喬洪蓮　張博言

【摘要】 隨著高鐵的迅速發(fā)展，高鐵寬帶無線通信問題也成為學術界研究的熱點。高鐵場景下信道特性的測量與建模是高鐵無線通信系統(tǒng)研究的基礎工作之一。本文介紹了高鐵無線通信發(fā)展現狀、高鐵環(huán)境下信道模型的發(fā)展現狀及高鐵無線信道測量和建模所面臨的挑戰(zhàn)。

【關鍵字】 高鐵 無線信道 信道模型

一、引言

根據國際電信聯(lián)盟（ITU）預計，未來高鐵需要為乘客提供流暢的視頻通話、移動電視、移動互聯(lián)網等高帶寬的多媒體業(yè)務，而且由于高速鐵路的乘客具有乘坐時間長，列車車廂需能滿足乘客的寬帶無線接入需求。現有的高速鐵路環(huán)境下的通信系統(tǒng)遠遠不能為高速鐵路上旅客提供寬帶服務。隨著越來越多的乘客頻繁使用數據服務和互聯(lián)網，在高鐵上實現穩(wěn)定、實時的高速率無線數據傳輸顯得尤為迫切。

信道是通信系統(tǒng)設計的基礎，準確認知無線信道是設計通信系統(tǒng)的前提條件。它為通信系統(tǒng)原型機設計和系統(tǒng)、鏈路級仿真提供真實參考，因此高鐵無線信道隨之成為研究的首要問題。[1]高鐵場景下信道特性的測量與建模是高鐵無線通信系統(tǒng)研究的基礎工作之一。[2]

二、高鐵無線通信系統(tǒng)現狀

2.1高鐵無線通信研究現狀

隨著高鐵在我國和世界各地逐漸投入使用，為了實現基于2G、3G甚至4G移動通信網絡的高鐵語音和數據實時、穩(wěn)定傳輸，各種以先進的通信技術為基礎的高鐵無線通信解決方案陸續(xù)出現。這些方案中有中國移動提出的高鐵專網方案，其中包括了采用射頻拉遠的覆蓋增強方案以及特殊的無線接入方式，還有在歐洲高鐵中使用的分布式天線系統(tǒng)。除此之外， 先進的通信技術如智能天線， 超寬帶，（ Multiple-InputMultiple-Output）MIMO 多天線，極化分集，多普勒分集，以及協(xié)同多點接入CoMP（Cooperative Multi-Point）技術等， 也正針對高鐵的無線環(huán)境進行優(yōu)化設計、性能測試和驗證。

2.2高鐵信道研究現狀

高鐵信道的特征研究在現階段仍主要是以滿足系統(tǒng)覆蓋為目的的點到點信道的大尺度參數測量和建模上。這些模型包括了路損模型，陰影衰落分布模型以及隧道橫截面相關模型。

鐵路信道的研究確有很多年的歷史。但是，傳統(tǒng)的鐵路信道研究集中在鐵路的特殊環(huán)境如隧道中，信道的大尺度參數，即路損、時延、和陰影衰落等 “復合”特征的測量和建模上。這些研究成果多側重于低于2GHz 的無線通信商用頻段，曾對窄帶無線通信系統(tǒng)的設計、構建和性能預測、優(yōu)化起到了重要的作用。隨著寬帶無線通信系統(tǒng)逐漸從移動蜂窩通信擴展到車輛及礦井等領域，無線信道在這些特殊環(huán)境中的寬帶特征逐漸地有所開展，如公路隧道中的信道研究，地下礦井，以及車輛高速運動下的信道建模等。但是這些成果在鐵路信道的應用中存在兩個問題，一是測試環(huán)境和分析假設過于局限于公路隧道、礦井隧道和寬闊的多車道高速路面環(huán)境，其結果不能夠有效地擴展到鐵路的隧道場景中，二是這些研究旨在分析某個具體場景的信道的擴散方式，由于沒有將傳播和環(huán)境相關聯(lián)，其模型構建結果很難被推廣成統(tǒng)計的信道模型，具有適用度低的局限。真正著重研究鐵路隧道內信道的寬帶特征，如空間和時間上的選擇特性的文獻很少。利用窄帶測量系統(tǒng)，通過實地測量，總結出了隧道信道內的信道相關性，隨著發(fā)射和接收之間的距離而變化的經驗模型。但是由于測試設備的局限性，無法得出基于傳播的參數化信道模型。

另外，采用寬帶MIMO 信道測試設備對于鐵路（包括高鐵）信道的場景進行測試，并分析其小尺度參數分布的研究，至今仍是空白。這和蜂窩無線網絡中的信道模型的系統(tǒng)性和成熟程度，形成了鮮明的對比。不難預料，隨著基于擴頻技術的第三代以及基于正交頻分技術（OFDM）的第四代寬帶無線通信在高鐵中的普及，現階段相對匱乏的高鐵信道研究成果，將嚴重阻礙高鐵無線通信的發(fā)展。考慮到我國高鐵事業(yè)迅速成長的現狀，以及高鐵信道模型構建中存在的理論空白和采集實測數據的難度，我們有必要盡早地應對高鐵無線通信在多種特殊場景（如隧道、峽谷、高架和高速運行相結合）和復雜網絡組態(tài)（如多天線、分布式天線、中繼和CoMP）下的信道需求，對信道特征作出系統(tǒng)的研究，得出科學、有效、實用的高鐵無線信道模型。

三、高鐵無線信道模型建立所面臨的挑戰(zhàn)

3.1高鐵信道情況復雜

高鐵移動信道與傳動移動信道相比，具有時變性強和傳播環(huán)境多變性特點。高鐵的高速運行，會導致穩(wěn)態(tài)信道的小尺度時變性和相對長期的大尺度時變性，引起信道統(tǒng)計特征的快速時變，影響到分集和復用技術、切換、環(huán)境適應和數據融合等算法設計和優(yōu)化；高鐵在城市、郊區(qū)、隧道、山區(qū)、高架橋等復雜環(huán)境之間快速切換，已有對應標準信道模型很難對此給予準確描述。

3.2實地測量難度大

高鐵信道測量是需要耗費大量人力和物力的工作，并且由于高鐵經過的環(huán)境類別多，相同類別的場景存在較大差異等特點，在某一個場景中測量出來的結果不見得和該類別其他場景相符。

現在業(yè)內比較認可的蜂窩系統(tǒng)信道探測儀有芬蘭Elektrobit公司的PropSound及德國MEDAV GmbH公司的RUSK。但是這種方法應用到高鐵環(huán)境下時會遇到鐵道部對沿線無線信號管制、高速移動條件下小區(qū)切換快、信道參量變化快等影響。

四、結束語

現今隨著高鐵的迅速發(fā)展，能夠在高鐵中保持高速穩(wěn)定的無線數據通信已經成為需要解決的迫切問題。為建立高效穩(wěn)定的高鐵無線通信系統(tǒng)，高鐵場景下信道特性的測量與建模是現在需要解決的關鍵問題。

參 考 文 獻

[1]劉留，陶成，余立，董偉輝 高速鐵路無線信道測量與信道模型探討 電信科學 2011年第5期

[2]劉留， 陶成， 邱佳慧， 余立 董偉輝 高速鐵路寬帶無線信道測量方法研究 鐵道學報 第33卷第5期2011年5月