廖 勇,胡 異

1.重慶大學(xué) 通信與測控中心,重慶 400044; 2.綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西安電子科技大學(xué)),西安 710071) (*通信作者電子郵箱liaoy@cqu.edu.cn)

高速移動(dòng)下U型槽的時(shí)變信道建模

廖 勇1,2*,胡 異1

1.重慶大學(xué) 通信與測控中心,重慶 400044; 2.綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西安電子科技大學(xué)),西安 710071) (*通信作者電子郵箱liaoy@cqu.edu.cn)

隨著國內(nèi)高速鐵路建設(shè)的迅速發(fā)展，在高速鐵路上要求移動(dòng)辦公、娛樂的客戶需求與日俱增，而現(xiàn)有的蜂窩移動(dòng)通信以及針對鐵路的移動(dòng)通信鐵路全球系統(tǒng)(GSM-R)均不能很好地滿足客戶對寬帶無線通信的服務(wù)質(zhì)量(QoS)需求。高鐵在實(shí)際的行駛過程中，會(huì)經(jīng)歷各種復(fù)雜的場景，U型槽是常見的場景，然而目前尚未有充分針對高速移動(dòng)下U型槽的時(shí)變信道建模的研究。針對此問題，提出一種高速移動(dòng)下U型槽的時(shí)變信道建模方法。首先，采用幾何隨機(jī)分布理論，針對高鐵典型場景U型槽建立幾何分布模型，分析散射體簇的變化規(guī)律，推導(dǎo)視距(LOS)分布、時(shí)變角度擴(kuò)展、時(shí)變多普勒擴(kuò)展等參數(shù)的表達(dá)式，并給出了信道沖擊響應(yīng)的閉式解。其次，分析了信道的時(shí)變空時(shí)域互相關(guān)函數(shù)、時(shí)變自相關(guān)函數(shù)以及時(shí)變空域多普勒功率譜密度的表達(dá)式。最后，對所提模型進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)性能的仿真，驗(yàn)證了該模型具有時(shí)變性以及較高的相關(guān)性，體現(xiàn)了高鐵信道的非平穩(wěn)性，滿足高速無線信道的特性。

高速移動(dòng);信道模型;U型槽;時(shí)變信道;幾何隨機(jī)分布

0 引言

從1998年以來,全球移動(dòng)通信鐵路系統(tǒng)(Global System for Mobile communication-Railway, GSM-R)已廣泛地應(yīng)用于列車通信和控制。然而,GSM-R僅僅只能提供200 Kb/s的數(shù)據(jù)率[1],主要用于列車控制,而不能為乘客提供寬帶通信服務(wù)[2]。其后隨著蜂窩移動(dòng)通信的發(fā)展,長期演進(jìn)(Long Term Evolution, LTE)系統(tǒng)的建設(shè)和使用,研究人員針對高鐵場景提出LTE-R(LTE-Railway)的概念,但是目前還沒有形成標(biāo)準(zhǔn),尚有諸多的技術(shù)挑戰(zhàn)[3]。另一方面,在高速鐵路上要求移動(dòng)辦公、娛樂的客戶需求與日俱增。因此,GSM-R和現(xiàn)有的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)均不能滿足目前以及未來高鐵用戶對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨骩4]。故設(shè)計(jì)一個(gè)能夠滿足寬帶數(shù)據(jù)傳輸需求的高鐵移動(dòng)通信系統(tǒng)非常緊迫且意義重大。而一個(gè)無線通信系統(tǒng)最基礎(chǔ)的技術(shù)就是信道建模,因此,研究高速移動(dòng)下的信道建模非常有意義。目前,國內(nèi)外對高速移動(dòng)下的信道建模作了大量的研究。文獻(xiàn)[5-8]研究了基于光線跟蹤法的幾何確定性模型(Geometry Based Deterministic Model, GBDM)的高鐵傳播信道。而在幾何隨機(jī)信道模型中,高鐵信道的脈沖響應(yīng)通過波傳播定律來表征?；谟行⑸潴w的位置,幾何隨機(jī)信道模型可以進(jìn)一步分為規(guī)則形狀幾何隨機(jī)模型(Regular-Shaped Geometry Based Stochastic Model, RS-GBSM),例如單環(huán)[8]、雙環(huán)和橢圓模型[10-12],還有不規(guī)則形狀幾何隨機(jī)模型(Irregular-Shaped Geometry Based Stochastic Model, IS-GBSM)[13]。非幾何隨機(jī)模型(Non-Geometrical Stochastic Model, NGSM)通過提供基本概率分布函數(shù),用一種完全隨機(jī)的方式來表征在一個(gè)高鐵傳輸信道的物理參數(shù),不需要假定散射體為任何的基本幾何體[14-15]。文獻(xiàn)[14]提出了一種基于高鐵無線通信的有限狀態(tài)馬爾可夫鏈的NGSM。基于在高鐵高架橋和狹窄通道場景的測量,文獻(xiàn)[15]提出了一種有限狀態(tài)的馬爾可夫信道。

