CN103391558A - 一种高铁高架桥场景下基于测量数据的理论建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高铁高架桥场景下基于测量数据的理论建模方法，该方法基于实际信道测量数据的分析，针对列车行进过程中规律建筑对地面与列车之间通信产生的影响进行理论建模，主要包括：根据实际环境以及列车运行特点，建立理论模型;根据建立的理论模型，计算各传播径的传播时间;根据实际测量数据提取各传播路径的功率衰落;利用仿真实现理论传播模型。本发明对高速铁路场景下的宽带无线信道进行建模，精确描述信道的规律多径特性，对改进和优化高铁场景下的无线系统特性具有重要意义。

Description

一种高铁高架桥场景下基于测量数据的理论建模方法

技术领域：

本发明涉及无线移动通信技术领域，特别是涉及一种高铁高架桥场景下基于测量数据的理论建模方法。

背景技术：

中国高速铁路的发展举世瞩目，推动了其他相关产业的崛起和发展，例如通信、机械制造以及电力等，进而产生巨大经济效益。随着中国迈入3G并即将跨入4G时代，宽带移动通信已经成为高铁服务中不可缺少的一部分，顾客希望在高速列车上通过宽带接入来体验音频、视频、高速上传及下载等服务。高速条件下的宽带无线接入有大多普勒频偏与快速多普勒变化、频繁切换与群切换、环境复杂多变，信道变化迅速等特点，并且高速列车运动的规律性和运动信息是可知的。在此环境下进行信道测量与建模具有重要意义。无线信道测量与建模是通信系统设计与优化的基础，其中信号传播的时间色散特性直接关系到信号频域的导频结构。

在如附图1所示的高铁高架桥场景的信道测量中，测量发射端设在地面，发射功率为30.8dB，而接收机置于列车内部。发射天线采用双偶极子天线，与高架桥垂直距离为92m，距地面的高度为12.8m。接收机与专用车顶HUBER+SUHNER天线相连。测试列车速度为200km/h，即55.6m/s。高架桥距地面8m，车厢高度约为3m，高架桥中轨道两侧以约50m的间隔均匀分布着高铁接触网电杆。另外，GPS与接收机相连，用于同步和定位。测试系统的中心频率为2.35GHz，系统带宽为50MHz，信道采样率为1968，码长为127。测量得到约42040个有效样本，测试的有效距离为1.2km。受测试环境在移动过程中不断变化的影响，每个信道冲击响应（Channel impulse response—CIR）中所包含的多径数目，多径延迟以及径功率也不尽相同。

列车穿越发射“基站”过程中，直射径作为主径，随着列车靠近发射机，其传播时延逐渐减小，而功率则明显增大，在O_vertical处，功率达到最大值。此后，随着列车远离发射机，主径传播时延增大，而接收功率又逐渐减弱。在此过程中，可以看到有一条较明显的反射径周期性地靠近和远离主径，变化周期约为0.89s，对应距离为50m。这些周期性靠近和远离主径的移动抽头在整个信道多径变化过程中形成了规律的小“毛刺”。这些小“毛刺”是由高架桥两侧均匀分布的接触网电杆形成的反射区域造成的。在WINNERⅡ模型中，同样提到在规律位置的规律建筑会对信号传播造成影响，但在实际建模中并没有考虑这个因素。在3GPP Release10中也定义高铁场景下，移动抽头与第一径的相对延迟为

$\mathrm{\Δ\τ}=\frac{A}{2}\·\sin \mathrm{\Δ\ω}\·t---\left(1\right)$

其中A=10μs，Δω=0.04s^-1。时变移动抽头如附图2所示。在t=t1时刻，移动抽头与主径的延迟为Δτ1，在t=t2时刻，移动抽头与主径的延迟为Δτ2，且Δτ2>Δτ1。在t=tN,N>2时刻，且ΔτN>Δτ2。

针对实际的信道测量数据，往往采用统计建模的方法分析信道的统计特性，这样做的缺点是忽略了信道的规律性变化，例如规律性建筑（如接触网电杆）产生的反射区域对信道特性的影响。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明在高铁高架桥场景下，基于实际信道测量数据，针对列车行进过程中规律建筑的理论建模方法，提出一种高铁高架桥场景下基于测量数据的理论建模方法。

