（通信与信息系统专业论文）高速铁路移动环境下信道仿真与同步算法仿真研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国经济、社会的快速发展，建设高速铁路成为我国运输事业发展的必然趋 势。然而，在高速铁路发展的同时，研究与其相适应的新一代无线移动通信系统成为 了一个必要的问题。为了研究适合高速铁路无线通信系统的编码、调制、信道估计等 通信技术，建立与高速铁路环境相关的无线信道模型是必须的。 本文根据高速铁路地理环境，在研究电波传播特性的基础上，分析了电波传播过 程中各参数的统计特性，并且根据各参数在信号传输过程中对信号的影响，建立了高 速铁路的信道模型，该信道模型是由不同时延下的不可分辨的空间径组合而成，该信 道模型就是在常用信道仿真方法j a k e s 信道仿真器的基础上进行了改进，并对该信道 模型进行了仿真分析。 正交频分复用( o f d m ) 技术是一种高速多载波传输技术，o f d m 通信方案已经广泛 应用在高速铁路无线通信系统中，同步问题是o f d m 系统的难点和热点，在高速铁路环 境下，更容易引起多普勒频移，破坏子载波间正交性，本文为了解决同步问题对系统 的影响，采用了一种数据辅助的同步算法实现同步偏差的估计，该算法是用一个导频 符号同时实现定时和频偏估计。通过仿真分析，该算法在o f d m 系统中，能够达到良好 的效果。 关键词：高速铁路；电波传播；信道建模；o f d m 同步算法 a b s t r a c t w i t ht h er a p i de c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n t s 。h i g h s p e e dr a i l w a yi sp l a y i n gam o r ea n d m o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h et r a n s p o r t a t i o no fc h i n a c o n s e q u e n t l y , t h en e wg e n e r a t i o n w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ss u i t a b l ef o rh i g h s p e e dr a i l w a yh a sb e c o m e as i g n i f i c a n ti s s u e t os t u d yt h e k e yt e c h n o l o g i e so fh i g h s p e e dr a i l w a yc o m m u n i c a t i o ns y s t e m si n v o l v i n ge n c o d i n g ，m o d u l a t i o n , s y n c h r o n i z a t i o n c h a n n e le s t i m a t i o na n d s oo n ，t h em o d e l i n go fc h a n n e ls t a t i s t i c s r e l a t e dw i t h h i g h s p e e dr a i l w a ye n v i r o n m e n t i sc r u c i a l i i lt h i st h e s i s ，+ o nt h eb a s i so fr e s e a r c h e so i lr a d i op r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si nh i g h 。s p e e d r a i l w a yg e o g r a p h i c a le n v i r o n m e n t t h e s t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fr a d i ow a v ep a r a m e t e r sa r e a n a l v z e da n dt h ec h a n n e lm o d e li sb u i l t ，w h i c hi sc o m p o s e do fi n d i s t i n g u i s h a b l es p a c ep a t h s w i t hd i f f e r e n td e l a y s b e i n ga ni m p r o v e m e n to fj a k ec h a n n e ls i m u l a t i o nm o d e l ，t h ep r o p o s e d c h a n n e lm o d e li ss i m u l a t e da n da n a l y z e di nt h et h e s i s a sam u l t i c a r t i e rt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) i sa p p l i e de x t e n s i v e l yi n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sd