CN102223192B - 一种高速铁路复合小尺度无线信道模型构建的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高速铁路复合小尺度无线信道模型构建的方法及装置，涉及无线通信领域。所述的方法包括：一、按高速铁路经历的各种场景构建典型场景子信道；二、根据待测试高速铁路选择相应复合小尺度子信道类型和典型场景子信道；三、将所选择的所有典型场景子信道按需求进行排列，确认每个典型场景子信道的持续时间；四、将所述的以确定排列方式和相应持续时间的典型场景子信道类型进行组合，得到高铁复合小尺度无线信道模型。所述的装置包括子信道构建器、类型选择器、排序和时间确认器、组合器。通过本发明的方法及装置，能得到所需要的完整全面的高速铁路无线信道模型，准确全面的刻画高铁无线信道，提高测试和仿真时的准确性。

Description

一种高速铁路复合小尺度无线信道模型构建的方法和装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种构建高速铁路复合小尺度无线信道模型构建的方法和装置。

背景技术

近年来，中国高速铁路(以下简称“高铁”)成套技术的进步举世瞩目，高铁已经成为国家级的标志性成就。目前我国是世界上高速铁路发展最快、***技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运行速度最高、在建规模最大的国家。随着高速铁路的发展，高速铁路车地之间的通信逐渐成为学术界产业界研究的一个热点问题。以乘客为主体的宽带数据业务和面向运行安全的在途检测数据传输也逐渐成为高铁宽带无线接入的主要业务，高铁宽带接入要求支持现有2G、3G移动通信***，对未来通信体制能够平滑升级，并且要求能够支持铁路运输的非安全数据业务。因此，当前高铁场景下的宽带无线接入技术是高速铁路成套技术的首要问题之一。

信道是通信***设计的基础，准确认知无线信道是设计通信***的前提条件，它为通信***原型机设计和***、链路级仿真提供真实参考，因此高铁无线信道随之成为研究的首要问题。在无线传输技术研究、设计以及标准化阶段，需要对各种候选方案进行性能评估。而在评估过程的初期，一般采用计算机仿真的方法，因为其具有开发周期短，调整灵活，成本低等优势。同时在无线技术的标准化方面，为了对不同候选技术有一个统一的评估平台，一般会采用统一的标准化评估信道模型。评估阶段所使用的信道模型的准确性与否直接决定了仿真结果的可靠性、准确性。因此在高铁宽带无线计入***评估过程中，首先要解决的是信道模型的标准化工作。在实际无线通信***的部署中，需要根据实地无线传播环境进行网络规划，容量优化，盲区覆盖等工作。准确的信道模型(特别是路径损耗和阴影衰落模型)可以使网络部署、优化工作更加准确和有效，从而提升无线网络的性能和可靠性。

当高速列车穿越基站时，出现Doppler快速变化点，即从一个极端频偏向另一个极端频偏迅速变化。若在隧道场景下，轨道到基站的距离更近，其Doppler切换变化将更加剧烈，此时***传输经历Doppler频偏的急剧变化。

然而，现有信道仿真器(Channel Emulator)或信道仿真模型，模型均为单一场景模型，如平原、山区、城区等，而单一形态场景信道模型难以准确刻画高铁无线信道模型，实用性差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高速铁路复合小尺度无线信道模型构建的方法和装置，得准确的高速铁路复合小尺度无线信道模型。