本发明的技术方案如下：

一种高铁高架桥场景下基于测量数据的理论建模方法，所述方法包括以下步骤：

步骤101：根据列车运行特点以及周围环境，建立理论模型：

步骤102：计算各传播路径的传播时间，然后计算理论模型中移动反射径相对于直射径的时延，c表示光速，则

计算信号由发射机直接到达列车接收机的直射径的传播时间为：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{BM}}=\frac{1}{c}\·\sqrt{{(\mathrm{DS}-\mathrm{ds}*T_{\mathrm{floor}}-v*t_{\mathrm{rem}})}^2+H^2}---\left(a\right)$

其中，t_rem=rem(t,t_interval)表示取余函数，T_floor=floor(t/t_interval)，其中floor(A)表示小于或等于A的最大函数，

计算信号由发射机到达某一个接触网电杆的传播时间为：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{BP}}=\frac{1}{c}\·\sqrt{{({\mathrm{Ms}}^2-\mathrm{ds}*T_{\mathrm{floor}})}^2+{(H-h)}^2}---\left(b\right)$

计算由该接触网电杆到达列车接收机的传播时间为：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{PM}}=\frac{1}{c}\·\sqrt{{\left(\mathrm{abs}(\frac{\mathrm{ds}}{2}-v*t_{\mathrm{rem}})\right)}^2+h^2}---\left(c\right)$

计算反射径的传播时延为

τ_BPM=τ_BP+τ_PM

直射经与反射径之间的传播时延差随着列车位置的变化而变化，因此反射径相对于直射径是一个移动的反射径，移动反射径相对于直射径的相对传播时延Δτ可以表示为

Δτ=τ_BP+τ_PM-τ_BM     （d）

Δτ即为理论模型中移动反射径相对于直射径的时延；

步骤103：根据实际测量的信道脉冲响应channel impulse response，CIR提取各传播路径的功率衰落，提取得到的直射径的功率为

理论模型中移动反射的功率为

计算理论模型中的移动反射径的功率增益为 $G_m=P_m^{\mathrm{average}}\mathrm{dBm}-P_o^{\mathrm{average}}\mathrm{dBm};$

步骤104：利用计算机采用传播图论方法实现理论模型。

所述步骤101中的理论模型为：

发射机位于轨道单侧，到轨道的垂直距离为H，垂线用L_vertical表示，垂点为O_vertical；列车从轨道一端运动，经过发射机后，运动到轨道的另一端，发射机、列车运动的起始点以及列车运动的终止点，形成一个等边三角形；发射机到列车起始点的边和发射机到列车终止点的边相等；接触网电杆与发射机位于轨道同侧，到轨道的垂直距离为h，且H>h；接触网电杆沿轨道均匀分布，间距为ds；以接触网电杆为圆心，形成一连串圆形反射区域，圆心为Oⁱ,i=1…N，其中上标i表示接触网电杆序号，圆形反射区域的半径为R；列车的起始位置所在的反射区域的圆心为O¹；列车的起始位置和O¹到垂线L_vertical的初始距离分别用DS和Ms表示；列车速度v，列车穿越一个反射区域的时间为t_interval，且ds=v×t_interval；在第i个反射区域，由电杆反射从发射机发出的信号到列车上的接收机，该反射径用NLⁱ表示，在接收机处的到达角AOA用βⁱ(t)表示，t表示列车行驶的时间；由发射机直接到达接收机的直射径LOS用Lⁱ表示，在接收机处的AOA用

表示。

所述理论模型以轨道两侧的接触网电杆为模型进行建模，其他可使信道多径特性产生规律性变化的规律建筑亦适应此模型。

所述步骤101中，铁高架桥场景下基于测量数据的理论模型中，由接触网电杆产生的圆心为Oⁱ,i=1…N半径为R的反射区域，该反射区域不仅限于圆形，其反射区域形状可根据实际测量情况进行调整。

所述步骤101中，铁高架桥场景下基于测量数据的理论模型中，列车接收机在任意一个圆心为Oⁱ,i=1…N半径为R的反射区域内行驶时均可接收到由该接触网电杆反射的信号。

