复合高速铁路宽带无线信道场景:测量,仿真和分析

文摘

高速铁路的快速发展(高铁)和车地通信可靠性高,安全,和能力促进铁路专用移动通信系统的发展从全球移动Communications-Railway系统gsm - r)(长期Evolution-Railway (LTE-R)。LTE-R网络规划的主要挑战是快速时变信道和高流动性,因为高铁线路由各种复杂的地形,尤其是复合场景隧道、岩屑和高架桥在短距离连接在一起。现有的研究主要集中在路径损耗和延迟传播对个人高铁场景。摘要宽带测量是使用一个通道执行测深仪在950 MHz和2150 MHz高铁综合在一个典型的场景。基于测量,路径损耗指数的关键特征分析,功率延迟,和抽头延迟线模型。然后,确定的通道模型的三维射线跟踪算法应用于复合场景提出了由测量数据和验证。基于射线跟踪模拟,在延迟和多普勒频域信道特性的统计分析进行了高铁复合场景。研究结果可用于无线电LTE-R系统的界面设计和优化。

1。介绍

在过去的几年里,世界已经见证了高速铁路的快速发展在中国(材料)。gsm - r系统的,它是专门设计和标准化的培训和控制中心之间的通信,可以提供语音群呼功能寻址,位置寻址的依赖,提高多级优先级抢占,列车控制安全数据传输,数据传输调度无安全服务。gsm - r仍有一定的局限性,以满足数据传输包括安全监视和维护信息的多样性在现实网络操作,因为它仅适用于窄带通信。因此,在高铁宽带无线车地通信中扮演一个重要的角色在列车运行控制、监控和维护数据传输,使大量的应用程序可能(1,2]。铁路服务来满足日益增长的需求,高铁所面临的挑战是部署宽带通信系统称为LTE-R [3- - - - - -6]。LTE-R已被确认为下一代的技术方向铁路高铁环境中移动通信由于其技术优势,如提高性能,灵活的服务质量(QoS)概要文件,支持关键任务服务,和高速移动(7,8]。目前,一系列高铁宽带通信系统的研究正在进行,而广播传播的主要研究热点,因为高性能通信系统依赖于优秀的无线网络覆盖。铁路可持续发展的宽带移动通信系统需要了解高铁无线信道特征(9,10]。建立可靠和可信的高铁通道模型的前提是实现高效、可靠、安全的数据传输条件下的高流动性和高数据率。

研究宽带和窄带通道高铁或地铁环境中已经在过去的几年里进行。小规模衰落的行为,它被定义为信号变化发生在非常短的距离,大量的论文中讨论了宽带移动通信。几个无线信道传播测量活动已经执行在不同的高铁场景中,如火车站(11- - - - - -13),高架桥(14- - - - - -17)、切(18,19),穿过桥(20.),铁路隧道(21),地铁隧道(22,23),和通道隧道24]。实证路径损耗模型和小规模衰落参数取得了930 MHz。视线外的传播特性在一个小通道隧道(仿真结果研究[24),并给出该模型预测的路径损耗,功率延迟(PDP),均方根(RMS)延迟传播,和相干带宽。水龙头延迟线(TDL)模型和多普勒特征对于高铁丘陵场景提出(25]。在[26),在2.35 GHz的传播机制进行了调查对于高架桥场景,路径损耗,取得了时间延迟扩展,增殖系数建立统计定位信道模型。在[27),合作天线系统是建立在火车车厢分离和多普勒频率偏移估计和联合信道估计算法利用multiantenna多样性提出了收益。这些研究主要集中在个别情况下通道参数。然而,由于实际高铁的高速移动环境中,场景包括隧道、切割、无线通信和高架桥连续。因此,移动电台会经历各种各样的场景在很短的时间内,这些场景移动电台是分不开的。电话滴和数据传输错误经常发生在这样的组合场景。总之,现有研究普遍忽视了快速从一个场景转换到另一个。因此,复合场景的通道模型仍不足和时变的非平稳的特点,在高铁快衰落通道复合场景仍然需要进一步调查。

