高架桥环境之高铁无线通信信道建模及仿真

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1、高架桥环境之高铁无线通信信道建模及仿真第1章绪论1.1研究背景铁路是我国重要的交通工具之一，7承载着全国大部分的货运和客运，在我国交通运输体系中有着中流砥柱的作用。我国地域辽阔，东部沿海一带人口密集、经济发达，西部地区人口稀少、资源丰富。人口、资源的分布不均衡，因此经济、便捷的铁路成为一种最受民众欢迎运输方式。近些年来，社会的发展日新月异，为了满足日益增长的客运和货运的需求，世界各国都建立起高速铁路（高铁）。与此同时，中国高铁取得了长足的进步。据统计，迄今为止,我国己建成的高铁1.3万公里[1]。2010年12月，中国

2、CRH-38()A列车在北京一上海高铁段试运行速度达到486.1千米每小时[2]。新的通信技术极大的改变了人们获取信息和相互交流的方式。移动用户渴望拥有更高的网络容量、更可靠的通信质量、更快的网络速度。高铁计划为乘客提供数据丰富的无线通信，包括互联网接入、高品质的语音服务和移动视频，保证乘客在整个旅途中游戏和娱乐。同时，增加铁路控制信息，包括安全监视和维护信息。..1.2国内外研究现状在一些相关的测试结果中，高铁的无线网络通信质量相当差，测试结果显示出了极高的掉话率和极低的数据传输速率[3]。虽然中国已经进入3G时代，

3、但是无线通信流动性、可靠性和容量等问题，还没有很好的解决。以下三个因素对铁路无线通信有着重大的影响：(1)时间和频率选择性衰落非常严重。(2)列车车身的穿透损耗高达20dB。(3)组切换问题。为了解决这些问题，因此提出了一系列技术，包括系统结构[4],物理层信号处理方法[5]，新型的无缝切换技术等[6]。这些技术都是用来减轻列车高速移动带来的影响。然而，在列车速度达到250km/h时，现有的系统的性能出现了急速下降。因此，在高速铁路环境下，提出一种新的无线接入技术是非常有必要的。移动无线信道的传输特性是研宄宽带数字移动

4、无线系统的先决条件。一个可靠和适用的无线信道是设计和测试高铁通信系统的基础。尽管许多宽带信道测量己经完成城市无线信道的研究。但是到目前为止，关于高速铁路无线信道特性的研宄并不是很多。高速铁路总体特征表现为：运行速度快，运行场景复杂。这两个特征对高铁无线移动通信系统的性能造成巨大的影响。主要表现在衰落和干扰上，其中衰落具体有：大尺度衰落（路劲损耗)，小尺度衰落。小尺度衰落类型比较多：平坦衰落、频率选择性衰落、快衰落、慢衰落。前两种衰落是由多径时延扩展引起的，后两种衰落是由多普勒扩展引起的。干扰具体有：小区间干扰，小区内干

5、扰，同频干扰和码间串绕等[7]。由于高速铁路运行场景复杂多变，准确的对其分析对建立无线信道模型有着至关重要的作用。第2章移动无线信道特征2.1大尺度衰落移动无线信道的特征决定着无线通信系统性能的好坏。深入的研究移动无线信道的基本特征是建立高速铁路高架桥环境下的无线信道模型的基础。信号从发射机到接收机，经过的路径非常复杂，有简单的视距路径传播，也存在复杂的多径传播；有快衰落现象，也有慢衰落现象；有时间选择性衰落，也有频率选择性衰落。由于无线信道的不可见性，造成了无线信道的随机性极强，很难用一个固定的公式或者固定的模式去分

6、析。而且移动的接收端存在多普勒频移现象，使得接收信号电平产生衰落。研究移动信道传播模型，可以从以下两个方面进行：大尺度衰落：指的是发射端和接收端之间长距离的信号强度的变化[11]。当接收机和发射机相对位置在十米范围内变化时，接收信号的强度变化不大。当接收机和发射机相对位置变化较大时，接收信号的平均功率会有几个数量级的变动。小尺度衰落：指的是信号强度在短距离（波长级）或短时间（几秒）内的快速变化[12]。无线电波在传播时遇到各种障碍物，发生了反射、散射和绕射，经过多条路径到达接收端。因为各个传播路径的幅度和相位各不相同，

7、造成接收端信号的急剧变化。小尺度衰落是无线信道的复杂性和随机性的体现，决定了无线通信系统性能。大尺度衰落用来描述长距离内接收信号功率的变化规律，这是由于发射机和接收机之间的传播路径中有各种各样的障碍物。通常情况下，收发机之间的距离越大，大尺度衰落越严重，而且不同的地理环境修正因子有所不同[14]。高速列车运行的场景复杂多变，研宄经典的多尺度衰落模型是分析高速铁路高架桥场景路径损耗的基础。2.2小尺度衰落信号在经过短时间或者短距离传播后，幅度上产生急剧的波动，以至于可以不计大尺度路径损耗的影响，这种现象通常叫做小尺度衰落

8、[18]。发射端信号在传输时沿着两条或多条路径传播时，接收端收到的是多个幅度和相位都随机变化的合成信号。高速铁路环境下，列车的运行速度快，接收端的信号存在非常大的多普勒频移。高架桥的场景比较特殊，接收信号存在一条视距路径，同时由于传播环境中的障碍物，接收信号也存在多条非视距路径，因此研究小尺度衰落也是有必要的。无线信道的多径传播导