高鐵場景下寬帶無線信道模型的探討

喬洪蓮　張博言

【摘要】 隨著高鐵的迅速發展，高鐵寬帶無線通信問題也成為學術界研究的熱點。高鐵場景下信道特性的測量與建模是高鐵無線通信系統研究的基礎工作之一。本文介紹了高鐵無線通信發展現狀、高鐵環境下信道模型的發展現狀及高鐵無線信道測量和建模所面臨的挑戰。

【關鍵字】 高鐵 無線信道 信道模型

一、引言

根據國際電信聯盟（ITU）預計，未來高鐵需要為乘客提供流暢的視頻通話、移動電視、移動互聯網等高帶寬的多媒體業務，而且由于高速鐵路的乘客具有乘坐時間長，列車車廂需能滿足乘客的寬帶無線接入需求。現有的高速鐵路環境下的通信系統遠遠不能為高速鐵路上旅客提供寬帶服務。隨著越來越多的乘客頻繁使用數據服務和互聯網，在高鐵上實現穩定、實時的高速率無線數據傳輸顯得尤為迫切。

信道是通信系統設計的基礎，準確認知無線信道是設計通信系統的前提條件。它為通信系統原型機設計和系統、鏈路級仿真提供真實參考，因此高鐵無線信道隨之成為研究的首要問題。[1]高鐵場景下信道特性的測量與建模是高鐵無線通信系統研究的基礎工作之一。[2]

二、高鐵無線通信系統現狀

2.1高鐵無線通信研究現狀

隨著高鐵在我國和世界各地逐漸投入使用，為了實現基于2G、3G甚至4G移動通信網絡的高鐵語音和數據實時、穩定傳輸，各種以先進的通信技術為基礎的高鐵無線通信解決方案陸續出現。這些方案中有中國移動提出的高鐵專網方案，其中包括了采用射頻拉遠的覆蓋增強方案以及特殊的無線接入方式，還有在歐洲高鐵中使用的分布式天線系統。除此之外， 先進的通信技術如智能天線， 超寬帶，（ Multiple-InputMultiple-Output）MIMO 多天線，極化分集，多普勒分集，以及協同多點接入CoMP（Cooperative Multi-Point）技術等， 也正針對高鐵的無線環境進行優化設計、性能測試和驗證。

2.2高鐵信道研究現狀

高鐵信道的特征研究在現階段仍主要是以滿足系統覆蓋為目的的點到點信道的大尺度參數測量和建模上。這些模型包括了路損模型，陰影衰落分布模型以及隧道橫截面相關模型。

鐵路信道的研究確有很多年的歷史。但是，傳統的鐵路信道研究集中在鐵路的特殊環境如隧道中，信道的大尺度參數，即路損、時延、和陰影衰落等 “復合”特征的測量和建模上。這些研究成果多側重于低于2GHz 的無線通信商用頻段，曾對窄帶無線通信系統的設計、構建和性能預測、優化起到了重要的作用。隨著寬帶無線通信系統逐漸從移動蜂窩通信擴展到車輛及礦井等領域，無線信道在這些特殊環境中的寬帶特征逐漸地有所開展，如公路隧道中的信道研究，地下礦井，以及車輛高速運動下的信道建模等。但是這些成果在鐵路信道的應用中存在兩個問題，一是測試環境和分析假設過于局限于公路隧道、礦井隧道和寬闊的多車道高速路面環境，其結果不能夠有效地擴展到鐵路的隧道場景中，二是這些研究旨在分析某個具體場景的信道的擴散方式，由于沒有將傳播和環境相關聯，其模型構建結果很難被推廣成統計的信道模型，具有適用度低的局限。真正著重研究鐵路隧道內信道的寬帶特征，如空間和時間上的選擇特性的文獻很少。利用窄帶測量系統，通過實地測量，總結出了隧道信道內的信道相關性，隨著發射和接收之間的距離而變化的經驗模型。但是由于測試設備的局限性，無法得出基于傳播的參數化信道模型。

另外，采用寬帶MIMO 信道測試設備對于鐵路（包括高鐵）信道的場景進行測試，并分析其小尺度參數分布的研究，至今仍是空白。這和蜂窩無線網絡中的信道模型的系統性和成熟程度，形成了鮮明的對比。不難預料，隨著基于擴頻技術的第三代以及基于正交頻分技術（OFDM）的第四代寬帶無線通信在高鐵中的普及，現階段相對匱乏的高鐵信道研究成果，將嚴重阻礙高鐵無線通信的發展。考慮到我國高鐵事業迅速成長的現狀，以及高鐵信道模型構建中存在的理論空白和采集實測數據的難度，我們有必要盡早地應對高鐵無線通信在多種特殊場景（如隧道、峽谷、高架和高速運行相結合）和復雜網絡組態（如多天線、分布式天線、中繼和CoMP）下的信道需求，對信道特征作出系統的研究，得出科學、有效、實用的高鐵無線信道模型。

三、高鐵無線信道模型建立所面臨的挑戰

3.1高鐵信道情況復雜

高鐵移動信道與傳動移動信道相比，具有時變性強和傳播環境多變性特點。高鐵的高速運行，會導致穩態信道的小尺度時變性和相對長期的大尺度時變性，引起信道統計特征的快速時變，影響到分集和復用技術、切換、環境適應和數據融合等算法設計和優化；高鐵在城市、郊區、隧道、山區、高架橋等復雜環境之間快速切換，已有對應標準信道模型很難對此給予準確描述。

3.2實地測量難度大

高鐵信道測量是需要耗費大量人力和物力的工作，并且由于高鐵經過的環境類別多，相同類別的場景存在較大差異等特點，在某一個場景中測量出來的結果不見得和該類別其他場景相符。

現在業內比較認可的蜂窩系統信道探測儀有芬蘭Elektrobit公司的PropSound及德國MEDAV GmbH公司的RUSK。但是這種方法應用到高鐵環境下時會遇到鐵道部對沿線無線信號管制、高速移動條件下小區切換快、信道參量變化快等影響。

四、結束語

現今隨著高鐵的迅速發展，能夠在高鐵中保持高速穩定的無線數據通信已經成為需要解決的迫切問題。為建立高效穩定的高鐵無線通信系統，高鐵場景下信道特性的測量與建模是現在需要解決的關鍵問題。

參 考 文 獻

[1]劉留，陶成，余立，董偉輝 高速鐵路無線信道測量與信道模型探討 電信科學 2011年第5期

[2]劉留， 陶成， 邱佳慧， 余立 董偉輝 高速鐵路寬帶無線信道測量方法研究 鐵道學報 第33卷第5期2011年5月