为高速铁路场景分析非平稳的特点

文摘

本文的分析为高速铁路(高铁)场景的非平稳特征,根据被动长期演进——基于(LTE)的信道测量。测量数据在三种典型情况下,农村,车站,和郊区,处理获取信道冲激响应(cir)。背景的基础上,研究了非平稳的高铁频道关注平稳性间隔,和四个州的马尔可夫链模型来描述多路径的生灭过程生成组件。结果将是有用的在动态信道建模为未来高铁移动通信系统。

1。介绍

随着高速铁路的快速发展(技术),出现一个新铁路通信服务的需求增长,例如,实时监控,火车多媒体调度,铁路应急通信、铁路物联网(物联网),和宽带无线接入的火车乘客(1]。满足这种日益增长的需求,宽带无线通信系统对高铁最近世界上吸引了太多的关注。自2014年以来,国际铁路联盟(UIC)已考虑替换当前的全球移动通信系统为铁路gsm - r)(铁路的长期演进(LTE-R) [2]。在中国,第四代(4 g)网络部署在大多数材料,共计15000公里,到2014年,随着技术不断发展,专用的4 g网络,成长与他们在2020年将超过30000公里。为未来的第五代移动通信系统(5克),据报道,其目的之一是提供高速率下获得高移动性场景[3]。

因为收音机频道决定宽带无线移动通信系统的性能,详细的知识和准确的描述它的参数在不同的场景中是至关重要的。各种高铁环境下的传播特性是差距。在这种情况下,高铁频道的描述应该考虑场景的影响。

到目前为止,各种各样的研究都集中在长期衰落的行为,包括路径损耗和阴影,在多个高铁场景(4- - - - - -8]。有一些研究工作的短期衰落的行为,基于宽带通道测量进行高铁。相比之下,非固定的行为,已被广泛研究了vehicle-to-vehicle (V2V)通道(9,10高铁环境中,很少研究。为了填补这一研究空白,我们目前的非平稳特征的分析多个高铁场景。被动通道测量对于三种典型场景,进行农村,车站,和郊区,在一个高铁LTE网络。考虑区间的平稳性和多路径组件的动态演化(mpc),非固定的行为在不同的场景中进行了分析和比较。

本文的其余部分介绍如下。部分2回顾了相关工作专注于短期衰落和不稳定的行为。节3介绍了,我们被动通道测量基于LTE。然后,分析了非平稳的特点4,分别。最后,结论部分5。

2。相关工作

独特的高铁场景,如高架桥、切割、隧道、车站,丘陵地带,农村和郊区,有一个对传播特性产生重大影响。在我们以前的工作,褪色严重程度和time-frequency-space色散的高铁频道高架桥和切割场景深深特征基于测量使用Propsound [11- - - - - -15]。在[15)、空间特征,包括到达角(AOA)、均方根(RMS)角度传播(如),和空间相关性(SC),分析了根据所谓的移动虚拟天线阵(VAA)计划。作者在16,17)提出了一个统计模型Ricean增殖系数,研究高架桥高度和切削宽度的影响。获胜者II模型(18道明[]和成本210019)提供了一些短期衰落行为的测量结果为农村场景。还有几k系数的结果,RMS时延扩展(DS)和多普勒功率谱密度抛物型)测量在山区和隧道场景(20.- - - - - -22]。作者在23,24提出详细分析衰落严重程度和时间分散在开式和半封闭式车站的场景。不稳定行为,平稳性间隔(SI)在高架桥场景中gsm - r测量,研究基于显示,传统的渠道模式提出如果远远大于实际测量的(25]。我们也试图采取一种运行测试方法获得的SI开式站在[场景24]。此外,四个州的马尔可夫链是用来模拟生灭(罪犯)过程的mpc高架桥场景(26]。

表1总结了现有的测量活动对短期衰落和非平稳的行为在不同的高铁环境中。它可以发现,有一些结果time-frequency-space特征在一些高铁场景。然而,不稳定的特征行为很大程度上是被忽视的,在多数情况下。因此,本文旨在探讨在农村不稳定行为,车站,和郊区场景。

3所示。信道测量

3.1。测量方案

LTE网络部署在北京到天津(BT)在中国高铁被选在我们的测量27]。这是一个混合网络组成一个专门的网络和公共网络。专用网络的体系结构是完全不同于常见的网络,采用建筑基带单元(BBU) +远程广播单元(RRU)实现特殊narrow-strip-shaped覆盖,而不是细胞覆盖。在此体系结构中,一个物理站点(PS)部署两个RRUs,传递信号的定向天线沿着铁轨方向相反。RRUs是通过光纤连接在一起,然后BBU,负责射频(RF)信号处理。