基于射线跟踪的确定性建模技术(RT)仿真模型高铁频道(也是一个重要的方法28,29日]。该方法考虑了直接路径,反射和散射模型传播渠道在一个特定的场景中使用形态和地理信息。然而,在复杂的场景中,RT方法需要大量的计算。一般来说,为了减少计算时间,在复杂的场景中,只有第一个,考虑二阶反射。确定的信道模型的输出为每个链接的时变信道冲激响应(CIR)特征频率选择通道。三维(3 d)重建场景是RT建模的基础上,研究文献中,例如,(30.,31日]。

本文的主要贡献在于以下方面:(1)宽带无线信道测量活动是开展高铁复合场景使用通道探测系统在950 MHz和2150 MHz的频率。(2)基于测量数据,我们解释现象的路径损耗的变化趋势,PDP,意味着过多的延迟,和RMS时延扩展6典型地区的综合情况。然后,TDL形成基于信道模型,有利于高铁时变信道的特性。(3)高铁复合场景重建和3 d RT模拟器由测量数据验证。然后,小规模衰落,PDP,多普勒统计属性,以及延迟和多普勒域之间的相关系数。这是有利于发展的高铁宽带通信系统在可预见的未来。

本文的其余部分组织如下。测量场景中,通道测深仪配置和测量运动提供了部分2。部分3介绍了测量结果与统计分析,小说TDL模型建立了高铁复合场景频道。部分4提供了三维场景重建的复合高铁场景;基于3 d ray-optical通道模拟和随机分析介绍。节5确定性建模的通道在高铁复合场景和测量数据的统计建模在同样的场景中进行比较和验证。此外,小规模衰落、多普勒统计特性和延迟和多普勒域之间的相关系数进行了详细分析。最后,结论部分6。

2。高铁频道测量

2.1。测量系统配置

测量系统包括一个通道测深仪包括发射机(Tx)和接收器(Rx),示波器和天线。下面详细描述测量规范。

2.1.1。通道测深仪

通道测深仪作为系统的设备来测量无线信号在特定环境的行为32]。测试平台采用窄脉冲技术和可用于宽带频道测深,表中列出的参数1。Tx由宽带频率合成器,脉冲调制器,脉冲发生器,宽带功率放大器。合成器由定制软件PC控制程序传输频率。传输信号是由脉冲调制器调制与可选择的脉冲宽度窄脉冲。建立了高质量的脉冲发生器与时钟信号同步。最终,一个高功率放大器用来放大调制信号。接收器是由本地振荡器,低噪声放大器(LNA),混合机,中频滤波器,对数放大器用作解调器。接收到的信号发送到放大器。然后,放大信号混合锁相环(PLL)超外差接收得到+ /−150 MHz中频,通过一个加法或减法传输信号频率。这时,一个100 MHz带通滤波器将过滤掉不需要的部分。 Finally, the logarithmic amplifier is used as an envelope detector, which connects to the oscilloscope to provide the magnitude of the received signal [33]。

2.1.2。示波器

接收机的输出解调信号发送到数字示波器,它允许实时捕捉数字化PDP和保存硬盘上的数据。为了满足高采样率的要求,Infiniium MSO9104A从Keysight使用,提供一个带宽1 GHz与响应深刻的记忆和渠道,确保上级查看被测信号。

2.1.3。天线

海峡测深仪配备L-Com hg72714p - 090面板垂直定向天线的极化垂直和水平波束宽度,如图1(一)和表2。Rx是全向天线3米高度加上括号。Rx天线L-Com HG72107U,垂直偏振,获得4 dBi和7 dBi在不同波段,如图1 (b)和表2。

2.2。测量场景

在山区铁路建设中,岩屑通常用于帮助高铁穿过大障碍。标准深度削减双方的山坡上有类似的倾向可以产生丰富的反射和散射的组件。高架桥高度为10米至30米还用于高铁以确保rails的平面度和直线度。天线的高度的屋顶上火车增加由于高架桥,这减少了散射形成的数量相对“清晰”视距(LoS)传播渠道。因此,切割和高架桥信道传播特性有明显的影响,它提供了调查的动机的组合场景切割和高架桥。