所述步骤101中，高铁高架桥场景下基于测量数据的理论模型中，反射径只考虑由发射机到接收机的直射路径和由发射机经由规律建筑反射到达接收机的反射路径，其他不规律多径和白噪声忽略。

所述步骤101中，高铁高架桥场景下基于测量数据的理论模型中，直射径的初始化到达角与反射径的初始化到达角相同,

所述步骤103中，实际信道测量得到N个的信道脉冲响应（CIR），功率单位为dBm，提取第一径的功率

i=1,...,N，提取移动抽头的功率

i=1,...,N，将第一径功率和移动抽头功率转化为幅值，即

$P_{\mathrm{of}}^i=0.001\·{10}^{\frac{P_o^i}{10}},i=1,...,N$

$P_{\mathrm{mf}}^i=0.001\·{10}^{\frac{P_m^i}{10}},i=1,...,N$

统计N个信道脉冲响应的第一径和移动抽头的功率，分别为

$P_o^{\mathrm{average}}=10\·{\log }_{10}(1000\·\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{of}}^i}{N})$

$P_m^{\mathrm{average}}=10\·{\log }_{10}(1000\·\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{mf}}^i}{N})$

移动抽头的功率增益为

$G_m=P_m^{\mathrm{average}}\mathrm{dBm}-P_o^{\mathrm{average}}\mathrm{dBm}$

本发明产生的有益效果：列车穿越发射基站过程中，接收到的多径信号会受到周围规律性建筑物产生的反射区域的影响，利用理论建模方法，联合实际测量数据，对高速铁路场景下的宽带无线信道进行建模，精确描述信道的多径特性，对改进和优化高铁场景下的无线系统特性具有重要意义。

附图说明

图1:是示出郑西线高架桥测量场景；

图2:是示出时变延迟径示意图；

图3:高铁高架桥场景下基于测量数据的理论建模方法流程图

图4:是示高架桥场景理论模型示意图；

图5:是示出反射径对于直射径的传播延迟变化示意图；

图6:是示出采用图论仿真实现本发明的建模方法。

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申请作进一步详细的说明。下面的具体说明将以郑西线高架桥场景的实际测量环境和数据为例。

参照附图3，示出了本发明高铁高架桥场景下基于测量数据的理论建模方法流程示意图，包括：

步骤101：模型如附图4所示，列车沿直线轨道穿越基站。以接触网电杆为圆心的一连串反射区域均匀分布，中心圆点由Oⁱ,i=1…N，其中上标i表示接触网电杆序号。H和h分别表示发射机和电杆到轨道的垂直距离，在此实施例中，H=92m，h=3.9m。DS和Ms分布表示列车和第一个电杆到中线的初始距离，在此实施例中，DS=600m，Ms=575m。ds是列车穿越每个反射区域的距离，在此实施例中，ds=50m。在第i个反射区域，由电杆产生的单反射径用NLⁱ（实线）表示，到达角（Angle-of-Arrival——AOA）用βⁱ(t)表示，t表示列车行驶的时间；直射径（Line-of-Sight——LOS）用Lⁱ（虚线）表示，AOA用表示，t表示列车行驶的时间。如果列车距离发射机足够远，则可认为直射径的初始化到达角与反射径的初始化到达角近似相同，即

步骤102：由步骤101建立的模型及其参数设计，假设c表示光速，计算信号由发射机直接到达列车接收机的直射径的传播时间为：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{BM}}=\frac{1}{c}\·\sqrt{{(\mathrm{DS}-\mathrm{ds}*T_{\mathrm{floor}}-v*t_{\mathrm{rem}})}^2+H^2}---\left(2\right)$

计算信号由发射机到达某一个接触网电杆的传播时间为：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{BP}}=\frac{1}{c}\·\sqrt{{({\mathrm{Ms}}^2-\mathrm{ds}*T_{\mathrm{floor}})}^2+{(H-h)}^2}---\left(3\right)$

计算由该接触网电杆到达列车接收机的传播时间为：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{PM}}=\frac{1}{c}\·\sqrt{{\left(\mathrm{abs}(\frac{\mathrm{ds}}{2}-v*t_{\mathrm{rem}})\right)}^2+h^2}---\left(4\right)$