以上研究主要針對的是高鐵平原場景,而高鐵無線通信系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)由于周圍不同的地理環(huán)境而遭遇不同的信道條件。高鐵環(huán)境一般被劃分為以下幾個(gè)主要場景:開闊地、高架橋、U型槽、山區(qū)、隧道和車站。綜合考慮上述場景獨(dú)特的設(shè)置和其他一些特殊的高鐵場景,高鐵環(huán)境可以進(jìn)一步劃分為12種場景[16]。高鐵在行駛途中會(huì)穿過一個(gè)或多個(gè)這些場景。而不同的場景,它們的信道模型差異較大。在實(shí)際的高鐵運(yùn)行中,U型槽又是常見的場景,大量出現(xiàn)在地下水豐富、地下水位較高、放坡條件受到限制的區(qū)域。目前對于高速移動(dòng)下U型槽的信道建模的研究較少。文獻(xiàn)[17]提出了基于U型槽的抽頭延遲線模型和簇延遲線模型,所提的建模方法都是只考慮了大尺度模型,而沒有考慮小尺度模型,建模計(jì)算復(fù)雜度更高。除此之外,現(xiàn)有的高速移動(dòng)下U型槽的信道建模都是非時(shí)變性的,而實(shí)際的信道是具有時(shí)變性和非平穩(wěn)性的[12],因此,研究高速移動(dòng)下U型槽的時(shí)變信道建模及其對高鐵移動(dòng)通信的影響,可以豐富該領(lǐng)域的研究成果。

1 高鐵移動(dòng)通信系統(tǒng)模型

本文考慮高鐵移動(dòng)車廂終端(Mobile Carriage Terminal, MCT)與鐵路沿線的分布式遠(yuǎn)端天線單元(Remote Antenna Unit, RAU)之間的多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)通信系統(tǒng),以達(dá)到提高車廂內(nèi)固定座位終端用戶的語音和數(shù)據(jù)通信性能的目標(biāo)。如圖1所示,車內(nèi)用戶與基站之間的通信采用雙層結(jié)構(gòu),分別由兩部分組成:一部分為車地通信,即道旁的分布式MIMO中央控制基站(Central Control Station, CCS)和在其覆蓋區(qū)內(nèi)高速行駛的高鐵車載MCT之間的車地通信,列車位于U型槽內(nèi),兩側(cè)的障礙物高于列車頂部;另一部分為車內(nèi)通信,即高鐵每節(jié)車廂頂部的車載MCT和車廂內(nèi)WiFi接入點(diǎn)(Access Point, AP)之間的通信，以及WiFi AP與固定座位用戶通信。MCT作為車地通信和車內(nèi)通信的關(guān)鍵中間節(jié)點(diǎn),車內(nèi)用戶的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)需要通過MCT保障,而MCT的QoS受限于車地通信的質(zhì)量。本文主要研究其中的車地通信。

