高速铁路高架桥场景下无线通信信道建模与研究

摘要

高速铁路运输以其运行速度快、载货能力强、受外界环境影响小、对环境污染小、能耗低、安全系数高等诸多优点成为铁路发展的必然趋势。可靠稳定的无线通信系统是保证高速列车安全可靠运行的关键，无线信道的模型是通信系统设计的关键，通过建立无线信道模型并进行仿真分析可以了解无线通信系统的性能并对已有通信系统进行优化改进提供参考依据。论文研究了高架桥场景下无线信号在不同影响因素下的信道模型。主要内容包括:
　　首先，介绍了无线信号传播过程中可能产生的衰落类型，从大尺度衰落和小尺度衰落两方面分析了无线信道的传播特性和几个经典信道模型，研究了不同模型的适用场景及适用条件，并结合MIMO系统信道特点讨论了基于几何的随机信道模型的适用条件，为建立高架桥场景下的信道模型提供了理论依据。
　　其次，结合高速铁路高架桥的特点，分析了高架桥高度和基站发射天线高度对无线信号传播过程中路径损耗的影响，因此建立了基于高架桥高度H和基于基站天线高度h的路径损耗模型及路径分布情况的信道统计模型，并对建立的模型进行仿真，将仿真结果与理论结果对比，修正相关影响因子，使建立的信道模型适用性最佳。
　　然后，根据经过基站前后列车的接收天线和基站发射天线之间距离对称分布的特点，将高架桥区域分为5个部分，建立了高架桥场景下不同位置的区域模型。通过分析不同位置下无线信号传播的路径分布情况，建立基于距离的多径抽头延迟模型，并对不同区域的路径损耗及莱斯K因子分布特性进行仿真分析，确定不同区域的路径分布情况。经过仿真分析，不同区域接收信号包络的概率密度函数和累积分布函数的仿真结果与莱斯K因子理论结果仿真对比基本一致，确定所建立信道模型符合无线信号的实际传播场景。
　　最后，分析了基于几何的随机信道模型的建模过程及相关模型的参数生成方法。结合高架桥场景特点建立高架桥场景下基于几何的单环散射模型，并分析了无线信号空间相关性影响因素。从基站天线的数目，移动台天线的数目，天线的倾斜角等方面进行仿真验证。仿真结果与相关参考文献的实测结果基本一致，证明了建立模型的正确性及不同影响因子对系统性能的影响。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 课题研究相关的国内外现状

1．3 课题研究的目的及意义

1．4 论文结构安排

2 无线信道传播特性

2．1 无线信号的传输方式

2．2 大尺度衰落特性

2．2．1 自由空间传播模型

2．2．2 对数距离路径损耗模型

2．2．3 Okumura模型

2．2．4 Hata模型

2．2．5 Hata模型的扩展模型

2．2．6 Walfisch-Bertoni模型

2．3 小尺度衰落特性

2．3．1 多径时延扩展引起的衰落效应

2．3．2 多普勒扩展引起的衰落效应

2．3．3 基于几何的随机信道模型

2．3．4 莱斯分布

2．3．5 瑞利分布

2．4 本章小结

3 高速铁路高架桥场景下的无线信道建模与分析

3．1 无线信道建模方法

3．2 高架桥场景下大尺度衰落模型

3．2．1 基于高架桥高度H和基站发射天线高度h的路径损耗模型

3．2．2 基于对数正态阴影衰落的路径损耗模型

3．2．3 大尺度衰落路径损耗模型的仿真分析

3．3 高架桥场景下的小尺度衰落模型分析

3．3．1 高架桥的区域模型

3．3．2 基于距离的多径抽头延迟模型

3．3．3 小尺度衰落路径损耗模型的仿真分析

3．3．4 莱斯K因子的统计特性分析

3．4 本章小结

4 基于几何的随机信道模型的建模与分析

4．1 基于几何的随机信道模型的建模方法

4．2 链路级信道模型参数分析与建模

4．2．1 基站空间参数

4．2．2 移动台空间参数

4．3 高架桥场景下基于几何的随机信道模型

4．4 高架桥场景下基于几何的随机信道模型仿真分析

4．4．1 大线的数目对信道容量的影响

4．4．2 信道的空间(空间-时间)相关性与天线的倾斜角度之间的关系

4．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果