的宽带测量进行了忻州部分“Datong-Xi安”在中国高铁,如图2。隧道的高度9米,切割长度130米,280米长度的高架桥,削减100米长度的端到端有关。在这种情况下,它更有可能受到多路径组件与一个更高的高度上切割的接收天线。众多的多路径组件造成的侧墙导致严重的衰落。此外,一个半封闭的空间是由切割和山上的结构,这可能包含大量的散射和反射组件。

2.3。测量运动

本文主要分析和探讨了影响多路径组件复合场景。为了实现这一目标,一系列的宽带测量在950 MHz和2150 MHz乐队可能在未来被用于LTE-R进行。英吉利海峡测深仪发射机安装在顶部的平台上的切割、Tx天线是35米高轨面和20米远离隧道入口。发射天线的螺旋角 。通道探测器接收天线沿着轨道,和测量数据收集了50个不同的地点。

测量环境可分为四个区域的组合场景:位置1和2属于我,也就是说,隧道洞口;位置3日- 15日落入地区II切割1;第三位置16-44属于地区,高架桥存在,和第四区域,减少2,包括其余的位置。采样间隔50 ns,每个快照收集约20000圆。每个相邻的快照有10米的距离。

3所示。测量结果和分析

无线信道衰落的知识行为有助于设计褪色的对策。因此,参数化的衰落特性和发展通道模型高铁是必要的。本节将详细分析测量结果。

3.1。路径损耗分析

之间的路径损耗模型假设一个线性依赖路径损耗在dB和距离的对数(34),显示为 在哪里是自由空间频率相关参考距离路径损耗吗 , 平均路径损耗指数(中国)距离,然后呢是一个零均值高斯分布随机变量与标准差描述了随机的阴影。我们发现 m近战的(CI)自由空间参考路径损耗模型是一个简单的物理基础单参数请耐心模型(35,36),这是更稳定的穿越频率和环境比传统floating-intercept (FI)最小二乘回归方程。fixed-intercept给出 在哪里 和是载波波长。CI模型的两个载波频率950 MHz和2150 MHz如图3测量数据。从图可以看出3请耐心的综合情况是1.6和1.7在950 MHz和2150 MHz,分别。这么小的请耐心值意味着传播的波导效应的综合情况。除了Tx和Rx之间的直接路径,大量反映组件切割造成的斜坡和山也执行传播,叠加,因此,他们降低了中国的价值观。类似的观察在高铁的930 MHz高架桥场景一直在报道(37),pl在1.5和1.7之间。

3.2。功率延迟概要(PDP)

PDP广泛用于多径衰落信道建模。多路径影响的范围在无线电频道显然可以由时间延迟传播。通道参数,比如第一和第二重要的多路径组件可以从PDP中提取曲线。

自高铁基站总是安装在跟踪和天线的一侧高于追踪至少25米的隧道部分除外,铁路与LoS传播环境是一个典型的场景。通常,无线电波来自洛杉矶路径提供的主要组成部分,和无线电波来自其他方向散射或反射的陡峭的墙壁或丘陵,导致时间延迟传播。

从数据4和5,发现PDP波动在这个复合场景中沿着轨道在950 MHz和2150 MHz的频率。一般来说,波在这两个频率有非常相似的行为,与距离变化(33]。在第一个150,950 MHz和2150 MHz的传播是很明确的延迟扩展。更重要的处方时表现出延迟扩展更接近山隧道,这是由于强烈的反射从上面的墙隧道。然后,延迟扩展有逐渐减小的趋势,当Rx切割,由于开放空间。然而,仍然有丰富的多路径组件。延迟传播Rx时减少近150 Tx。这一点正是高架桥在开放区域的入口。因此,大量的多路径组件消失,传播是由直接射线。