高速移動(dòng)切換下分布式MIMO通信系統(tǒng)模型如圖2所示,陰影部分為相鄰RAU的重疊覆蓋區(qū),高鐵在此重疊區(qū)域內(nèi)將同時(shí)與兩個(gè)相鄰RAU進(jìn)行通信,由于高鐵速度非?？?其將在非常短的時(shí)間內(nèi)完成小區(qū)切換。每個(gè)CCS管理有M個(gè)RAU,并且在同一個(gè)CCS內(nèi),所有的RAU都工作在相同的頻率,即MCT在同一個(gè)CCS內(nèi)的兩個(gè)相鄰RAU發(fā)生切換時(shí),工作頻率不會(huì)發(fā)生變化,這將大大減小系統(tǒng)的射頻開銷,同時(shí)相鄰MIMO RAU對MCT進(jìn)行信號(hào)的復(fù)用和分集,顯然,在兩個(gè)CCS間相鄰的兩個(gè)RAU之間進(jìn)行小區(qū)切換時(shí),將考慮頻率切換問題。RAU均勻分布在高鐵沿線,每個(gè)RAU上有NT根天線,RAU和CCS通過光載無線電(Radio over Fiber, RoF)進(jìn)行連接。高鐵有S節(jié)車廂,每節(jié)車廂頂部安裝有1個(gè)MCT,每個(gè)MCT有NR根天線。MCT通過RoF與車廂內(nèi)的WiFi AP連接。分布式MIMO CCS和高鐵MCT構(gòu)成車地通信,MCT和WiFi AP以及WiFi AP和固定座位用戶之間構(gòu)成車內(nèi)通信。

圖1 高速移動(dòng)切換下分布式MIMO系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖2 高速移動(dòng)切換下分布式MIMO通信系統(tǒng)模型

2 高速移動(dòng)下U型槽的時(shí)變信道模型

2.1 U型槽場景

U型槽是在高鐵無線通信中一個(gè)常見的場景。它代表了一種環(huán)境,高鐵通過U形地理狹窄通道的表面。U型槽場景被廣泛應(yīng)用于高鐵建設(shè),確保鐵路的光滑以及在通過山地時(shí)幫助火車達(dá)到高速。在這種場景下,無線電傳播的波形會(huì)由于兩邊陡峭的墻壁而受到嚴(yán)重的影響。

有研究表明U型槽兩邊陡峭的墻壁反射體較多,故U型槽具有反射環(huán)境豐富、多徑數(shù)量多等特點(diǎn)[17]。同時(shí),它還有較強(qiáng)的直射徑,因此,該場景是一種強(qiáng)視距的場景。由于上述特點(diǎn),U型槽場景的無線信道就具有非平穩(wěn)性、較高的相關(guān)性以及較明顯的多普勒效應(yīng)。因?yàn)閁型槽場景與高鐵其他場景不同,所以高鐵中其他場景的信道模型并不完全適合U型槽。為此,基于U型槽的特點(diǎn),本文對高速移動(dòng)下的U型槽場景進(jìn)行了信道建模。

2.2 U型槽時(shí)變信道建模

為便于高速信道建模,將實(shí)際的U型槽場景下高鐵沿線的基于MIMO的RAU與車載MCT之間的車地通信場景抽象為一個(gè)幾何模型,具體建模過程如下。

圖3 U型槽下在橢圓上帶有局部散射體的NT×NR MIMO信道的幾何學(xué)橢圓時(shí)變散射模型

圖3中各個(gè)參數(shù)表示的具體含義如表1所示。

表1 高速移動(dòng)下U型槽幾何學(xué)橢圓時(shí)變散射模型的主要參數(shù)

(1)

2πλ0f(t)))

(2)

非視距(Non Line of Sight, NLOS)的CIR可表示為:

(3)

散射分量可表示為：

k0Dn1q(t)))

(4)

k0Dn1q(t)))×En2qexp(j(θn2q-kn2q·rR-

k0Dn2q(t)))