计算反射径的传播时延为

τ_BPM=τ_BP+τ_PM

直射经与反射径之间的传播时延差随着列车位置的变化而变化，因此反射径相对于直射径是一个移动的抽头，移动抽头相对于直射径的相对传播时延Δτ可以表示为

Δτ=τ_BP+τ_PM-τ_BM     （5）

Δτ即为理论模型中移动抽头相对于直射径的时延，其中，t_rem=rem(t,t_interval)表示取余函数，T_floor=floor(t/t_interval)，其中floor(A)表示小于或等于A的最大函数了，abs(x)表示对x去绝对值。列车速度v=55.6m/s，且两个相邻电杆之间的距离为ds=50m，所以列车穿越一个反射区域的时间为t_interval=0.89s。利用公式（5）可以得到时变延时的周期性变化如图附图5所示。图中的横轴表示列车穿越基站的时间，其中中间时刻t=10.75s表示列车到达与发射机距离最近的位置，纵轴表示反射路径相对于直射径的传播延迟。由附图5可得，传播延迟周期性的变化，周期为0.89s，与实际测量数据一致。

步骤103：通过实际测量数据，得到N个的信道脉冲响应（CIR），功率单位为dBm，提取第一径的功率

i=1,...,N，提取移动抽头的功率

i=1,...,N，将第一径功率和移动抽头功率转化为幅值，分别为

$P_{\mathrm{of}}^i=0.001\·{10}^{\frac{P_o^i}{10}},i=1,...,N$

$P_{\mathrm{mf}}^i=0.001\·{10}^{\frac{P_m^i}{10}},i=1,...,N$

统计N个信道脉冲响应的第一径和移动抽头的功率

$P_o^{\mathrm{average}}=10\·{\log }_{10}(1000\·\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{of}}^i}{N})$

$P_m^{\mathrm{average}}=10\·{\log }_{10}(1000\·\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{mf}}^i}{N})$

移动抽头的功率增益为

$G_m=P_m^{\mathrm{average}}\mathrm{dBm}-P_o^{\mathrm{average}}\mathrm{dBm};$

步骤104：由步骤102和步骤103得到的抽头延迟和功率增益，建立列车穿越基站过程中的理论模型，仿真得到的列车穿越基站过程的PDP变化，如附图6所示。在此仿真中，只考虑直射路径和由接触网电杆产生的反射路径，其他多径以及噪声忽略。由仿真可得，其多径变化趋势与实际测量一致。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高铁高架桥场景下基于测量数据的理论建模方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤101：根据列车运行特点以及周围环境，建立理论模型：

步骤102：计算各传播路径的传播时间，然后计算理论模型中移动反射径相对于直射径的时延，c表示光速，则

计算信号由发射机直接到达列车接收机的直射径传播时间为：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{BM}}=\frac{1}{c}\·\sqrt{{(\mathrm{DS}-\mathrm{ds}*T_{\mathrm{floor}}-v*t_{\mathrm{rem}})}^2+H^2}---\left(a\right)$

其中，t_rem=rem(t,t_interval)表示取余函数，T_floor=floor(t/t_interval)，其中floor(A)表示小于或等于A的最大函数，

计算信号由发射机到达某一个接触网电杆的传播时间为：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{BP}}=\frac{1}{c}\·\sqrt{{({\mathrm{Ms}}^2-\mathrm{ds}*T_{\mathrm{floor}})}^2+{(H-h)}^2}---\left(b\right)$

计算由该接触网电杆到达列车接收机的传播时间为：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{PM}}=\frac{1}{c}\·\sqrt{{\left(\mathrm{abs}(\frac{\mathrm{ds}}{2}-v*t_{\mathrm{rem}})\right)}^2+h^2}---\left(c\right)$

计算反射径的传播时延为

τ_BPM=τ_BP+τ_PM

直射经与反射径之间的传播时延差随着列车位置的变化而变化，因此反射径相对于直射径是一个移动的反射径，移动反射径相对于直射径的相对传播时延Δτ可以表示为

Δτ=τ_BP+τ_PM-τ_BM      （d）

Δτ即为理论模型中移动反射径相对于直射径的时延；

步骤103：根据实际测量的信道脉冲响应（channe l impulse response，CIR）提取各传播路径的功率衰落，提取得到的直射径的功率为理论模型中移动反射的功率为计算理论模型中的移动反射径的功率增益为 $G_m=P_m^{\mathrm{average}}\mathrm{dBm}-P_o^{\mathrm{average}}\mathrm{dBm};$