为了解决上述问题，本发明公开了一种高速铁路复合小尺度无线信道模型构建的方法，包括：

步骤101、按高速铁路经历的各种场景构建典型场景子信道；

步骤102、根据待测试高速铁路选择相应复合小尺度子信道类型和典型场景子信道；

步骤103、将所选择的所有典型场景子信道按需求进行排列，确认每个典型场景子信道的持续时间；

步骤104、将所述的以确定排列方式和相应持续时间的典型场景子信道类型进行组合，得到高铁复合小尺度无线信道模型。

优选的，所述的构建典型场景子信道的方法包括采用高速铁路实际场景测量模型参数构建或者采用经典模型构建。

优选的，所述的经典模型包括COST207经典模型，COST259经典模型或者SUI经典模型。

优选的，所述的子信道类型包括简单高速铁路类型，复杂高速铁路类型和自选类型。

优选的，所述的排列方式包括经典排列模式、随机排列模式和自选排列模式。

优选的，所述的子信道包括抽头延迟线模型或簇延迟线模型。

优选的，所述的抽头延迟线模型或簇延迟线模型包括信道时间延迟域，信道空间域和信道Doppler域。

本发明还公开了一种高速铁路复合小尺度无线信道模型构建的装置，包括：

子信道构建器，用于按高速铁路经历的各种场景建立典型场景子信道；

类型选择器，用于根据待测试高速铁路线路类型选择相应典型场景子信道；

排序和时间确认器，用于将所选择的所有典型场景子信道按需求进行排列，确认每个典型场景子信道的持续时间；

组合器，用于将所述的以确定排列方式和相应持续时间的典型场景子信道类型进行组合，得到高铁无线信道模型。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过将遍历性或者选择性对高速铁路典型场景子信道进行复合，得到所需要的完整全面的高速铁路无线信道模型，准确全面的刻画高铁无线信道，提高测试和仿真时的准确性。

附图说明

图1是本发明一种高速铁路复合小尺度无线信道模型构建的方法的流程图；

图2是本发明优选的一种高速铁路复合小尺度无线信道模型构建的方法方法流程图；

图3是本发明一种高速铁路复合小尺度无线信道模型构建的装置图；

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1，示出了本发明一种高速铁路复合小尺度无线信道模型构建的方法的流程图。

步骤101、按高速铁路经历的各种场景构建典型场景子信道。

实际中高速铁路可能经过平原、高架桥、山区、隧道、U型槽、丘陵、车站、城区、水域等场景，那么按这些场景将高速铁路无线信道分为平原、高架桥、山区、隧道、U型槽、丘陵、车站、城区、水域等典型场景子信道。

其中，典型场景子信道的构建方法，可采用高铁实际场景测量模型参数构建或者采用经典模型构建，即当有高铁实际场景测量模型参数时，通过此实际场景测量模型参数构建典型场景子信道；当高铁实际场景测量模型参数时，可用COST207、COST259、SUI等经典模型构建。其中，典型场景子信道模型的信息包括信道时间延迟域、Doppler域、空间域的信息。

其中典型场景子信道包括抽头延迟线(Tapped Delay Line-TDL)或簇延迟线模型(Clustered Delay Line-CDL)，该模型中包括信道时间延迟域、Doppler(多普勒)域、空间域的信息。

例如下面是采用COST 207建立的乡村简化信道抽头延迟线模型：

其中时间延迟域的信息包括路径相对延时等，空间域的信包括路径增益等，Doppler域的信息包括多普勒功率谱等。

其中，路径K因子可用如下方法确定，但不局限于此。其中μs为微秒，为分贝。

Rice的概率密度函数为：

$P\left(r\right)=\frac{r}{{\mathrm{\σ}}^2}\·\exp (-\frac{r^2+s^2}{2{\mathrm{\σ}}^2})\·I_0(-\frac{r\·s}{{\mathrm{\σ}}^2})$

根据莱斯分布的任意阶矩的表达式：

${\mathrm{\μ}}_n=E\left[r^n\right]={\left(2{\mathrm{\σ}}^2\right)}^{\frac{n}{2}}\exp (-K)\mathrm{\Γ}(1+\frac{n}{2})F_1(1+\frac{n}{2};1;K)$

其中，Γ(·)是伽马函数，F₁(·)为合流超几何函数，该矩偶次矩有闭式表达为：

μ₂＝E[r²]＝s²+2σ²＝2σ²(K+1)，μ_４＝E[r⁴]＝8σ⁴+8σ²s²+s⁴

$\frac{{\mathrm{\μ}}_2^2}{{\mathrm{\μ}}_4^2}=\frac{{(1+K)}^2}{K^2+4K+2}$

方程左边可通过测量得到，右边含K表达式可以通过如下计算得到：

$K=\frac{-2{\mathrm{\μ}}_2^2+{\mathrm{\μ}}_4-{\mathrm{\μ}}_2\sqrt{{\mathrm{\μ}}_2^2-{\mathrm{\μ}}_4}}{{\mathrm{\μ}}_2^2-{\mathrm{\μ}}_4}$