(5)

kn1q·rR-k0Dn1q(t)))×En2qexp(j(θn2q-

kn2q·rR-k0Dn2q(t)))×En3qexp(j(θn3q-

kn3q·rR-k0Dn3q(t)))

(6)

kn1q·rR-k0Dn1q(t)))×…×

Enpqexp(j(θnpq-knpq·rR-k0Dnpq(t)))

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

其中:

(13)

(14)

將式(8)～(10)代入式(7),聯(lián)立式(11)～(14)得到高速環(huán)境下從RAU第l根天線到MCT第k根天線時(shí)變信道模型的復(fù)數(shù)信道增益為:

exp(j(2πfn(t)t+θn+θ0))

(15)

其中：

(16)

(17)

其中:

(18)

(19)

其中：κ0為橢圓離心率的倒數(shù),即κ0=1/e=a(t)/f(t)。

(20)

其中:

至此,完整地建模得到了高速移動(dòng)下U型槽場景下的MIMO時(shí)變信道模型,如式(1)所示,分別包含LOS和NLOS的CIR表達(dá)式。

圖4 高鐵U形槽信道模型中的時(shí)變角度參數(shù)

綜上,高鐵U型槽信道模型構(gòu)建的步驟如下:

1)設(shè)定高鐵場景為U型槽場景,U型槽壁有無數(shù)的散射體簇,以遠(yuǎn)端天線單元和高鐵移動(dòng)車廂終端分別作為橢圓的焦點(diǎn)建立一個(gè)橢圓的幾何模型。

2)根據(jù)步驟1)獲取當(dāng)前時(shí)刻該場景下的距離、天線等參數(shù)。

3)由步驟2)得到當(dāng)前時(shí)刻從RAU第l根天線到MCT第k根天線的CIR的視距分量。

4)由步驟2)得到當(dāng)前時(shí)刻從RAU第l根天線到MCT第k根天線的復(fù)數(shù)信道增益。

5)由步驟4)得到當(dāng)前時(shí)刻從RAU第l根天線到MCT第k根天線的CIR的非視距分量。

6)結(jié)合步驟3)和步驟5)得到當(dāng)前時(shí)刻從RAU第l根天線到MCT第k根天線的CIR。

7)經(jīng)過Δt時(shí)間以后,若達(dá)到運(yùn)行的時(shí)間,則步驟6)得到的CIR即為從RAU第l根天線到MCT第k根天線的時(shí)變CIR,若沒有達(dá)到運(yùn)行時(shí)間,則再回到步驟2)。

3 信道統(tǒng)計(jì)性能及仿真結(jié)果分析

3.1 統(tǒng)計(jì)性能

首先,將介紹應(yīng)用于高速移動(dòng)下U型槽時(shí)變信道模型的統(tǒng)計(jì)性能,并給出各統(tǒng)計(jì)性能的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

3.1.1 時(shí)變空時(shí)域互相關(guān)函數(shù)

時(shí)變空時(shí)域互相關(guān)函數(shù)由MIMO高鐵信道的兩個(gè)任意的CIR之間的相關(guān)函數(shù)決定[12]。因?yàn)樵诟咚僖苿?dòng)下U型槽場景的時(shí)變信道模型的角度參數(shù)和發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離是時(shí)變的,故時(shí)變空時(shí)域互相關(guān)函數(shù)與時(shí)間和天線間的距離有關(guān)。時(shí)變空時(shí)域互相關(guān)函數(shù)的表達(dá)式如下:

(22)

3.1.2 時(shí)變自相關(guān)函數(shù)

時(shí)變自相關(guān)函數(shù)是由MIMO高鐵信道的任意CIR的自相關(guān)函數(shù)決定[12]。因?yàn)樵诟咚僖苿?dòng)下U型槽場景的時(shí)變信道模型是具有不穩(wěn)定性的,故時(shí)變自相關(guān)函數(shù)不僅與時(shí)間差Δt相關(guān),還與時(shí)間t相關(guān)。令時(shí)變空時(shí)域互相關(guān)函數(shù)的ΔδT與ΔδR為0,即可得到時(shí)變自相關(guān)函數(shù),具體表達(dá)式如下：

