高鐵場(chǎng)景下寬帶無(wú)線信道模型的探討

喬洪蓮　張博言

【摘要】 隨著高鐵的迅速發(fā)展，高鐵寬帶無(wú)線通信問(wèn)題也成為學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。高鐵場(chǎng)景下信道特性的測(cè)量與建模是高鐵無(wú)線通信系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)工作之一。本文介紹了高鐵無(wú)線通信發(fā)展現(xiàn)狀、高鐵環(huán)境下信道模型的發(fā)展現(xiàn)狀及高鐵無(wú)線信道測(cè)量和建模所面臨的挑戰(zhàn)。

【關(guān)鍵字】 高鐵 無(wú)線信道 信道模型

一、引言

根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）預(yù)計(jì)，未來(lái)高鐵需要為乘客提供流暢的視頻通話、移動(dòng)電視、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等高帶寬的多媒體業(yè)務(wù)，而且由于高速鐵路的乘客具有乘坐時(shí)間長(zhǎng)，列車(chē)車(chē)廂需能滿足乘客的寬帶無(wú)線接入需求?，F(xiàn)有的高速鐵路環(huán)境下的通信系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能為高速鐵路上旅客提供寬帶服務(wù)。隨著越來(lái)越多的乘客頻繁使用數(shù)據(jù)服務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)，在高鐵上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、實(shí)時(shí)的高速率無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸顯得尤為迫切。

信道是通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確認(rèn)知無(wú)線信道是設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)的前提條件。它為通信系統(tǒng)原型機(jī)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)、鏈路級(jí)仿真提供真實(shí)參考，因此高鐵無(wú)線信道隨之成為研究的首要問(wèn)題。[1]高鐵場(chǎng)景下信道特性的測(cè)量與建模是高鐵無(wú)線通信系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)工作之一。[2]

二、高鐵無(wú)線通信系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1高鐵無(wú)線通信研究現(xiàn)狀

隨著高鐵在我國(guó)和世界各地逐漸投入使用，為了實(shí)現(xiàn)基于2G、3G甚至4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的高鐵語(yǔ)音和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、穩(wěn)定傳輸，各種以先進(jìn)的通信技術(shù)為基礎(chǔ)的高鐵無(wú)線通信解決方案陸續(xù)出現(xiàn)。這些方案中有中國(guó)移動(dòng)提出的高鐵專(zhuān)網(wǎng)方案，其中包括了采用射頻拉遠(yuǎn)的覆蓋增強(qiáng)方案以及特殊的無(wú)線接入方式，還有在歐洲高鐵中使用的分布式天線系統(tǒng)。除此之外， 先進(jìn)的通信技術(shù)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(xié)同多點(diǎn)接入CoMP（Cooperative Multi-Point）技術(shù)等， 也正針對(duì)高鐵的無(wú)線環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、性能測(cè)試和驗(yàn)證。

2.2高鐵信道研究現(xiàn)狀

高鐵信道的特征研究在現(xiàn)階段仍主要是以滿足系統(tǒng)覆蓋為目的的點(diǎn)到點(diǎn)信道的大尺度參數(shù)測(cè)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(guān)模型。

鐵路信道的研究確有很多年的歷史。但是，傳統(tǒng)的鐵路信道研究集中在鐵路的特殊環(huán)境如隧道中，信道的大尺度參數(shù)，即路損、時(shí)延、和陰影衰落等 “復(fù)合”特征的測(cè)量和建模上。這些研究成果多側(cè)重于低于2GHz 的無(wú)線通信商用頻段，曾對(duì)窄帶無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、構(gòu)建和性能預(yù)測(cè)、優(yōu)化起到了重要的作用。隨著寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)逐漸從移動(dòng)蜂窩通信擴(kuò)展到車(chē)輛及礦井等領(lǐng)域，無(wú)線信道在這些特殊環(huán)境中的寬帶特征逐漸地有所開(kāi)展，如公路隧道中的信道研究，地下礦井，以及車(chē)輛高速運(yùn)動(dòng)下的信道建模等。但是這些成果在鐵路信道的應(yīng)用中存在兩個(gè)問(wèn)題，一是測(cè)試環(huán)境和分析假設(shè)過(guò)于局限于公路隧道、礦井隧道和寬闊的多車(chē)道高速路面環(huán)境，其結(jié)果不能夠有效地?cái)U(kuò)展到鐵路的隧道場(chǎng)景中，二是這些研究旨在分析某個(gè)具體場(chǎng)景的信道的擴(kuò)散方式，由于沒(méi)有將傳播和環(huán)境相關(guān)聯(lián)，其模型構(gòu)建結(jié)果很難被推廣成統(tǒng)計(jì)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(nèi)信道的寬帶特征，如空間和時(shí)間上的選擇特性的文獻(xiàn)很少。利用窄帶測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)地測(cè)量，總結(jié)出了隧道信道內(nèi)的信道相關(guān)性，隨著發(fā)射和接收之間的距離而變化的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。但是由于測(cè)試設(shè)備的局限性，無(wú)法得出基于傳播的參數(shù)化信道模型。

