波入射波21，明显消减了反射波22与入射波21所致的强多径效应，特别是消除了幅度最强的一次反射波22所致的多径效应，大幅度降低原来存在的强反射幅度，达到消减强反射所致的多径衰落和时延扩展的目的，明显改善传播信道特性。
请参见图2所示，按照车地通信性能要求，利用基站天线方向图与基站安装位置、隧道几何结构、隧道材料特性、吸波材料特性等参数，通过射线跟踪算法建模，确定了上述吸波带位置，包含以下步骤：
步骤1.参数给定
步骤1.1隧道结构参数设定
给定隧道的结构参数，包含隧道截面的几何结构数据A和隧道的纵向结构数据B，一般从隧道工程设计书中获得；
步骤1.2电特性参数设定
给定隧道壁的电特性参数，包含电介质参数C、导电率参数D、隧道表面的粗糙度参数E，一般从隧道壁的材料供应厂家的产品手册中获得，也可以对隧道壁的材料进行实际测量来获取；
步骤1.3天线参数设定
步骤1.3.1天线方向设定
给定基站天线方向图的三维数据F，一般从基站天线的产品手册中获取；
步骤1.3.2天线位置设定
给定基站天线的安装位置数据G，一般从隧道工程的通信子系统设计书中获得；
步骤1.4通信参数设定
给定隧道内车地通信参数，包含通信频率H、传输速率I，一般从隧道通信性能设计书中获得；
步骤2.射线跟踪建模；
根据射线跟踪算法建模，获取毫米波在隧道壁的反射系数L1；
步骤2.1射线波束建模
为毫米波射线建模，由基站天线的方向图三维数据F、天线的安装位置数据G，生成波束传输方向、波束强度等电传播特性确定的初始射线波束；
步骤2.2传播路径建模
为毫米波射线的传播路径建模，由隧道截面的几何结构数据A和隧道的纵向结构数据B，根据射线跟踪算法确定毫米波束的入射、反射路径、反射次数；
步骤2.3反射强度建模
由隧道壁的电特性参数，电介质参数C、导电率参数D、隧道表面的粗糙度参数E，确定毫米波射线的反射强度；
步骤3阈值设定
根据隧道内高速数据传输对车地通信性能参数以及多径效应的要求，由通信频率H、传输速率I，确定吸波带的反射系数阈值L2和涂覆区间阈值；
步骤4.吸波带设定
步骤4.1阈值比较
将射线跟踪模型中毫米波的反射系数L1与吸波带的反射系数阈值L2进行比较，寻找射线跟踪模型中大于反射系数阈值L2的反射点；
步骤4.2位置设定
根据超出阈值的反射点的集合，确定设置吸波带的位置，用反射点到基站天线的距离x1、x2来表示；根据涂覆区间阈值，确定吸波材料涂覆区间的 宽度y；
步骤4.3材料选择
在吸波带使用单层或多层的吸波材料，通过吸波材料的产品手册获取单层吸波材料的反射特性参数J，或多层吸波材料的反射特性K；
步骤5.性能验证
步骤5.1仿真试验
采用仿真方法，在确定的吸波带上涂覆单层或多层吸波材料，根据单层吸波材料的反射特性参数J，或多吸波材料的反射特性参数K，计算吸波带的反射系数L10；
步骤5.2阈值再比较
将吸波带的反射系数L10与反射系数阈值L2比较；若仍然超出阈值范围，返回步骤2，调整跟踪建模和吸波带的设置方案，直到吸波带的反射系数L10小于反射系数阈值L2；
步骤6.涂覆施工
按照性能验证结果，设定符合反射系数阈值的吸波带涂覆区间和吸波材料，确定隧道壁结构的设计方案，进行施工。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。