(23)

3.1.3 時(shí)變空域多普勒功率譜密度

時(shí)變空域多普勒功率密度描述了高速移動(dòng)下的信道頻率色散參數(shù),是由移動(dòng)臺(tái)與基站間的相對運(yùn)動(dòng)或是信道中物體運(yùn)動(dòng)所引起的[12]。因?yàn)樵诟咚僖苿?dòng)下,運(yùn)動(dòng)速度特別大,多普勒效應(yīng)比較明顯,故在仿真高速移動(dòng)下U型槽場景的時(shí)變信道模型時(shí),需要考慮時(shí)變空域多普勒功率譜密度。具體表達(dá)式如下：

W(t,ν,ΔδT,ΔδR)=

其中:t為時(shí)間；Δt為時(shí)間差；ν為多普勒頻移;ΔδT為發(fā)射端天線間的距離;ΔδR為接收端天線間的距離。由式(22)可知，時(shí)變空域多普勒功率譜密度是由時(shí)變空時(shí)域互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換得到的。

3.2 仿真結(jié)果及其分析

為驗(yàn)證本文所提信道模型的合理性,結(jié)合第2章所述的MIMO系統(tǒng)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。系統(tǒng)模型場景如圖5所示。

圖5 U型槽場景下的系統(tǒng)模型

列車位于U型槽內(nèi),在U型槽壁有無窮多散射體簇,但在仿真中不可能做到無窮多的散射體簇,故假設(shè)散射體簇的數(shù)目為50。該系統(tǒng)模型的主要仿真參數(shù)如表2所示。

表2 高速移動(dòng)下U型槽時(shí)變信道模型的主要仿真參數(shù)

3.2.1 時(shí)變空時(shí)域互相關(guān)函數(shù)

圖6 高速移動(dòng)下U型槽時(shí)變信道模型含有視距分量的時(shí)變空時(shí)域互相關(guān)函數(shù)

圖7 高速移動(dòng)下U型槽時(shí)變信道模型不含視距分量的時(shí)變空時(shí)域互相關(guān)函數(shù)

從圖6～7可看出，高速移動(dòng)下U型槽時(shí)變信道模型在含有視距分量時(shí)的時(shí)變空時(shí)域互相關(guān)函數(shù)的值高于沒有視距分量時(shí)的時(shí)變空時(shí)域互相關(guān)函數(shù)。這是因?yàn)榧尤胍暰喾至亢?信道的相關(guān)性增強(qiáng),相關(guān)的性能下降。因此,從圖6～7可以看出,本文所提的信道模型是具有較高的相關(guān)性。

3.2.2 時(shí)變自相關(guān)函數(shù)

通過將δT和δR設(shè)置為0,從時(shí)變空時(shí)域互相關(guān)函數(shù)可以得到時(shí)變自相關(guān)函數(shù),如圖8所示。

圖8 高速移動(dòng)下U型槽時(shí)變信道模型的時(shí)變角度參數(shù)歸一化的自相關(guān)函數(shù)

從圖8可看出，高速移動(dòng)下U型槽時(shí)變信道模型的歸一化自相關(guān)函數(shù)具有時(shí)變性,而且自相關(guān)性也較高。首先,因?yàn)榧尤肓薒OS分量,信道的相關(guān)性會(huì)大幅提高；其次,高速移動(dòng)下U型槽時(shí)變信道模型是具有時(shí)變性的,天線參數(shù)和發(fā)射端與接收端的距離也是時(shí)變參數(shù),故自相關(guān)函數(shù)隨時(shí)間變化；并且由于高鐵信道具有非平穩(wěn)性,自相關(guān)函數(shù)不僅與時(shí)間差Δt有關(guān),還與時(shí)間t相關(guān)。從圖9可以看出,影響信道模型時(shí)變性的主要因素是角度參數(shù),若角度參數(shù)是非時(shí)變的,則得到的自相關(guān)函數(shù)也是非時(shí)變的。圖8～9的結(jié)果驗(yàn)證了本文模型具有時(shí)變性以及高鐵信道的非平穩(wěn)性。