u et oi t sh i g hd a t a _ r a t e t r a n s m i s s i o nc a p a b i l i t ya n de a s yc h a n n e le q u a l i z a t i o ns c h e m e h o w e v e r , a sad i f f i c u l tw h i l e h o tp r o b l e m ，e s p e c i a l l yi nh i g h - s p e e dr a i l w a ye n v i r o n m e n t ，t h es y n c h r o n i z a t i o n i sc r u c i a lf o r o f d ms y s t e mb e c a u s el l i 曲s p e e dm o b i l i t ym a yi n t r o d u c e s e r i o u sd o p p l e rs h i f ta n d t h e r e f o r ed e s t r o yt h eo r t h o g o n a l i t ya m o n gs u b c a r r i e r s t oo v e r c o m et h ee f f e c t o ns y s t e m p e 而加a n c ee x e r t e db ys y n c h r o n i z a t i o ne 盯o r ，ad a t a - a i d e ds y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi s a p p l i e dt o t h eo f d ms y s t e mw i t hh i g hm o b i l i t yt oe s t i m a t et h es y n c h r o n i z a t i o ns h i f t e s t i m a t i n gt h es y n c h r o n i z a t i o na n df r e q u e n c ys h i f tj o i n f l yt h r o u g ho d ep i l o ts y m b o l ，t h e a l g o r i t h mi ss h o w nt o e x h i b i ts a t i s f a c t o r ye f f e c ti nh i g h s p e e dm o b i l ee n v i r o n m e n tb y s i m u l a t i o n k e y - i o r d s ：h i g h s p e e dr a i l w a y ；w a v e p r o p a g a t i o n ；c h a n n e lm o d e l i n g ；o f d m s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：牟起冬 指导老师签名：茹眵韵 日期：纠o 午8 日期： 加o 。坼易 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： l 、在j a k e s 信道模型的基础上，结合高速铁路地理环境以及速度因素的影响，建立了 高速铁路多径信道模型，并对其进行了仿真分析。 2 、针对高速铁路信道模型的特点，采用一种数据辅助的联合同步算法对高速铁路信道 的同步进行仿真分析。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：牛邀杰 日期： 了d l p t8 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 铁路运输做为我国国民经济的支柱产业，多年来因为铁路运输不能适应国家经济 持续快速发展的需求，成为制约我国国民经济快速发展的瓶颈。因为高速铁路具有速 度快、运量大、污染小、安全、能耗少、舒适、占地少等优点，上世纪九十年代初， 我国铁路专家就提出，中国修建高速铁路已经是一种不可逆转的趋势。近几年来，世 界各国相继建成了高速铁路，最高时速都超过了3 0 0 k m h ，大大缩短了列车运行时间。 我国的“十五建设计划，为满足快速增长的旅客运输需求，提出了建立大中城市间 和省会城市之间的快速客运通道，以及环渤海地区、珠江三角洲地区、长江三角洲地 区三个城际快速客运系统发展客运专线。郑州至西安、武汉至广州客运专线时速在3 0 0 公里以上的高速铁路也已经建成。追求高速，已成为铁路部门改革的重要趋向，也是 我国铁路建设发展的必然，高速铁路客运专线的建设和投入运营，将带动我国铁路综 合技术水平的大幅度提高，并将进一步加快我国铁路客运高速化的进程【1 j 。 1 2 高速铁路对移动通信的要求 移动通信是现今通信领域中最具有活力和最具有发展前途的一种通信方式，它已 经普及到人类社会生活的方方面面，使人类进入了信息时代【2 j 。随着高速铁路的发展， 对高速可靠的无线传输的需要日益迫切。铁路运输作业分散在铁路沿线和车站、车场 上，为了统一指挥和调度列车运行，组织运输生产和铁路建设，须有一个迅速可靠、 四通八达的铁路通信系统【3 】；此外，人们希望无线通信业务能覆盖到世界的每一个角落， 甚至是在高速列车上，也希望能够方便的接打电话和接入因特网，并且拥有良好的服 务质量，所以建设高速铁路通信系统已经成为一种必然。