典型的pdp在不同的场景中演示了数据6(一)- - - - - -6 (f),分别。Rx在地区上我,也就是说,隧道入口,由于直接路径Tx隧道大厅被屏蔽的阴影区域,仿真结果的情况。无线电传播频率显示更长和更清晰的时间延迟的仿真结果。特别是,950 MHz的延迟扩展是越来越严重的多路径效应反映,相比之下,2150 MHz。第二Rx在该地区,有明显的洛杉矶组件和多路径组件引起的切削陡壁。Rx在第三区域,即高架桥场景,很难检测多路径组件由于反射的消失。多路径组件从遥远的山散射的贡献也可以被忽略。延迟传播大大减少。Rx在第四区域,即削减2情况下,只有直接的路径,因为切割高度较低,多余的反射信号的延迟与占主导地位的信号。反射信号的力量是由远程切割也小,而且,因此,不能形成一个清晰的路径。

3.3。分析时间色散

作为一个通用的方法,来分析宽带通道测量,PDP可以量化意味着过多的延迟和RMS时延扩展,它描述信道的时间色散特性在一个特定的场景。多路径组件的延时估计相对第一个探测峰值路径(38,39]。意味着过多的延迟是第一个PDP的时刻和定义是 在哪里的功率吗th路径和的相对时间延迟吗路径。一般量化RMS时延扩展是第二个中央的平方根的时刻PDP和提出了(4),它可以用来提取通道阀门的数量(40]。

一般来说,平均延迟过剩和RMS时延扩展依赖于噪声阈值的选择,这是用来区分接收到的多路径组件功率热噪声功率的原始pdp。摘要噪声阈值设置为6 dB以上PDP的噪音水平,按照(41,42]。因此,峰值大于阈值被认为是一个可解决的路径。同时,减少实现通道模型的复杂性,通道水龙头应指定的数量。使用RMS延迟扩展来确定阀门的数量是由(38] 在哪里RMS时延扩展和吗是脉冲持续时间,它是30 ns。

在表3多路径组件的平均数量,意味着过多的延迟,RMS时延扩展计算。RMS时延传播在两个频率如图7。RMS值延迟传播地区三世和地区第四躺在0 - 100 ns的范围。这是由于存在的主要组件,几乎没有其他的多路径组件。为该地区靠近伐区,RMS时延扩展变得更大,而RMS时延扩展的范围主要是在100 - 300 ns在切割场景中,它反映了严重的褪色效果。在这个地区,大约有5 - 6多路径组件由于有更多的反射和散射组件从切墙和偏远山区。RMS时延扩展的值不同的频率接近对方。注意,类似的结果:延迟统计所示(43)近似地950 MHz和2150 MHz的病例。

3.4。TDL通道模型

TDL基于信道模型有助于分析时变信道(26]。开发基于TDL模型根据假说;即区分通道水龙头是离散的,有不同的延迟高铁复合场景。在本节内,参数化水龙头数量,相对延迟传播,和在不同的场景中获得的平均收益的基础上,详细分析测量数据。

3.4.1。TDL通道模型在隧道入口

表4提出了TDL通道模型在隧道入口情况下与Tx隧道附近的屋顶上切割。可以得出结论,多路径组件的数量很大,和隧道入口与仿真结果非常一致的情况。2.4 GHz TDL模型(25)建立基于类似的场景,利用对应于一组多路径组件具有类似传播延迟和收益,我们为2150 MHz建模数据集。

3.4.2。TDL模型下切割1频道

表5推导出TDL信道模型下减少1。可以推断,还有几个多路径信号;然而,《路径发挥更主要的作用在这个场景中,RMS时延扩展小于隧道入口。

3.4.3。TDL高架桥下通道模型

表6给出了TDL通道模型参数两部分,高架桥附近切割1和高架桥附近切割2。我们可以观察到,当附近的Rx是切割1或切割2两到three-ray模型应用。这是由于散射和反射的切割1和切割2为第二和第三路径。当Rx中间高架桥的一部分,也就是说,远离切割1和切割2,只有一个洛杉矶路径占主导地位,几乎没有多路径组件检测到。

3.4.4。TDL模型下切割2频道

从图可以看出6 (f)切割2中,只有洛路径区域,因为Rx远离Tx的距离直接从切削路径和反射路径2大致相等,从远程山和反射的信号非常弱。

4所示。场景重建和RT模拟

4.1。重建的场景

确定性模型,则直接影响着传播建模的场景。结果,精确重建3 d传播环境是确定的信道建模的关键因素。的帮助下3 d建模、复合场景的无线电频道的行为已经被确定的传播模拟模型。首先,高架桥的尺寸,手工切割、测量和建筑。然后,测试线的纬度和经度信息收集和周围的场景测试线是通过谷歌地球的卫星图像。最后,通过收集所有的信息,一个完整的3 d RT通道模型库可以建立。

