劉　璨, 崔昊楊, 王超群, 曾俊冬, 唐　忠

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海　200090)

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高速移動環(huán)境下無線信道模型的性能

劉璨, 崔昊楊, 王超群, 曾俊冬, 唐忠

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海200090)

摘要:針對移動網(wǎng)絡(luò)在高鐵通訊時(shí)存在接收信號不穩(wěn)定問題,開展了多普勒效應(yīng)及多徑時(shí)延對正弦波疊加(Sum-of-Sinusoid,SOS)模型、XIAO模型 (Jakes仿真器)和LIU Qian模型的影響研究.分析了3種模型的信噪比、相關(guān)性以及處理信號衰減的程度,結(jié)果表明,在多普勒效應(yīng)及多徑時(shí)延的環(huán)境下,SOS模型的算法復(fù)雜度最低,LIU Qian模型反之,而傳遞函數(shù)相關(guān)性最佳,XIAO模型對接入信號的衰落程度最??；在保證傳輸效率、信道容量足夠的前提下,LIU Qian模型中接收信號的失真程度較小,更適宜作為高速移動環(huán)境下無線信道的研究模型.

關(guān)鍵詞：智能交通; 多徑時(shí)延; 多普勒頻移; 高速無線信道; 相關(guān)性

隨著我國高速移動列車的發(fā)展(車速可達(dá)400 km/h以上[1]),以及第3代、第4代移動通信技術(shù)(3G/4G)[2]的普及,人們在享受高速便捷乘車旅程的同時(shí),對時(shí)刻能與網(wǎng)絡(luò)保持連接、并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及多媒體通信等需求也日益增強(qiáng)[3].然而由于高速移動無線信道工作環(huán)境極為復(fù)雜惡劣[4-6],往往引起通訊終端的接收信號不穩(wěn)定易受干擾,特別是列車高速移動將引起多普勒頻移效應(yīng)[4-5],此外信號多徑傳播[6]也將加劇信道衰落,最終導(dǎo)致通訊質(zhì)量降低.因此,研究高速無線通信系統(tǒng)性能,構(gòu)建性能良好的信道模型,對于建設(shè)“雙高” (高可靠性、高信息速率)[6]的快速移動通信網(wǎng)絡(luò)具有重要意義.

信道模型是分析通信系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)[7].目前,高鐵移動通信信道模型研究中需考慮多普勒效應(yīng)、移動速度、多徑時(shí)延、噪聲干擾等一系列因素的影響.例如,多普勒頻移限制數(shù)據(jù)傳輸速率、影響信息傳輸?shù)恼`碼率,可通過加大功率儲備來改善[5].高速移動帶來周圍反射物和散射物的急劇變化,在空間距離較大時(shí),會導(dǎo)致傳播信道中多徑的數(shù)目發(fā)生變化;空間范圍較小時(shí),會導(dǎo)致信道中某些多徑分量“時(shí)有時(shí)無”[6].多徑延遲擴(kuò)展[7]是由于眾多不同路徑的電波經(jīng)過不同距離傳輸,導(dǎo)致接收信號因到達(dá)時(shí)間、相位和幅度的不同而輪廓不清或被擴(kuò)展,當(dāng)一個(gè)碼元波形擴(kuò)展到其他碼元周期時(shí)會引發(fā)碼間串?dāng)_[8].高鐵無線通信過程還會受到諸如直射徑(Light-of-Sight,LOS)、噪聲、路徑損耗、車體損耗、小區(qū)切換等因素的影響.目前，常見的信道模型有正弦波疊加模型、Jakes仿真器及改進(jìn)模型(例如LIU Qian模型等)在無線通信系統(tǒng)應(yīng)用中各有優(yōu)勢,而各模型的適用范圍仍有待進(jìn)一步深入研究.

本文綜合考慮了影響高速移動無線信道因素下的電波傳輸環(huán)境,依次對SOS(Sum-of-Sinusoid)模型、XIAO模型(Jakes仿真器)和LIU Qian模型3種信道模型建立仿真實(shí)驗(yàn)比較,主要針對各模型的算法復(fù)雜度、函數(shù)相關(guān)性和抗干擾性3方面展開討論分析,最后就高鐵無線信道理論建模中模型的選擇原則進(jìn)行探究.

