基于时频随机散射理论的高铁宽带无线信道建模研究

Due to low measurement efficiency, lack of measured database and difficult in guarantee of measurement conditions, there is now no universally accepted broadband wireless channel model for high-speed railway. There is a gap regarding high mobility environments with the research and the development of the next generation broadband wireless communication systems. In this research project, two channel characterization techniques derived from the time and frequency domain, geometry-based stochastic channel model and propagation graphs, will be employed to explore the propagation properties in two typical scenarios in high-speed railways, the plane and the U cutting groove environment. Particularly, fading features will be investigated and the correlation function closed-forms of time, frequency and space domain will be deduced. On the other hand, based on the experimental data in the previous SISO measurement campaign and upcoming MIMO measurement campaign, the established theoretical wireless channel models will be calibrated and verified according to the combinatorial optimization method. This project breaks through the conventional channel characterization method based on the measurement, combines the theory and the realistic measurement data. The established mathematical models will significantly promote the evaluation and verification of wireless communications in high-speed railway scenarios.

由于高速铁路无线信道存在着测量效率低、测量数据少、测试条件难以保障等难点，至今世界范围内尚没有公认的可信、可用的高铁宽带无线信道模型。信道模型的缺位已经成为阻碍面向高铁的新一代宽带移动通信系统研究的瓶颈。本课题采用时频域信道建模方法- - 几何随机散射理论和传播图理论，针对高铁平原和U型槽两种典型场景，研究无线信道延时域、频率域、角度域的衰落特征，推导时频空相关函数闭式解，探讨电波在高铁典型场景中的传播规律。同时，利用本团队已有的高铁典型场景下的单天线信道测量数据及本课题准备实施的多天线测量数据，采用组合优化方案，对理论信道模型进行校准和验证。本课题的开展，突破传统的基于测量的信道建模技术，将理论建模方法和实际测量数据相结合，构建更为准确的高铁无线信道数学模型，将更好的为高铁场景下通信系统链路级仿真和样机试验提供理论基础和试验保证。

随着高速铁路的快速发展，未来的高速铁路无线通信系统要求同时支持列车控制、面向运行安全的在途检测数据传输以及旅客信息服务。无线信道是无线通信系统设计的基础，准确认知无线信道的传播特性是设计无线通信系统的前提条件。无线信道的传播特性一般通过信道测量手段直接获取，并利用信道模型加以描述，进而为无线通信系统的关键技术评估、系统和链路级仿真、原型机搭建以及网络部署提供理论基础。本课题主要工作如下：.1）基于标准信道探测仪获取的测量数据，研究了高速铁路高架桥和U型槽场景信道大尺度和小尺度衰落特性。统计了路径损耗和阴影衰落参数，建立了高速铁路典型场景的大尺度传播模型。从窄带、宽带、时延角度分析了莱斯K因子参数，抽象了窄带和宽带K因子统计模型。根据提取的多径时延和多普勒相关参数，探讨了高架桥和U型槽场景的时间色散和频率色散特征。.2）基于几何随机散射理论提出了高架桥场景的参考模型，推导了相关函数和多普勒功率谱的理论表达式，构建了半经验的MIMO信道模型，评估了高架桥场景的MIMO性能。基于随机传播图理论提出了U型槽场景的传播图模型，生成了虚拟的信道冲激响应数据，并完成实测数据与仿真数据的对比验证后将传播图模型扩展至MIMO情况，评估了U型槽场景的MIMO性能。.3）提出了基于LTE的高速铁路信道测量方法，详细介绍了利用LTE信号中的CRS实现频域信道探测的原理，分析了信道冲激响应的测量性能，提出了一种算法来补偿定时偏差对测量性能的影响。.4）通过硬件模块搭建了LTE信道探测仪的硬件平台，并设计了相应配套软件实现测量数据的读取、存储、处理显示和位置标记四大功能。基于新型的信道测量系统，开展了高速铁路平原高架桥场景下的信道测量活动，分析了带状覆盖、小区合并、移动中继、MIMO和CoMP的测量结果。