步骤104：利用计算机采用传播图论方法实现理论模型。

2.根据权利要求1所述的一种高铁高架桥场景下基于测量数据的理论建模方法，其特征在于，所述步骤101中的理论模型为：

发射机位于轨道单侧，到轨道的垂直距离为H，垂线用L_vertical表示，垂点为O_vertical；列车从轨道一端运动，经过发射机后，运动到轨道的另一端，发射机、列车运动的起始点以及列车运动的终止点，形成一个等边三角形；发射机到列车起始点的边和发射机到列车终止点的边相等；接触网电杆与发射机位于轨道同侧，到轨道的垂直距离为h，且H>h；接触网电杆沿轨道均匀分布，间距为ds；以接触网电杆为圆心，形成一连串圆形反射区域，圆心为Oⁱ,i=1…N，其中上标i表示接触网电杆序号，圆形反射区域的半径为R；列车的起始位置所在的反射区域的圆心为O¹；列车的起始位置和O¹到垂线L_vertical的初始距离分别用DS和Ms表示；列车速度v，列车穿越一个反射区域的时间为t_interval，且ds=v×t_interval；在第i个反射区域，由电杆反射从发射机发出的信号到列车上的接收机，该反射径用NLⁱ表示，在接收机处的到达角AOA用βⁱ(t)表示，t表示列车行驶的时间；由发射机直接到达接收机的直射径LOS用Lⁱ表示，在接收机处的AOA用

表示。

3.根据权利要求2所述的一种高铁高架桥场景下基于测量数据的理论建模方法，其特征在于：所述理论模型以轨道两侧的接触网电杆为模型进行建模，其他可使信道多径特性产生规律性变化的规律建筑亦适应此模型。

4.根据权利要求2所述的一种高铁高架桥场景下基于测量数据的理论建模方法，其特征在于：所述步骤101中，铁高架桥场景下基于测量数据的理论模型中，由接触网电杆产生的圆心为Oⁱ,i=1…N半径为R的反射区域，该反射区域不仅限于圆形，其反射区域形状可根据实际测量情况进行调整。

5.根据权利要求2所述的一种高铁高架桥场景下基于测量数据的理论建模方法，其特征在于：所述步骤101中，铁高架桥场景下基于测量数据的理论模型中，列车接收机在任意一个圆心为Oⁱ,i=1…N半径为R的反射区域内行驶时均可接收到由该接触网电杆反射的信号。

6.根据权利要求2所述的一种高铁高架桥场景下基于测量数据的理论建模方法，其特征在于：所述步骤101中，高铁高架桥场景下基于测量数据的理论模型中，反射径只考虑由发射机到接收机的直射路径和由发射机经由规律建筑反射到达接收机的反射路径，其他不规律多径和白噪声忽略。

7.根据权利要求2所述的一种高铁高架桥场景下基于测量数据的理论建模方法，其特征在于：所述步骤101中，高铁高架桥场景下基于测量数据的理论模型中，直射径的初始化到达角与反射径的初始化到达角相同,

8.根据权利要求1所述的一种高铁高架桥场景下基于测量数据的理论建模方法，其特征在于：所述步骤103中，实际信道测量得到N个信道脉冲响应（CIR），功率单位为dBm，提取第一径的功率

i=1,...,N，提取移动抽头的功率

i=1,...,N，将第一径功率和移动抽头功率转化为幅值，即

$P_{\mathrm{of}}^i=0.001\·{10}^{\frac{P_o^i}{10}},i=1,...,N$

$P_{\mathrm{mf}}^i=0.001\·{10}^{\frac{P_m^i}{10}},i=1,...,N$

统计N个信道脉冲响应的第一径和移动抽头的功率，分别为

$P_o^{\mathrm{average}}=10\·{\log }_{10}(1000\·\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{of}}^i}{N})$

$P_m^{\mathrm{average}}=10\·{\log }_{10}(1000\·\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{mf}}^i}{N})$

移动抽头的功率增益为

$G_m=P_m^{\mathrm{average}}\mathrm{dBm}-P_o^{\mathrm{average}}\mathrm{dBm}.$

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