LTE测深仪放置在高速列车(HST)收集通道数据,沿着BT铁路经历多个场景,如农村和郊区。在我们的测量中,农村和车站的场景范围内的专用网络,而郊区场景是由共同的网络。详细的测量参数在表列出网络中不同的场景2。载波频率为1.89 GHz的农村和车站的场景和2.605 GHz的郊区场景。当哈勃太空望远镜进入郊区,速度却降低了从285公里到185公里/小时。的规范定向eNB天线增益、波束宽度等在不同的频率有微小的区别。在Rx身边,LTE测深仪是连接到一个train-mounted全向天线。邻国之间的平均间隔PSs约1.2公里。的高度和距离差别PS和轨道大约20米、30米,分别。

测量场景如图1。至于农村场景中,传输天线远高于周围环境的光森林和一些建筑物平均不到10米的高度。发射机之间的联系(Tx)和Rx通常有很强的视距(LoS)组件。然而,一定距离后,稀疏的散射的影响将会注意到所代表的Rx non-LoS仿真结果)组件。对车站的场景中,在测量,哈勃太空望远镜穿过车站没有停止。测量站可以被视为一个开放型的站有两个遮阳棚,只有支付平台支持铁路一个清晰的自由空间。然而,遮阳篷仍然可以产生大量的仿真结果组件衰减行为复杂化。车站的长度是440米,天幕的宽度是14米,宽度之间的差距两个遮阳棚是9米。郊区是一个农村和城市之间的过渡区。仿真结果组件在郊区环境会比在农村环境中更丰富。 The density of the buildings in the suburban scenario is similar to that in the urban scenario, but the height of the buildings is lower. Since the measured suburban is close to the urban area, some remote high buildings could affect the results.

3.2。数据处理

基带数据(BB)收集的多链路地区LTE测深仪用于离线处理。数据处理的过程如图2。首先,实现细胞搜索来确定细胞身份和获得同步帧中提取收到当地crs crs和生成。然后,频域相关性用来估计通道频率响应可以随后改变了原始的新闻通过快速傅里叶逆变换(传输线)操作(28]。

4所示。结果和分析

4.1。平稳性间隔

高迁移率会导致违反了广泛意义上的固定无线频道(WSS)条件下高铁场景。平稳性间隔(SI)被定义为最大持续时间或距离,在这通道满足WSS条件。它是由[总结29日],有几个指标,可用于测量SI,涉及当地的平稳性(LRS),相关矩阵距离(CMD),光谱差异(SD)。除此之外,一些统计测试WSS的随机过程也适用于SI的决心,如运行测试和反向安排测试。LRS方法被用来评估高铁频道的时间间隔(25]。运行测试应用于RMS DS数据来确定固定的距离在车站的场景24]。在本文中,我们选择古典LRS方法描述的SI测量场景。

LRS方法的目的是找到的最大时间间隔内的连续两个pdp超出了预先定义的阈值之间的相关系数 。pdp被定义为之间的相关系数 在哪里 在哪里窗口大小和吗是我们的样品通道脉冲响应。

然后,如果可以估计 在哪里 在哪里正在使用的数据的长度。在这里,我们考虑三种典型相关阈值: , , 。

图3比较了派生SI的结果不同和场景的互补CDF (CCDF)。的增加 ,如果是逐渐减少。为 在不同的环境中可以观察到,只有微小的区别,虽然有一个明显的偏差 和 。关注的情况下 和 ,我们发现农村场景中SI值大于车站或郊区的场景。从完全不同的散射环境这是可以理解的。因为洛杉矶是占主导地位的农村场景,mpc的随时间动态变化比较小,因此,固定距离更长。在车站和郊区场景,由于丰富的反射和散射组件从遮雨篷或建筑,非平稳更加严重,因此如果减少。这种非平稳可以来自一个特殊的物理现象,例如,“外观和失踪”或“生与死”的货币政策委员会(26),将在以下小节进一步调查。

详细的统计如果结果包括平均值和60%和80%的CCDF表列出了不同的场景3。为 ,SI的平均值是6.46在农村的场景中,而这些都是3.84米和3.74米在车站和郊区场景。在60%和80%的情况下,通道可以固定在2.33 - -4.29米和1.25 - -2.64米的距离测量的场景,分别。这些值高于1.8米的结果为60%和0.81 80% (25]。从[25),标准的信道模型的计算固定间隔等于3.4为60%,这是4.29的短于一个农村的场景但比的长2.55米和2.33米的车站和郊区场景。也观察到的价值,如果在80%的情况下的测量站的情况是小于4米左右的车站情况报告(24]。这种差异可能是由于使用不同的计算方法。