另外，采用寬帶MIMO 信道測(cè)試設(shè)備對(duì)于鐵路（包括高鐵）信道的場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試，并分析其小尺度參數(shù)分布的研究，至今仍是空白。這和蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的信道模型的系統(tǒng)性和成熟程度，形成了鮮明的對(duì)比。不難預(yù)料，隨著基于擴(kuò)頻技術(shù)的第三代以及基于正交頻分技術(shù)（OFDM）的第四代寬帶無(wú)線通信在高鐵中的普及，現(xiàn)階段相對(duì)匱乏的高鐵信道研究成果，將嚴(yán)重阻礙高鐵無(wú)線通信的發(fā)展?？紤]到我國(guó)高鐵事業(yè)迅速成長(zhǎng)的現(xiàn)狀，以及高鐵信道模型構(gòu)建中存在的理論空白和采集實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的難度，我們有必要盡早地應(yīng)對(duì)高鐵無(wú)線通信在多種特殊場(chǎng)景（如隧道、峽谷、高架和高速運(yùn)行相結(jié)合）和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)組態(tài)（如多天線、分布式天線、中繼和CoMP）下的信道需求，對(duì)信道特征作出系統(tǒng)的研究，得出科學(xué)、有效、實(shí)用的高鐵無(wú)線信道模型。

三、高鐵無(wú)線信道模型建立所面臨的挑戰(zhàn)

3.1高鐵信道情況復(fù)雜

高鐵移動(dòng)信道與傳動(dòng)移動(dòng)信道相比，具有時(shí)變性強(qiáng)和傳播環(huán)境多變性特點(diǎn)。高鐵的高速運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)信道的小尺度時(shí)變性和相對(duì)長(zhǎng)期的大尺度時(shí)變性，引起信道統(tǒng)計(jì)特征的快速時(shí)變，影響到分集和復(fù)用技術(shù)、切換、環(huán)境適應(yīng)和數(shù)據(jù)融合等算法設(shè)計(jì)和優(yōu)化；高鐵在城市、郊區(qū)、隧道、山區(qū)、高架橋等復(fù)雜環(huán)境之間快速切換，已有對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)信道模型很難對(duì)此給予準(zhǔn)確描述。

3.2實(shí)地測(cè)量難度大

高鐵信道測(cè)量是需要耗費(fèi)大量人力和物力的工作，并且由于高鐵經(jīng)過(guò)的環(huán)境類(lèi)別多，相同類(lèi)別的場(chǎng)景存在較大差異等特點(diǎn)，在某一個(gè)場(chǎng)景中測(cè)量出來(lái)的結(jié)果不見(jiàn)得和該類(lèi)別其他場(chǎng)景相符。

現(xiàn)在業(yè)內(nèi)比較認(rèn)可的蜂窩系統(tǒng)信道探測(cè)儀有芬蘭Elektrobit公司的PropSound及德國(guó)MEDAV GmbH公司的RUSK。但是這種方法應(yīng)用到高鐵環(huán)境下時(shí)會(huì)遇到鐵道部對(duì)沿線無(wú)線信號(hào)管制、高速移動(dòng)條件下小區(qū)切換快、信道參量變化快等影響。

四、結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)今隨著高鐵的迅速發(fā)展，能夠在高鐵中保持高速穩(wěn)定的無(wú)線數(shù)據(jù)通信已經(jīng)成為需要解決的迫切問(wèn)題。為建立高效穩(wěn)定的高鐵無(wú)線通信系統(tǒng)，高鐵場(chǎng)景下信道特性的測(cè)量與建模是現(xiàn)在需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]劉留，陶成，余立，董偉輝 高速鐵路無(wú)線信道測(cè)量與信道模型探討 電信科學(xué) 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(wú)線信道測(cè)量方法研究 鐵道學(xué)報(bào) 第33卷第5期2011年5月