然而由于高速铁路时变的多 径传播环境造成了传输信道的复杂多变性和列车较快行驶速度，使高速铁路无线移动 通信系统的性能受到影响，主要表现在传播损耗、慢衰落、快衰落、时间选择性衰落、 频率选择性衰落、空间选择性衰落，同时易受远近效应、小区内干扰、小区间干扰、 同频干扰、码间串扰等严重干扰 4 】。目前，高速铁路移动通信已经成为各国竞相研究的 课题。然而移动信道的建立是这些研究的前提，高速铁路移动信道具有以下主要特性： ( 1 ) 移动范围只限于铁路沿线的狭长地带和站场所在的限定区域。铁路移动通信系 统一般采用链状的组网结构及方向性天线【5 】。通信一般仅限于铁路沿线范围，具有较低 的路径时延。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 ( 2 ) 高速列车经常通过隧道、路堑、深沟等地理环境，这些地理环境条件下，路径 衰耗比较大【5 】。而且在这种传输环境下，无线覆盖区很不规则，传输质量经常恶化，不 能满足高速列车的行车安全以及乘客的通话质量要求。 ( 3 ) 无线通信信号的传输是以电磁波的形式，在传播过程中，其路径上存在建筑物、 起伏的地形、树木、植被、海面和水面等等不同障碍物，这些因素引起传输电波的反 射、散射和绕射，使得到达接收站的信号不是单一路径波，而是从多条路径传播来的 电波的合成、波i 引。 ( 4 ) 随着列车行驶速度不断提高，信号在传输过程中的多普勒频移线性增加，因而使 信号传输过程中快速衰落，接收端收到的无线信号质量急剧恶化，误码率大大增加。 1 3 高速移动环境下的同步 到目前为止，适应于高速无线移动传输的系统解决方案主要有三种：单载波时分 多址( t d m a ) 通信系统、直接扩频码分多址( d s c d m a ) 通信系统以及o f d m 通信系统 方案。单载波时分多址( t d m a ) 方案在高传输速率时，因为要面临严重的频率选择 性衰落的缺点，需要较为复杂的时域均衡器，所以很难在高速移动的环境中到达较好 性能。d s c d m a 方案因为受到扩频码与低扩频增益之间的矛盾制约的因素，系统性 能在高速移动环境中也很难达到理想【7 】。o f d m 系统方案采用正交频分复用技术将传 输频带分成若干个可以进行并行传输的窄带子载波，具有很强的抗频率选择性衰落能 力，频谱利用率也很高。并且由于o f d m 可以有效地对抗多径影响，已成为高速数据 传输的关键技术【8 】。然而，在高速移动环境下，o f d m 系统也存在一些问题，一方面， o f d m 系统是各子载波严格正交的多载波系统，对频率偏差非常敏感，所以载波频率 偏移会对系统带来严重的影响【6 】。尤其在高速移动环境下，多普勒频移和多普勒扩展明 显，频率偏差使o f d m 系统子载波间的正交性遭到破坏，产生子载波间干扰，大大降 低系统性能【9 1 。另一方面，尽管o f d m 符号之间插入了循环前缀做为保护间隔，但是 如果符号定时错误，也会引起符号间干扰，严重影响系统性能。所以，在o f d m 系统 中，同步问题是非常关键的问题。 高速铁路无线信道恶劣的传输环境对于通信系统性能的影响很大，其中多径衰落 和多普勒效应是影响无线数据传输的最主要因素，其主要体现在以下三个方面： ( 1 ) 信号强度在很小的传播距离或是很小的时间间隔内快速变化； ( 2 ) 多径传播延迟引起时间弥散。 ( 3 ) 不同路径信号多普勒频移的变化引起随机频率调制【】o j ； 由以上因素引起的多普勒频移和信号时延是引起o f d m 系统的i c i 、i s i 的主要因 素，进而导致系统误码性能严重恶化。在高速移动环境下，多普勒频移与移动体的速 度成正比，因此成为高速移动环境下影响系统性能的关键因烈1 1j 。目前，广泛采用的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 先进的同步技术，消除频偏和时延，从而减小i c i 和i s i 。 对于o f d m 系统，消除多普勒频移和多普勒扩展以及多径对o f d m 系统的影响， 实现有效地同步【12 1 ，将是o f d m 系统应用于高速铁路移动环境下的关键。 1 4 论文的主要研究内容与章节安排 论文根据我国高速铁路的不同地理环境影响，在已有研究的基础上，首先考虑了 移动信道的一般特性，然后分析了高速铁路的电波传播特性，在此基础上建立了高速 铁路韵信道模型，并进行仿真和性能分析。对常用的高速铁路无线通信方案o f d m 系 统进行了同步方面的研究，为了克服信道多径以及多普勒频移对传输过程的影响，本 文针对高速铁路复杂信道环境进行了同步算法仿真。 第一章为绪论，主要介绍了我国铁路发展状况以及高速铁路对通信系统的要求， 以及适合高速铁路的通信系统在同步方面面临的主要问题。 第二章主要介绍了移动无线信道的特性，对大尺度衰落s d d , 尺度衰落的形成原因 以及模型进行了简单介绍，并在分析小尺度衰落信道参数和包络的基础上，对信道进 行了分类和性能说明。然后讨论了在高速铁路环境下，电波传播的传输特性，并对电 波传输过程中的主要参数多径经数、多径之间的相对传播时延、衰减系数和多普勒频 移等参数的统计特性进行了分析和仿真。 第三章在j a k e s 信道模型以及电波传输特性的基础上，建立了高速铁路多径信道模 型，并对其进行了仿真分析。 第四章主要讨论了高速铁路信道下，o f d m 通信系统的同步算法。