4.2。生灭过程

的非平稳信道基本上是由于mpc的动态演化运动处方时,例如,外表消失或者罪犯。来描述这个罪犯过程中,四个州的马尔可夫链模型(MCM),每个州在哪里定义如下(30.]:(我) :没有“生育”或“死亡”(2) :“出生”只(3) :“死亡”只(iv) :“出生”和“死亡”

注意,MCM的状态只考虑mpc的变化从当前时刻到下一个。的运动处方,可以相互转化。图4说明了状态转换图的四个州的MCM [30.]。MCM的概率状态之间的转换过程是由状态转移概率矩阵给出的 在哪里和代表国家指数从状态转移概率吗州 。请注意,必须满足以下要求: 在哪里是州的数量;也就是说, 在我们的例子中。

稳态概率可以表示为 满足 。中的每个元素表明整个国家占用概率。

状态转移概率矩阵的结果在表列出在不同的场景中4。这里的状态转移矩阵是来自每个圆形的。因为贵会的采样率是2000 Hz,火车的速度是79米/秒,状态转移矩阵的参考价值是0.04米。在郊区场景中可以看出第二状态更容易运输到状态无论当前状态是什么 , ,或 。这意味着一些新的mpc出生和年长的mpc死大部分时间因为富裕郊区场景中反射和散射组件。对于其他场景,在的情况下 ,下一个状态可以是任何的四个州之一;在的情况下 , 或有最大的可能性是下一个状态;在的情况下 ,下一个状态更容易运输 ;在的情况下 ,下一个状态仍有可能 。结果显示非对称过渡矩阵,这意味着从状态转移概率状态B没有关系,从B到状态。

根据状态转移概率矩阵,可以推导出稳态概率,表中列出4。它是发现,是最有可能在车站和郊区场景。对于农村的场景 , ,或可能是稳定状态。值得注意的是,和有大约类似稳态概率在任何场景。这证实了mpc的出现和消失是等价的。上述结果在农村场景类似的开放高架桥场景报道(26]。结果可以申请开/关抽头延迟线模型,利用马尔可夫链模型的开/关过程mpc (31日]。

5。结论

分析了典型的高铁场景的非平稳特征,农村,车站,和郊区,这取决于被动其基于lte网络的信道测量。对于非平稳的特点,发现如果是最长的在农村的场景。此外,四个州建立了MCM的罪犯mpc的过程,和相应的状态转移概率矩阵和稳态概率。这些结果显示现实通道高铁通信网络的特点,将提供有用的信息的非平稳信道建模的高铁通信系统。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了中央大学基础研究基金(批准2018 jbz102),中国国家自然科学基金(批准61701017),北京市自然科学基金(批准4174102),和开放研究基金通过国家移动通信研究实验室,东南大学(批准2018这里)。