延时域参数可以由如下方法确定：

首先，接收机接收高铁场景下的信号，在本地进行信道估计获取信道冲击响应信息；然后对信道冲击响应信息进行统计，统计方法可采用基于时间间隔的簇分离法或者基于功率衰落的功率分离法。

Doppler域可以由如下方法确定：

首先设定CIR(Impulse response of channel，信道冲激响应)的噪底和阈值，而后选择第一径信号的冲击响应h(t)，然后开窗统计若干样本冲击响应的相关函数，最后对相关函数进行傅里叶变化得到第一径的Doppler功率谱。

下述为采用COST 207建立的山区简化信道抽头延迟线模型：

下面是乡村WinnerII簇延迟线模型：

其中：AoA表示(Angle of Arrival，到达角度)，AoD表示(Angle of Departure，离开角度)，ASD表示(Azimuth Spread at Departure，出发传播方位)，ASA表示(Azimuth Spread at Arrival，到达传播方位)，XPR表示(Cross-Polarisationpower Ratio，交叉极化功率比)，Ray power表示射线功率，Cluster表示簇，delay表示延迟，power表示功率，ns表示纳秒。

其中，簇延迟线模型可以用如下方法构建：

对于cluster的理解如下：若干条射线组成一个cluster，称之为簇。cluster和ray其实即为径和子径的关系。cluster可理解为空间(时间和角度)上可区分的传播径。步骤包括：

步骤s1生成时延；

步骤s2生成cluster功率；

步骤s3生成波达角度和离开波角度；

步骤s4子径的随机配对；

步骤s5生成子径下的交叉极化功率比；

步骤s6对每个cluster中的每条子径生成随机初始相位；

步骤s7生成接收天线u，发射天线s之间第n条cluster上的信道系数；

步骤s8对功率最强的两个cluster，划分为3个子簇。

步骤102、根据待测试高速铁路选择相应复合小尺度子信道类型和子信道；

当步骤101将各典型场景子信道建立完成后，根据带测试高速铁路选择相应复合小尺度子信道类型和典型场景子信道，根据不同的测试和仿真需求(即不同的高铁线路，场景不同)，确定上述典型场景中子信道的。

其中复合小尺度子信道类型包括简单模型，复杂模型和自选模型，比如简单模型(如京津城际高铁)，可选择高架桥、平原典型场景子信道；复杂高铁线路(如郑西高铁)模型，可选择平原、高架桥、山区、隧道、U型槽、丘陵、车站、城区、水域完全的典型子信道模型，或根据需求的自选模型，比如当需要使用隧道、丘陵、水域、山区这几个典型场景子信道，而又简单模型和复杂模型又不包括，那么就可以自己选定相应的子信道组成自选模型。

步骤103、将所选择的所有典型场景子信道按需求进行排列，确认每个典型场景子信道的持续时间；

信道排列方式，可根据测试和仿真需求确定(即不同的高铁线路，场景不同)。其中排列方式包括含经典排列模式、随机排列模式、自选排列模式。经典模式为已经存在的大家公认的排列方式，例如城市-高架桥-山区-隧道-高架桥-城市，或城市-高架桥-城市；随机排列模式即当从步骤103中选择完复合类型和典型场景子信道后，随机对子信道进行排列；自选排列模式即选择完复合小尺度类型和子信道后，按需求手动排列典型场景子信道。

仿真时间可按具体测试要求确定，如仿真京津城际线路，测试时间可设置为30分钟，仿真整个测量过程中的***性能，每个典型场景子信道的持续时间也按具体测试要求确定。在测试或仿真过程中，发射信号分别连续经历变化场景，每个典型场景子信道的持续时间和等于总的仿真时间，每种子信道的持续时间，基本上和真实线路上的时间保持一致，一般在测试的时候，会统计每种场景大概的持续时间，在子信道排列时，就可做为依据。另外，确定每个子信道的持续时间，改参数(时间延迟域、Doppler域、空间域的信息)同样根据测试和仿真需求确定。