圖9 高速移動(dòng)下U型槽時(shí)變信道模型的非時(shí)變角度參數(shù)的歸一化的自相關(guān)函數(shù)

3.2.3 時(shí)變空域多普勒功率譜密度

將時(shí)變空時(shí)域互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換,即可得到時(shí)變空域多普勒功率譜密度,得到的仿真結(jié)果如圖10所示。

從圖10可看出，高速移動(dòng)下U型槽時(shí)變信道模型的時(shí)變空域多普勒功率譜密度呈U型,也稱之為典型U型譜。多普勒頻移是關(guān)于入射角的函數(shù),且關(guān)于入射角具有對稱性。入射角變化時(shí),頻率域會(huì)從fc變化到fc±fmax,多普勒功率隨著頻率變化而變化,因此時(shí)變空域多普勒功率譜密度呈U型。圖11顯示了在不同時(shí)刻的高速移動(dòng)場景下，U型槽時(shí)變信道模型下的時(shí)變空域多普勒功率譜密度,因?yàn)楸疚乃岬男诺滥Ｐ途哂袝r(shí)變性,所得的空域多普勒功率譜密度也具有時(shí)變性,所以不同時(shí)刻下的多普勒功率譜密度函數(shù)也不同,進(jìn)一步驗(yàn)證了本文所提的信道模型具有時(shí)變性。

圖10 高速移動(dòng)下U型槽時(shí)變信道模型的時(shí)變空域多普勒功率譜密度

圖11 不同時(shí)刻的高速移動(dòng)下U型槽時(shí)變信道模型的時(shí)變空域多普勒功率譜密度

3.3 統(tǒng)計(jì)性能開銷

本文通過計(jì)算不同統(tǒng)計(jì)性能的復(fù)雜度來分析統(tǒng)計(jì)性能開銷。從表3中本文所應(yīng)用的不同統(tǒng)計(jì)性能的復(fù)雜度可以看出：時(shí)變自相關(guān)函數(shù)和時(shí)變空域多普勒功率譜密度的復(fù)雜度位于同一復(fù)雜度級(jí)別,而時(shí)變空時(shí)域互相關(guān)函數(shù)更加復(fù)雜。這是因?yàn)樗鼈兌际腔贑IR來計(jì)算的,時(shí)變自相關(guān)函數(shù)和時(shí)變空域多普勒功率譜密度的循環(huán)次數(shù)僅與散射體簇的數(shù)目相關(guān),而時(shí)變空時(shí)域互相關(guān)函數(shù)的循環(huán)次數(shù)不僅與散射體簇的數(shù)目相關(guān),還與接收端和發(fā)射端天線數(shù)相關(guān)。此外,本文也對比了以上三種統(tǒng)計(jì)性能進(jìn)行完整運(yùn)算的運(yùn)行時(shí)間情況。仿真工具為Matlab 2014,主機(jī)配置為2.6 GHz奔騰E5300 CPU,內(nèi)存2 GB,Windows 7.1操作系統(tǒng),仿真結(jié)果見表3?？梢钥吹?時(shí)變空時(shí)域自相關(guān)函數(shù)的運(yùn)行總時(shí)間略長于其他兩種統(tǒng)計(jì)性能的運(yùn)行總時(shí)間,這是因?yàn)橛?jì)算時(shí)變自相關(guān)函數(shù)和時(shí)變空域多普勒功率譜密度基于同一發(fā)射天線和接收天線,而時(shí)變空時(shí)域互相關(guān)函數(shù)基于不同發(fā)射天線與接收天線,計(jì)算更復(fù)雜,這也與復(fù)雜度分析一致。