1高速移動無線信道模型仿真實(shí)驗(yàn)

高效的信道仿真模型一直是高鐵無線通信研究的熱點(diǎn),瑞利衰落信道是無線信道仿真模型的基礎(chǔ),而最常用的模型有Clarke信道模型[9-12],該模型對多徑信號傳播過程的隨機(jī)性可以進(jìn)行較好的模擬.然而這種模型在構(gòu)建過程中忽略了直射信號和移動平臺速度變化帶來的影響,此外在反應(yīng)多徑時(shí)延的隨機(jī)性時(shí)只考慮了信號的不同初始相位[9],所以在高速信道模型的分析設(shè)計(jì)時(shí),不能靈活地反應(yīng)通信系統(tǒng)的真實(shí)性能.

針對Clarke信道模型中存在的上述不足,目前已有3種無線信道模型分別從不同角度、不同程度進(jìn)行了探討和研究,包括XIAO模型[10],SOS模型[11]，LIU Qian模型[12],其表達(dá)式如表1所示.其中,SOS模型的復(fù)合包絡(luò)、自相關(guān)特性以及互相關(guān)特性都很好,且所有的獨(dú)立信號均采用了有條件隨機(jī)多普勒頻移;XIAO模型引入了隨機(jī)多普勒頻率以及隨機(jī)正弦初始相位,屬于非確定性仿真模型;LIU Qian模型認(rèn)為基站處于靜止態(tài),列車處于高速移動態(tài)且考慮了列車速度和方向的變化.

注:αn,αm，φn,θn，θm—第n和m個(gè)路徑的傳播角度、初相角、調(diào)制相位(均對所有n在[-π,π)上服從均勻分布)；vmax—最大多普勒頻率;λ—采樣波長；ψn—第n條路徑的修正系數(shù)角.

利用上述3種無線信道模型,結(jié)合多普勒效應(yīng)、多徑時(shí)延、功率衰減和LOS等因素,程文璞[13]給出了高鐵實(shí)測系統(tǒng)參數(shù),設(shè)定載頻f0=2 350 MHz,信道采樣頻率fc=1 968 Hz.目前列車處于提速階段,假設(shè)列車以恒定300 km/h速率運(yùn)行且收發(fā)機(jī)之間距離(即授權(quán)網(wǎng)絡(luò)與CR網(wǎng)絡(luò)主體間直線距離)為500 m,有限元N取400,SNR為1.2[10],并根據(jù)ITU-R M.1225中Vehicular test environment Channel A測試模型設(shè)定時(shí)延及功率衰減.A通道車輛測試環(huán)境如表2所示.

2仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在Matlab環(huán)境下,仿真在Intel(R) Core(TM)3.2 GHz,4.00 GB內(nèi)存的機(jī)器上進(jìn)行.獲取的理想電波傳輸環(huán)境下(不考慮噪聲干擾)接收信號幅值隨時(shí)間變化曲線、自相關(guān)函數(shù)曲線、互相關(guān)函數(shù)曲線如圖1、圖2和圖3所示;加性高斯白噪聲干擾環(huán)境下接收信號幅值隨時(shí)間變化曲線如圖4所示.

由圖1可以看出,LIU Qian模型接收信號衰減幅值的均值為-90 dB,在-98~-85 dB內(nèi)波動;SOS模型幅值衰減程度略大于LIU Qian模型;XIAO模型大部分的接收信號幅值衰減范圍為-90~-83 dB,只有在0.022 ms和0.011 ms處幅度衰減值達(dá)到-95 dB以上.XIAO模型接收信號在每間隔0.01 s左右就會由于瞬時(shí)幅值衰落變化率很大而產(chǎn)生-95 dB以上的幅值衰落,而平均幅度衰落程度仍很小,所以XIAO模型構(gòu)建的信道模型通信代價(jià)依然較小.信道衰落在高速無線通信中普遍存在,仿真結(jié)果中幅度衰落能很好地說明實(shí)際通信中的信號衰減現(xiàn)象.

在函數(shù)相關(guān)性方面,由圖2和圖3可知,XIAO模型、SOS模型和LIU Qian模型接收信號的自相關(guān)函數(shù)值依次在0~3,0~40,0~2.5內(nèi)跳動,互相關(guān)函數(shù)值依次在-20~20,-2.5~2.5,-1~1內(nèi)跳動;相關(guān)系數(shù)值的變化率依次減小.LIU Qian模型接收信號的相關(guān)函數(shù)系數(shù)值趨于零,故其信道模型的函數(shù)相關(guān)性最優(yōu).算法的相關(guān)性反映了信道模型的相關(guān)性,通過與實(shí)際通信網(wǎng)中不同的信道模型相關(guān)性參數(shù)的對比可知,仿真得到的相關(guān)性曲線與實(shí)際信道模型相關(guān)性曲線近似.