步骤104、将所述的以确定排列方式和相应持续时间的典型场景子信道类型进行组合，得到高铁复合小尺度无线信道模型。

在确定完子信道类型和所选择完的典型场景子信道的排列方式和持续时间后，将其进行组合，最后得到高铁复合小尺度无线信道模型。

参照图2，示出了本发明优选的一种高速铁路复合小尺度无线信道模型构建的方法方法流程图。

其中步骤101包括了通过采用高铁实际场景测量模型参数构建或者采用经典模型构建典型场景子信道。

步骤102包括了根据待测试高速铁路选择简单模型，复杂模型或者自选模型。

步骤103包括：

步骤一，先对步骤102选择完成后的模型及对应典型场景子信道选择经典排列模式、随机排列模式、自选排列模式之一进行排列。

步骤二，按需求确认个典型场景子信道的持续时间和总测试时间。

步骤104，将所述的以确定排列方式和相应持续时间的典型场景子信道类型进行组合，得到高铁复合小尺度无线信道模型。

实际中，本复合模型仅涉及小尺度衰落特征。

本发明还提供了一种高速铁路复合小尺度无线信道模型构建的装置，包括：

子信道构建器，用于按高速铁路经历的各种场景建立典型场景子信道；

类型选择器，用于根据待测试高速铁路线路类型选择相应典型场景子信道；

排序和时间确认器，用于将所选择的所有典型场景子信道按需求进行排列，确认每个典型场景子信道的持续时间；

组合器，用于将所述的以确定排列方式和相应持续时间的典型场景子信道类型进行组合，得到高铁无线信道模型。

通过上述阐述，按照本发明的高铁复合小尺度信道模型构建方法，可以构建出符合实际情况下的信道模型，整个信道模型具有良好的实用性，真实刻画了高铁多场景变化特征，在此基础上进行测试和仿真，改进和完善现有和新型调制技术、通信协议和编码方案，提高高铁宽带无线接入的质量。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于***实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上对本发明所提供的一种构建高速铁路复合小尺度无线信道模型构建的方法和装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种高速铁路复合小尺度无线信道模型构建的方法，其特征在于，包括：

步骤101、按高速铁路经历的各种场景构建典型场景子信道；

步骤102、根据待测试高速铁路选择相应复合小尺度子信道类型和典型场景子信道；其中复合小尺度子信道类型包括简单模型，复杂模型和自选模型；

步骤103、将所选择的所有典型场景子信道按需求进行排列，确认每个典型场景子信道的持续时间；

步骤103包括：

步骤一，先对步骤102选择完成后的模型及对应典型场景子信道选择经典排列模式、随机排列模式、自选排列模式之一进行排列；

步骤二，按需求确认个典型场景子信道的持续时间和总测试时间；其中每个典型场景子信道的持续时间和等于总的仿真时间；

步骤104、将以确定排列方式和相应持续时间的典型场景子信道类型进行组合，得到高铁复合小尺度无线信道模型。

2.如权利要求1所述高速铁路复合小尺度无线信道模型构建的方法，其特征在于：

所述的构建典型场景子信道的方法包括采用高速铁路实际场景测量模型参数构建或者采用经典模型构建。

3.如权利要求2所述高速铁路复合小尺度无线信道模型构建的方法，其特征在于：

所述的经典模型包括COST207经典模型，COST259经典模型或者SUI经典模型。

4.如权利要求1所述高速铁路复合小尺度无线信道模型构建的方法，其特征在于：

所述的子信道类型包括简单高速铁路类型，复杂高速铁路类型和自选类型。

5.如权利要求1所述高速铁路复合小尺度无线信道模型构建的方法，其特征在于：

所述的排列方式包括经典排列模式、随机排列模式和自选排列模式。

6.如权利要求1所述高速铁路复合小尺度无线信道模型构建的方法，其特征在于：

所述的子信道包括抽头延迟线模型或簇延迟线模型。

7.如权利要求6所述高速铁路复合小尺度无线信道模型构建的方法，其特征在于：

所述的抽头延迟线模型或簇延迟线模型包括信道时间延迟域，信道空间域和信道Doppler域。

8.一种高速铁路复合小尺度无线信道模型构建的装置，其特征在于，包括：

子信道构建器，用于按高速铁路经历的各种场景建立典型场景子信道；

类型选择器，用于根据待测试高速铁路线路类型选择相应典型场景子信道；

排序和时间确认器，用于将所选择的所有典型场景子信道按需求进行排列，确认每个典型场景子信道的持续时间；

组合器，用于将所述的以确定排列方式和相应持续时间的典型场景子信道类型进行组合，得到高铁无线信道模型。

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