高速鐵路場景MIMO信道建模研究.pdf

1、經(jīng)過10多年的發(fā)展，中國已經(jīng)建成了世界上最長里程的高速鐵路網(wǎng)，同時具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中國高鐵技術(shù)正在日益成熟，高鐵已經(jīng)成為中國軌道交通崛起的名片和代名詞。保障安全是高速鐵路運行中的重中之重，而這要以列車的狀態(tài)信息和控制信息及時地傳輸和交互為基礎(chǔ)，因此負責高鐵信息傳輸?shù)臒o線通信系統(tǒng)的性能就顯得尤為重要。與此同時，隨著高鐵線路覆蓋的日益完善，人們選擇高鐵出行的常態(tài)化，面向旅客的信息化服務也將提上日程。這些新業(yè)務對高鐵無線通信系統(tǒng)提出了更高的

2、要求，其不但能夠保證列控信息準確、可靠地傳輸，更需要向旅客提供高速的數(shù)據(jù)通信服務。因此在新的趨勢下，需要使用新的無線通信技術(shù)。
　　MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)是4G LTE(Long Term Evolution)通信系統(tǒng)的主要物理層技術(shù)，可以為系統(tǒng)提供分集與復用增益。因此將MIMO技術(shù)應用到高鐵通信中，可以降低傳輸?shù)恼`碼率，同時提高信道容量。MIMO系統(tǒng)的性能會受到電波傳播環(huán)境和信道

3、的影響，而高鐵這一特殊場景所呈現(xiàn)出的不同電波傳播特性，使得之前的MIMO信道模型無法直接應用在高速鐵路上。同時目前針對高速鐵路信道的研究，尤其是影響MIMO性能的信道空間和角度特性的研究還很少。本文在現(xiàn)有高速鐵路窄帶單天線測試數(shù)據(jù)和其特殊場景分析的基礎(chǔ)上，首先分析高鐵信道的時變非平穩(wěn)特性，之后利用半確定MIMO信道建模方法對高速鐵路場景進行信道建模，并分析信道的空間相關(guān)性，同時考慮天線陣列的結(jié)構(gòu)對MIMO信道容量的影響，為高鐵MIMO無

4、線通信系統(tǒng)的設計和仿真提供依據(jù)。本文的主要工作如下:
　　1)針對列車的高速移動性，利用鄭西高鐵客運專線的窄帶信道測試數(shù)據(jù)，采用信號幅度相關(guān)性定義的信道平穩(wěn)區(qū)間，研究不同列車速度、不同場景下的信道平穩(wěn)區(qū)間長度統(tǒng)計特性，并將這一結(jié)果與五種標準MIMO信道模型的平穩(wěn)區(qū)間統(tǒng)計特性作對比，這一對比結(jié)果可以指導高速鐵路場景下無線通信系統(tǒng)的仿真與設計。
　　2)基于高速鐵路場景的調(diào)研和信道測試，選取了其中的高架橋與路塹場景進行分析，對于

5、這兩種高鐵特色場景使用MIMO半確定性信道建模方法，提出了針對高架橋場景的規(guī)則球形MIMO信道模型，同時根據(jù)高鐵路塹場景的結(jié)構(gòu)特點，提出基于路塹結(jié)構(gòu)的散射體MIMO信道模型。模型中的大尺度參數(shù)基于鄭西高鐵的測試數(shù)據(jù)，小尺度信道參數(shù)基于散射體簇的分析，最后利用模型得到這兩種場景下的空間相關(guān)特性。
　　3)針對高速鐵路場景的小區(qū)覆蓋特點，使用包含多種天線參數(shù)的模型，研究多種天線結(jié)構(gòu)對MIMO信道容量的影響。并針對其中的線性陣列，給出其

6、中使信道容量最優(yōu)的方向角度。
　　4)針對目前高速鐵路多天線信道測試所面臨的困難和限制條件，研究多種MIMO信道測試方案在鐵路上的適用性，并根據(jù)高速鐵路場景的特點，綜合了單天線虛擬測試和切換開關(guān)MIMO測試的原理，提出了適用于高速鐵路場景的移動虛擬MIMO測試方案，并給出了單根虛擬天線可以等效天線陣個數(shù)的條件，通過搭建1×3 SIMO(Single-Input Multiple-Output)信道測試平臺以及實際的測試驗證了這一方