在抗噪干擾能力方面,通過圖1和圖4的對比可知,加性高斯白噪聲對3種模型的接收信號幅值的影響不明顯.實(shí)際無線通信過程中,噪聲對音頻信號的影響程度相對較大,而對基礎(chǔ)通信影響相對較小,與仿真結(jié)果基本相符.算法復(fù)雜度越高,對輸入信號處理程度則越高,保留的有用信號電平數(shù)也越多,越有利于減少信號傳輸過程中通信系統(tǒng)的誤碼率.結(jié)合模型表達(dá)式,可以認(rèn)為3種模型算法復(fù)雜度都很高,都能很好地對抗噪聲的干擾.

調(diào)用timeit函數(shù)測量表中3種模型的計(jì)算時(shí)間,結(jié)果依次為4.96 ms,19.55 ms,245.23 ms,可知SOS模型算法的時(shí)間復(fù)雜度較低.SOS算法包含兩次正弦函數(shù)相乘及N/4次累加運(yùn)算,XIAO算法包含N次,LIU Qian算法包含N×T次;XIAO模型和LIU Qian模型選取了400個(gè)擬合點(diǎn),SOS模型選取了100個(gè)擬合是前兩者的1/4.因此,算法所需的存儲區(qū)域最少,空間復(fù)雜度較低.與XIAO模型和LIU Qian模型相比,SOS模型的算法復(fù)雜度明顯較優(yōu),有利于節(jié)省操作平臺的存儲空間及計(jì)算空間.

結(jié)合移動通信網(wǎng)絡(luò)的基本特征,對上述指標(biāo)進(jìn)行綜合分析,并著重考慮高速無線通訊中多普勒效應(yīng)和多徑時(shí)延效應(yīng)的影響,依次對SOS模型、XIAO模型和LIU Qian模型的算法復(fù)雜度、抗噪聲干擾能力以及相關(guān)性3個(gè)方面的研究成果進(jìn)行了歸納比較.SOS模型、XIAO模型以及LIU Qian模型在用于高速移動無線信道建模時(shí)各有優(yōu)缺點(diǎn),在實(shí)際信道建模時(shí)可根據(jù)系統(tǒng)需求合理選擇.目前,“雙高”的移動通信網(wǎng)絡(luò)基本都能滿足系統(tǒng)功率儲備、信號傳輸效率的要求.因此,在通信系統(tǒng)功率儲備、信號傳輸效率、操作平臺計(jì)算和存儲功能都有保障的條件下,LIU Qian模型能更好地再現(xiàn)高速移動環(huán)境下電波的傳輸過程.

3結(jié)論

(1) SOS模型的復(fù)雜度明顯較優(yōu),有利于節(jié)省操作平臺的存儲空間及計(jì)算空間;

(2) 3種信道模型的算法復(fù)雜度高,對抗噪聲干擾的能力都較強(qiáng);

(3) XIAO模型的平均幅值衰落程度最小,有利于降低構(gòu)建信道模型的通信代價(jià);

(4) 當(dāng)有限元取值較大(大于400)時(shí),LIU Qian模型相關(guān)性明顯最佳.

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(編輯胡小萍)

Performance Research of Wireless Channel Models for High-speed RailwayLIU Can, CUI Haoyang, WANG Chaoqun, ZENG Jundong, TANG Zhong

(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

Abstract:With the increasingly faster trains,the quality of communication system gets worse so that the accepted signal is not stable.Research is conducted on the doppler-frequency shift and multipath effects on Sum-of-Sinusoid (SOS) model,XIAO model (Jakes Simulator),and LIU Qian model.According to the SNR (Signal to Noise Ratio) function under AWGN (Additive-White Gaussian Noise),the correlation function and the received signal attenuation degree,the analysis shows that SOS model got the least accuracy but best algorithm complexity,LIU Qian model has the best transfer function but least algorithm complexity and XIAO model has the least degree of the received signal attenuation in the Doppler-frequency shift and multipath delay effects of environment.As a result,while the transmission efficiency and the channel capacity meets the required service levels,LIU Qian model has the least distortion degree and should be the best study model of high-speed wireless channel.

Key words:intelligent transportation; multipath fading; Doppler shifts; high-speed wireless channel; relative characterization

中圖分類號：TN926

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-4729(2016)01-0073-05

通訊作者簡介：崔昊楊(1978-),男,博士后,教授,吉林四平人.主要研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備在線監(jiān)測,半導(dǎo)體光電器件等.E-mail:cuihy@shiep.edu.cn.

收稿日期：2015-07-28

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2016.01.016 10.3969/j.issn.1006-4729.2016.01.017