根据不同的无线电传播机制,高铁场景中所有的主要对象可分为大规模和小规模的结构。大规模的结构,包括碴轨道、隧道、切割、高架桥,被建模为三角形和多边形具有不同电磁参数。小规模的结构,包括塔和植被,被建模为一个导电柱长度有限。场景是由隧道、山、切割、高架桥、碴轨道。必须知道材料的介电性能对提高模拟的准确性。所有材料的反射系数和散射系数可以由以下方法之上。首先,中定义的标准化参数ITU-R建议,像ITU-R P.2040, ITU-R P.1411, ITU-R P.1238-7,等等。这些参数可以设置为原始输入。此外,特定环境中材料不可用或不足的标准,将被用于测量校准系数。在这项工作中,我们应用该方法在44,45)和校准材料参数的切割、高架桥等后植入RT模拟器测量。因此,RT模拟器可用于模拟信道特性进行深入的分析,在特定的场景。重建RT的复合高铁场景仿真如图8。

4.2。基于3 d Ray-Optical信道仿真

基于3 d ray-optical通道模拟用于建立3 d确定性通道模型。几种传播机制考虑模型的多路径性质高铁频道。首先,Tx和Rx之间的直接路径计算基于距离和路径损耗。其次,镜面反射和漫射计算,与跳跃的反映2减少计算复杂度。此外,衍射的贡献是被忽视的,因为没有障碍之间的Tx和Rx。因此,每个射线可以获得的信息,包括类型的路径,路径损耗,路径延迟,和3 d角属性。Tx的位置/ Rx,天线的方向,RT的快照结果见图9。在这个图中,不同的颜色代表不同的接收功率水平。

5。RT仿真的验证和进一步分析

5.1。RT仿真的验证

为提高RT算法效率的目的,所涉及的对象的确定性通道模型是显性的高铁,如高架桥、隧道、和切割。因此,该模型排除了远程对象,难以察觉的,低于轨道。在RT算法, 随着采样间隔,在哪里指的是波长。其他参数用于模拟实际测量中使用的相同。假设火车的速度为310公里/小时,火车时间轴显示位置如图8。

图10显示路径的比较测量和模拟结果之间的损失。由于RT仿真的局限性,例如,反射的有限顺序,没有衍射机理建模、和粗糙的场景重建,有某些区别RT模拟和测量路径损耗。然而,变化趋势是一致在不同频段定性。图11显示了PDP基于测量数据和PDP确定性预测的通道模型在一个快照为950 MHz和2150 MHz。预测和测量结果一致的归一化功率和多路延迟,除了少数点(延迟超过400 ns)不匹配很好由于散射简化远程对象。事实上,捕捉密集的多路径组件的功能(DMC)是RT仿真方法的缺点,指出了数字出版。在本文的场景中,隧道和切割是典型的封闭或半封闭环境,和,因此,通常用极其强大的多路径组件长时间的推迟是出乎意料的时候。这也反映在测量数据。因此,对于目标场景,RT模拟器是进一步分析的应用。

5.2。小规模衰落分析

基于上述3 d场景中,小规模衰落特性通过通道模拟研究在本节。信号带宽、功率、天线参数和位置是一样的现场测量。图12说明了小规模衰落深度和最大衰减值作为时间的函数在950 MHz和2150 MHz,分别。不同的时间点反映了不同地理位置的组合场景。小规模衰落的明显不同的特征被发现在不同的位置,属于不同的场景中,在表7。它可以观察到,带2中的衰落深度大于区3 950 MHz和2150 MHz,而这两个区域都是高架桥。原因是带2甚至接近切割。在区4中,最大的2150 MHz衰落深度约−59 dB,这是比其他区域,而没有找到同样的现象如此严重,950 MHz。得到了类似的结果:小规模衰落的900 MHz的数据集(43),但最大的衰落深度(43摘要低于。这一结果表明,复合场景会导致更严重的小规模衰落。