表3 不同統(tǒng)計(jì)性能的對比

4 結(jié)語

本文提出了一種高速移動(dòng)下U型槽的時(shí)變信道模型,采用幾何隨機(jī)分布理論以及波傳播定律,針對高鐵典型場景U型槽建立出具體的幾何分布模型,分析散射體的變化規(guī)律,推導(dǎo)視距分布、非視距分布、時(shí)變角度、時(shí)變多普勒擴(kuò)展等參數(shù)的數(shù)學(xué)閉合表達(dá)式,并給出了信道沖擊響應(yīng)的閉式解。仿真結(jié)果表明,本文所提的信道模型具有時(shí)變性和較高的相關(guān)性,體現(xiàn)了高鐵信道的非平穩(wěn)性，滿足高速移動(dòng)場景下無線信道的特性,驗(yàn)證了所提的信道模型的合理性。

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High-speedmobiletime-varyingchannelmodelingunderU-shapedgroove

LIAO Yong1,2*, HU Yi1

(1.CenterofCommunicationandTTamp;C,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China;2.StateKeyLaboratoryofIntegratedServicesNetworks(XidianUniversity),Xi’anShaanxi710071,China)

With the rapid development of the domestic high-speed railway construction, customer demand for mobile office and entertainment on high-speed railway is growing rapidly. While both of the existing cellular mobile communication and proprietary communication network for Global System for Mobile communication-Railway (GSM-R) cannot satisfy customer demand for Quality of Service (QoS) of broadband wireless communication. High-speed railway will experience all kinds of complex scenarios during the actual driving, and U-shaped groove scene is a common one. However, there is not a full research on time-varying channel modeling of the U-shaped groove scenario under high-speed mobile environment. Therefore, a U-shaped groove time-varying channel modeling method under high-speed mobile environment was proposed and simulated. Firstly, the geometric random distribution theory was used to established geometric distribution model for high-speed railway scenario under U-shaped groove, and the change law of scatterers was analyzed. Besides, the parameters’ closed mathematical expressions such as line-of-sight distribution, time-varying angle spread, time-varying Doppler spread were deduced, and the closed solution of the channel impulse response was given. Secondly, the time-variant space-time cross-correlation function, time-variant auto-correlation function and time-variant space-Doppler power spectrum density were analyzed. Finally, the simulations of statistical performance were carried out to verify the proposed model. The simulation results show that the proposed model has the properties of time-varying and high correlation, which verifies the non-stationary of high-speed wireless channel and satisfies the characteristics of high-speed wireless channel.

high-speed mobility; channel model; U-shaped groove; time-varying channel; geometric random distribution

2017- 04- 12;

2017- 06- 02。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61501066,61571069);重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2015jcyjA40003);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(106112017CDJXY500001,106112017CDJQJ168817);西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(ISN16-03)。

廖勇(1982—),男,四川自貢人,副研究員,博士,CCF高級(jí)會(huì)員,主要研究方向:高速移動(dòng)通信、飛行器測控與通信; 胡異(1994—),女,重慶人,碩士研究生,主要研究方向:高速移動(dòng)通信中的信道模型及其建模方法。

1001- 9081(2017)10- 2735- 07

10.11772/j.issn.1001- 9081.2017.10.2735

TN929.5

A

This work is partially supported by the National Natural Science Foundation of China (61501066, 61571069), the Chongqing Frontier and Applied Basic Research Project (cstc2015jcyjA40003), the Fundamental Research Funds for the Central Universities (106112017CDJXY500001, 106112017CDJQJ168817), the Open Fund of the State Key Laboratory of Integrated Services Networks (ISN16-03).

LIAOYong, born in 1982, Ph. D., associate professor. His research interests include high-speed mobile communication, aerocraft tracking, telemetry amp; command and communication.

HUYi, born in 1994, M. S. candidate. Her research interests include channel model and its modeling methods of high-speed mobile communication.