引用

1. r .他b . Ai,王g . et al .,“gsm - r LTE-R,高速铁路通信:从“IEEE车辆技术杂志,11卷,不。3,49-58,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. t . b . Ai, x Cheng Kurner et al .,“对高速铁路无线通信,挑战”IEEE智能交通系统,15卷,不。5,2143 - 2158年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. 白皮书5 g高迁移率(在线),可用,http://www.future-forum.org。
4. h·魏z中,k .关,b . Ai”路径损耗模型在高速铁路高架桥和普通场景,”第五届国际ICST学报》在中国通信与网络会议2010年8月,北京,中国。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. r .他z中,b . Ai和j .叮”实证路径损耗模型和衰减分析高速铁路高架桥场景,”IEEE天线和无线传播的信,10卷,第812 - 808页,2011年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. k .关z中,b . Ai和t . Kurner“额外的传输损耗的实证模型对高速铁路火车站,”IEEE天线和传播,卷62,不。3、1395 - 1408年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. r .他z中,b . Ai和c . Oestges阴影衰落相关性在高速铁路环境下,“IEEE车辆技术,卷64,不。7,2762 - 2772年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. c . l . Liu, d . w . Matolak t·周和h·陈,“调查典型传播场景的阴影影响高速铁路在2350 MHz,”国际期刊的天线和传播卷,2016年,页1 - 8,2016。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. o . Renaudin V.-M。p . Vainikainen Kolmonen, c . Oestges“非平稳窄带MIMO在5 ghz乐队跨车辆通道特性,”IEEE车辆技术卷,59号4、2007 - 2015年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. d . w . Matolak”vehicle-to-vehicle传播信道建模:审查”,无线电科学卷,49号9日,第736 - 721页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. c . l . Liu, j .秋et al .,”定位为无线信道建模在2.35 GHz高速铁路高架桥下,“IEEE在选定地区通讯》杂志上,30卷,不。4、834 - 845年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. 周t . c .道,l·刘,z . Tan“半经验的MIMO信道模型在高速铁路高架桥阻塞的场景,“国际期刊的天线和传播文章ID 287159卷,2014年,10页,2014。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. 周t, t, s . Salous z . Tan l . Liu和l .田,“基于随机模型对于高速铁路切割场景,”专业微波、天线与传播,9卷,不。15日,第1697 - 1691页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. r .阳光、c t l·刘,z . Tan“信道测量和表征为高铁u型槽场景在2.35 GHz,”学报2013年IEEE 78车辆技术会议(职业训练局下降)NV,页1 - 5,拉斯维加斯,美国,2013年9月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. 周t, t, s . Salous和l .刘”空间表征基于移动虚拟阵列的高速铁路通道测量方案,“IEEE天线和无线传播的信》16卷,第1426 - 1423页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. r .他z中,b . Ai, g . Wang j .丁和a . f .莫氏利施,“测量和分析高速铁路高架桥的传播渠道,”IEEE无线通信,12卷,不。2、794 - 805年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. r .他z中,b . Ai, j .叮,y, a . f .莫氏利施,“短期衰落行为高速铁路切割场景:测量,分析和统计模型,”IEEE天线和传播,卷61,不。4、2209 - 2222年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. p . Kyosti et al .,赢家二通道模型第二部分无线信道测量和分析结果圣- 4 - 027756卷,2007年,赢家II D1.1.2 v1.0。
19. r . Parviainen p .肯塔基州,y谢长廷,p . Ting,和j .邱”高速列车通道测量,结果,”Proc,花费2100道明2008年,法国,里尔。视图:谷歌学术搜索
20. f .烹调的菜肴,y, l·肖c .周和周,“无线信道衰落特性在山区高速铁路场景中,“国际期刊的天线和传播ID 378407条,卷。2013年,9页,2013。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. y, z, w·张,l·肖和s .周”计量延迟和多普勒特征对于高速铁路的场景,“国际期刊的天线和传播ID 875345条,卷。2014年,8页,2014。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. p . Aikio r·格鲁伯和p . Vainikainen“宽带无线信道测量火车隧道,”该局98年学报》上。48 IEEE车辆技术会议。通往全球无线革命,页460 - 464,位于安大略省渥太华。、加拿大。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. k .关z中,b . Ai和t . Kurner”传播测量和建模的穿越桥梁在高速铁路930 MHz,”IEEE车辆技术,卷63,不。8,3349 - 3516年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. 周t, t, s . Salous l . Liu和z . Tan“通道特性在1.89 GHz高速铁路车站环境,”无线电科学,50卷,不。11日,第1186 - 1176页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. b . Chen z中,b . Ai,“平稳性的时变信道间隔在高速铁路场景中,“中国通信,9卷,不。8,64 - 70年,2012页。视图:谷歌学术搜索
26. c . l . Liu道j .秋t·周r .太阳,和h·陈,“多路径组件的动态演化在高速铁路高架桥场景:从生灭过程的角度来看,“学报2012年IEEE 23个人国际研讨会,室内移动无线电通信——(PIMRC 2012)澳大利亚悉尼,页1774 - 1778,,2012年9月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. 周t, t, s . Salous l . Liu和z . Tan“通道探测高速铁路通信系统”,IEEE通讯杂志,53卷,不。10日,70 - 77年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. 周t, t, s . Salous l . Liu和z . Tan”实现其基于lte网络的信道测量方法对于高速铁路场景,”IEEE仪表和测量,卷65,不。1、技能,2016页。视图:谷歌学术搜索
29. r .他o . Renaudin V.-M。Kolmonen et al .,”表征vehicle-to-vehicle quasi-stationarity地区的广播频道,“IEEE天线和传播,卷63,不。5,2237 - 2251年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
30. c c。庄,C.-M。棕褐色,d . i Laurenson麦克劳克林,m·A .海滩和A . r .拒绝“一种新型宽带动态定向室内信道模型基于马尔可夫过程,”IEEE无线通信,4卷,不。4、1539 - 1552年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
31. 即森和d . Matolak车辆通道模型5 ghz乐队”,IEEE t .智能。透明,9卷,不。2,页235 - 245,2008年6月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2018道周et al。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。