高速鐵路無線信道傳播特性、建模與測量方法研究.pdf

1、高速鐵路作為適應(yīng)現(xiàn)代文明和社會(huì)進(jìn)步的高科技產(chǎn)品，是以高速度、大容量、低污染、安全可靠著稱的先進(jìn)的交通工具。高速鐵路自誕生起即伴隨著車地?zé)o線通信的承載需求，其中一部分業(yè)務(wù)承載需求來源于高速列車的列車控制，這是高速列車必不可少的重要組成部分，另一部分業(yè)務(wù)來源于車上的旅客，這些是滿足旅客服務(wù)質(zhì)量需求的重要標(biāo)志之一。隨著高速鐵路的快速發(fā)展，未來的高速鐵路無線通信系統(tǒng)要求同時(shí)支持列車控制、面向運(yùn)行安全的在途檢測數(shù)據(jù)傳輸以及旅客信息服務(wù)。
　

2、　無線信道是無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確認(rèn)知無線信道的傳播特性是設(shè)計(jì)無線通信系統(tǒng)的前提條件。無線信道的傳播特性一般通過信道測量手段直接獲取，并利用信道模型加以描述，進(jìn)而為無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)評估、系統(tǒng)和鏈路級仿真、原型機(jī)搭建以及網(wǎng)絡(luò)部署提供理論基礎(chǔ)。盡管近年來國內(nèi)外學(xué)者已對高速鐵路無線信道開展了大量研究，但仍然存在下述局限:
　　1)從傳播特性看，現(xiàn)有高速鐵路窄帶信道傳播特性的研究無法為未來高速鐵路寬帶通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供足夠參考

3、。高速鐵路典型場景如高架橋和U型槽的寬帶小尺度衰落特征存在一定空白。
　　2)從信道建模看，由于測試條件的限制，現(xiàn)有基于測量的高速鐵路信道模型并未覆蓋MIMO（Multiple Input Multiple Output）信道特性。高速鐵路典型場景下的MIMO性能評估缺少真實(shí)信道模型的支持。
　　3)從信道測量方法看，現(xiàn)有基于信道探測儀的信道測量方法并不適合面向未來高速鐵路無線通信系統(tǒng)的信道沖激響應(yīng)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建。高速鐵路無線信

4、道數(shù)據(jù)獲取需要高效信道測量方法的支撐。
　　針對以上問題，本文對高速鐵路典型場景下寬帶信道傳播特性、MIMO信道建模以及高效信道測量方法進(jìn)行深入研究。本文主要工作如下:
　　1)基于標(biāo)準(zhǔn)信道探測儀獲取的測量數(shù)據(jù)，研究了高速鐵路高架橋和U型槽場景信道大尺度和小尺度衰落特性。統(tǒng)計(jì)了路徑損耗和陰影衰落參數(shù)，建立了高速鐵路典型場景的大尺度傳播模型。從窄帶、寬帶、時(shí)延角度分析了萊斯K因子參數(shù)，抽象了窄帶和寬帶K因子統(tǒng)計(jì)模型。根據(jù)提取的

5、多徑時(shí)延和多普勒相關(guān)參數(shù)，探討了高架橋和U型槽場景的時(shí)間色散和頻率色散特征。
　　2)基于時(shí)頻隨機(jī)散射理論，研究了高速鐵路高架橋和U型槽場景MIMO信道建模?；趲缀坞S機(jī)散射理論提出了高架橋場景的參考模型，推導(dǎo)了相關(guān)函數(shù)和多普勒功率譜的理論表達(dá)式，并根據(jù)理論多普勒功率譜與實(shí)測多普勒功率譜的非線性擬合結(jié)果確定了參考模型的環(huán)境參數(shù)，構(gòu)建了半經(jīng)驗(yàn)的MIMO信道模型，評估了高架橋場景的MIMO性能。基于隨機(jī)傳播圖理論提出了U型槽場景的傳播

6、圖模型，生成了虛擬的信道沖激響應(yīng)數(shù)據(jù)，并完成實(shí)測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對比驗(yàn)證后將傳播圖模型擴(kuò)展至MIMO情況，評估了U型槽場景的MIMO性能。
　　3)針對高速鐵路場景下信道測量限制和測量效率問題，研究了基于鐵路專網(wǎng)的高效信道測量方法。提出了基于WCDMA(Wideband Code Division MultipleAccess)的高速鐵路信道測量方法，闡述了利用WCDMA信號(hào)中的CPICH(CommonPilot Channel)

7、實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)相關(guān)信道探測的原理，并構(gòu)建半實(shí)物仿真平臺(tái)對所提出的方法進(jìn)行了驗(yàn)證。提出了基于LTE(Long Term Evolution)的高速鐵路信道測量方法，詳細(xì)介紹了利用LTE信號(hào)中的CRS(Cell-specific Reference Signal)實(shí)現(xiàn)頻域信道探測的原理，分析了信道沖激響應(yīng)的測量性能，提出了一種算法來補(bǔ)償定時(shí)偏差對測量性能的影響，最后采用MATLAB平臺(tái)對該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　4)為了實(shí)現(xiàn)基于LTE的高速鐵

8、路信道測量方法，研究了一種新型的高速鐵路信道測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由LTE鐵路專網(wǎng)與自主研發(fā)的LTE信道探測儀構(gòu)成。通過硬件模塊搭建了LTE信道探測儀的硬件平臺(tái)，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)配套軟件實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的讀取、存儲(chǔ)、處理顯示和位置標(biāo)記四大功能。利用標(biāo)準(zhǔn)矢量信號(hào)發(fā)生器對LTE信道探測儀進(jìn)行了校準(zhǔn)與驗(yàn)證。基于新型的信道測量系統(tǒng)，開展了高速鐵路平原高架橋場景下的信道測量活動(dòng)，分析了帶狀覆蓋、小區(qū)合并、移動(dòng)中繼、MIMO和CoMP(Coordinated M