本發(fā)明屬于信道建模、機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于射線追蹤與集成學(xué)習(xí)的隧道環(huán)境信道建模方法。

背景技術(shù)：

1、在軌道交通中，車地通信網(wǎng)絡(luò)是列車與地面控制系統(tǒng)之間信息傳輸、乘客服務(wù)與安全監(jiān)控等多個應(yīng)用的基礎(chǔ)。無線信道建模旨在建立車地通信系統(tǒng)前評估信道環(huán)境，幫助提高通信系統(tǒng)的可靠性與性能，建立良好的通信環(huán)境。隧道環(huán)境是軌道交通中的重要環(huán)境，但是由于軌道交通中隧道是一個封閉區(qū)域，采集數(shù)據(jù)需要在非運營時段且需要提前申請，因此難以組織測量活動。而射線追蹤法不需要現(xiàn)場測試，只需要知道并配置好環(huán)境參數(shù)就可以進行信道的仿真，因此射線追蹤法成為了研究隧道場景下的信道特征的一種較為合適的方法。射線追蹤法相較于其他信道建模方法，擁有較高的精度，能夠準(zhǔn)確地反映隧道場景下的信道特征。

2、射線追蹤法存在兩個主要問題：首先，射線追蹤法仿真的速度較慢，如果考慮到不同的天線安放位置以及不同的頻段，則需要消耗相當(dāng)多的時間。其次，在隧道大小發(fā)生改變時，原有模型無法用于新的隧道。

3、而機器學(xué)習(xí)是解決上述問題的有效方法。許多研究證明，機器學(xué)習(xí)能夠捕捉到數(shù)據(jù)間的相關(guān)性與學(xué)習(xí)非線性映射的能力。基于機器學(xué)習(xí)的信道建模方法通常采用多層感知機（multilayer?perceptron，mlp）進行監(jiān)督學(xué)習(xí)，但是傳統(tǒng)的mlp訓(xùn)練時間較長且預(yù)測出的信道特征參數(shù)精度較低，因為環(huán)境參數(shù)的細(xì)微變化往往會導(dǎo)致多徑信道環(huán)境的巨大變化，導(dǎo)致mlp的最終擬合精度收到巨大影響。而單純加大mlp的尺度與深度則會導(dǎo)致模型訓(xùn)練過擬合，因此需要一個新的機器學(xué)習(xí)模型來提升信道建模的精度。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于射線追蹤和集成學(xué)習(xí)的隧道環(huán)境信道建模方法?；谏渚€追蹤法建立隧道環(huán)境信道特征參數(shù)數(shù)據(jù)集，通過mlp預(yù)訓(xùn)練模型，將預(yù)訓(xùn)練結(jié)果與特征拼接，通過xgboost進行進一步訓(xùn)練，最終訓(xùn)練完成的模型可以作為輸入環(huán)境特征得到信道特征參數(shù)的端到端信道模型。

2、技術(shù)方案

3、一種基于射線追蹤與集成學(xué)習(xí)的隧道環(huán)境信道建模方法，包括以下步驟：

4、步驟1：建立多個不同尺度的隧道環(huán)境三維模型，設(shè)定不同的中心頻率、發(fā)射機接收機位置，進行射線追蹤仿真，生成信道特征參數(shù)數(shù)據(jù)集；

5、具體的，信道特征參數(shù)數(shù)據(jù)集包括：

6、特征，其中表示隧道底邊寬度，表示隧道中心高度，表示接收機所處位置隧道截面橫坐標(biāo)，表示接收機所處位置隧道截面縱坐標(biāo)，表示發(fā)射機所處位置隧道截面橫坐標(biāo)，表示發(fā)射機所處位置隧道截面縱坐標(biāo)，表示發(fā)射機與接收機的距離，表示信號的中心頻率；

7、標(biāo)簽，其中表示接收功率，表示均方根時延擴展，表示萊斯k因子，表示均方根到達水平方位角，表示均方根到達天頂角；

8、步驟2：基于mlp對信道模型進行預(yù)訓(xùn)練，得到預(yù)訓(xùn)練的結(jié)果后，將與mlp的輸入x進行拼接作為xgboost的新輸入，然后基于xgboost對信道模型進行進一步訓(xùn)練得到最終的輸出。

9、步驟3：應(yīng)用模型于隧道環(huán)境信道建模，支持通過輸入隧道底邊寬度、隧道高度、發(fā)射機所處隧道截面橫坐標(biāo)、發(fā)射機所處隧道截面縱坐標(biāo)、接收機所處隧道截面橫坐標(biāo)、接收機所處隧道截面縱坐標(biāo)、發(fā)射機和接收機的距離、信號中心頻率這8個參數(shù)，直接生成接收功率、均方根時延擴展、萊斯k因子、均方根到達水平方位角、均方根到達天頂角這5個信道特征參數(shù)。

10、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

11、1）本發(fā)明所提出的集成學(xué)習(xí)結(jié)合射線追蹤法的建模方法擁有較高的精度與極快的建模速度。

12、2）本發(fā)明所提出的mlp-xgboost的集成學(xué)習(xí)方法相較單獨的mlp或者xgboost而言擁有更高的精度。

技術(shù)特征：

1.一種基于射線追蹤和集成學(xué)習(xí)的隧道環(huán)境信道建模方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟1包括以下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟2包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種基于射線追蹤與集成的隧道環(huán)境信道建模方法，該方法使用射線追蹤方法建立隧道環(huán)境下多種通信配置的信道特征參數(shù)數(shù)據(jù)集，使用基于MLP與XGBoost結(jié)合的集成學(xué)習(xí)方法，MLP預(yù)訓(xùn)練對于信道環(huán)境參數(shù)進行特征提取，XGBoost利用這些特征進行更精準(zhǔn)的預(yù)測，以此實現(xiàn)隧道環(huán)境下的高精度信道快速模型。本發(fā)明可以提供一個智能信道模型，在擁有較快模型速度的前提下，同時具備較高精度。本發(fā)明為隧道通信系統(tǒng)設(shè)計提供基礎(chǔ)，幫助優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和參數(shù)設(shè)置，確保通信質(zhì)量和可靠性。

技術(shù)研發(fā)人員：凌子寒,黃新林
受保護的技術(shù)使用者：同濟大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15