5.3。随机分析

无线通信系统必须开发各种传播条件,激励随机特性分析,将一个线性时变信道视为一个随机量。因为通道没有大变化平稳性间隔被认为是10 ms (46),大范围的假设静止不相关的散射(WSSUS)是合理的。根据WSSUS假说在固定的间隔,随后进行了随机分析。

5.4。PDP性能分析

研究了基于RT模拟PDP在本节。图13两个频率使PDP和场景。一般来说,确定性模型的变化趋势和波动类似测量。pdp的950 MHz和2150 MHz是相似的。当火车是发射机的位置附近的场景是隧道入口和高切割、更分散的多路径组件存在由于丰富的散射光线从隧道外墙和更高的切割。致密扩散演示了多路径;参见图13。延迟是主要分布在0 - 200 ns,下面的测量延迟和多路径的力量高于测量数据,因为简化的场景。

5.5。多普勒统计特性分析

基于RT仿真多普勒在本节统计特性进行了分析。平均多普勒频移被定义为 在哪里多普勒功率谱密度,多普勒频移,是频率。RMS多普勒扩散被定义为的平方根的第二中央的时刻多普勒功率谱密度和提出了(7),它可以用来描述的时间选择性衰落(41]。 多普勒功率谱、平均多普勒频移和RMS多普勒扩散两个频率给定的数字14和15。当火车穿过发射机,平均多普勒频移的雪堆彻底从200赫兹到600赫兹−2150 MHz和100赫兹到260赫兹−950 MHz。当RMS多普勒扩散相对较大,小规模衰落深度变大,表明切削的密集的散射分量导致严重的多普勒扩散。此外,如果延迟较大,传播衰落会更深。950 MHz的多普勒扩散并不像在模拟2150 MHz,如此之大的严重的衰退不会发生。因此,移动台和基站应该设计实时估计多普勒频移和动态调整系统参数根据多普勒频移。

5.6。延迟和多普勒域之间的相关系数

基于RT模拟、延迟和多普勒域之间的互关联系数估计在本节内,它被定义为(47] 在哪里延迟扩展,多普勒扩散,和数据集的平均值吗和长度为 ,分别。提取的互相关的结果系数表8。之间有高度的相关性传播延迟和多普勒扩散伐区的不同的频段。与此同时,延迟和多普勒扩散表现出较低的相关性,当火车走势在高架桥稀疏散射跟踪双方。

6。结论

摘要宽带无线信道测量使用定制的频道测深仪在实际高铁复合场景在950 MHz和2150 MHz报告和分析。时间色散的路径损耗指数和参数包含路径的数量,意味着过多的延迟,RMS时延估计传播。TDL通道模型提出了高铁复合场景包含隧道口,切割,高架桥基于实测数据。复合场景的分析揭示了一些重要的现象:RMS延迟的差异在两个频率很小而传播损失更为严重;切割和隧道入口将带来更大的RMS延迟;多路高架桥更受到两个连接到高架桥的岩屑,因为岩屑的反射和散射的干扰产生不仅深衰落,但也多普勒色散和延迟扩展。复合场景的确定性通道模型,使用3 d重建RT方法,提出。信道模型与测量数据进行比较和验证。过渡区域的不同的场景可以明确确定规范化小规模衰落和多普勒特征分析。我们未来的工作将继续分析集群出生和死亡的行为在这个场景中多路径组件。 As radio channels have profound impacts on the field strength coverage, reliability, and quality of service of HSR mobile communication system, the results are useful for providing guidance on the broadband HSR communication system design, network planning, and optimization.

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者表达自己的感谢支持中国国家重点研发项目的一部分在批准号2016 yfb1200102-04,中国国家自然科学基金资助下61501021,U1334202, 61501020,和61771037,中国铁路公司的项目拨款2016 x009-e 2016 x003-l,和2016 x003-o,中央大学的基础研究基金在2016 jbm076格兰特,轨道交通控制与安全国家重点实验室项目授予RCS2016ZJ005,格兰特L161009下和北京自然科学基金。

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