首先介绍了同 步偏差对系统的影响，然后介绍了常用的同步算法，在这些算法的基础上，采用一种 适合高速铁路信道的s c 改进算法，并对其进行了仿真分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章高速铁路移动信道特性 在所有的通信系统中，无线信道是最为复杂与多变的一种。无线信道是基站天线 与用户天线的传播路径。由于接收机与发射机之间传播路径的复杂性，传播路径从简 单的视距传播，到遭遇各种复杂的地形、地物的反射、散射和绕射后的非视距传播， 以及移动台的移动和周围环境的不断变化，使无线信道具有极度的随机性。对传播模 型的研究，一二般主要分为以下两个方面： ( 1 ) 大尺度传播模型：描述的是发射机和接收机之间长距离的平均场强的变化，用 于平均场强的预测【l3 1 。其特点是：慢变，信道在很长时间内可以认为是恒定的，而 且衰落的幅度一般不大。 ( 2 ) 小尺度衰落模型：描述的是短距离( 波长级) 或短时间( 秒级) 内接收场强的 快速变化i l 引。主要是由电磁波的反射以及散射等引起的。当发生深度衰落时，会造 成系统的误码，严重时造成系统中断。其特点是：在很短时间内，信号衰减快，常 用瑞利分布和莱斯分布表征其幅度的统计特性【4 】。 在高速铁路通信系统的移动信道中，电波传输的大尺度衰落和小尺度衰落还受到列 车移动周围环境的影响。本章在介绍了一般移动信道特性的基础上，讨论了高速铁路 周围环境地形参数对电波传播特性的影响。 2 1 无线移动信道大尺度衰落特性 2 1 1 大尺度路径传播特性 大尺度衰落描述了长距离( 几百米甚至更长) 内接收信号的强度的缓慢变化，这 些变化是由发射天线和接收天线之间的传播路径上的山坡或湖泊以及建筑物等造成 的。一般来说，大尺度衰落与发射天线和接收天线之间的距离成反比，且在不同的地 区( 如海边和内陆地区、城市和乡村) 有不同的衰减因子【14 1 。大尺度传播中的无线电 波从发射天线到接收天线的传播方式总体上可归结为直射波( 即自由空间波) 、反射、 绕射和散射。 对于预测平均场强并用于估计无线覆盖范围的大尺度衰落，在无遮挡的视距路径 的自由传播模型中，其预测接收功率衰减为t - r 距离的函数。由f r i i s 公式给出： 所= 丽p , g t g ，2 2 式( 2 一1 ) 中，只为发射点处的发射功率；g f 、g r 分别为发射天线和接收天线的 增益；名为波长；d 为发射天线和接收天线间的距离；是与电波传播无关的系统损耗 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 因子【4 】o 2 1 2 大尺度衰落模型 大多数大尺度衰落传播模型是经大量测量统计并结合理论分析而建立起来的经验 模型j 经验模型主要根据测试数据的曲线解析式拟合而成。到目前为止，人们已经提 出的多种经典的预测大尺度覆盖的传播模型。在实际的覆盖预测中，一般都以路径损 耗模型为预测模型，结合大量的预测数据，利用计算机进行辅助分析，从而确定出针 对当地传播环境的各变量的取值以及相关的修正系列1 引。这里只介绍一些典型的传播 模型。 ( 1 ) 对数距离路径损耗模型 基于理论和实际测量的传播模型都表明，室外或室内无线信道中，平均接收功率 与发射机和接收机之间的距离的对数成反比f 1 6 j ，即： 一一， p l ( d ) = p l ( d o ) + 1 0 n l g ( 2 - 2 ) 口o 式( 2 2 ) 中，n 为路径衰减指数，表明路径损耗随距离增长的速度；以为近地参考距 离，由测试决定；d 为t - r ( 发射天线接收天线) 距离。在自由空间中，n 为2 ， 当有阻挡物时，心变大，式( 2 - 2 ) 中横杠表示对于给定距离d 所有可能路径损耗的集 平均。参考距离非常重要，应在天线的远场处，以避免远近效应对参考路径损耗的影 响。 但式( 2 2 ) 中没有考虑随机阴影效应。实际t - r 距离相同的两个点，各自周围环 境的杂波情况可能非常不同，测量结果表明，某处的路径损耗是随机的，且为关于距 离平均值的对数正态分布。所以路径损耗可表示为： 一， p l ( d ) = f f l ( d o ) + 1 0 n l g + k ( 2 - 3 ) 口0 式( 2 3 ) 中，k 为零均值的高斯分布随机变量，单位为如；标准偏差为仃，单位也 是扭。 ( 2 ) h a t a 模型 h a t a 模型是由h a m 在o k u m u r a 模型的基础上，于1 9 8 0 年利用回归方法拟合出便 于计算的经验解析公式，适用的频率范围为1 5 0 1 5 0 0 m h z 。该模型主要用于9 0 0 m h z ， 蜂窝半径大于1 k m 的宏蜂窝系统，基站有线天线高度在3 0 - 2 0 0 m 之间，移动台有线天 线高度在1 1 0 m 之耐1 4 】。该模型以市区的路径损耗为标准，其它地区在此基础上进行 修改。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 2 无线移动信道小尺度衰落特性 电波在沿地表传播中会受到各种阻碍物的反射、散射和吸收，到达接收天线的电 波是直射波、反射波和散射波的合成波，再加上移动台快速移动而划过电波的波节和 波腹引起驻波现象，另外高速运动会带来多普勒频移，这些使得移动台接收到的功率 电平在振幅和相位上随时随地都在急剧变化，这种现象就是小尺度衰落【17 1 。 2 2 1 小尺度衰落的数学模型 形成小尺度衰落的影响因素主要有以下三种： 1 、多径传播由于传播过程中信道中大量反射物和散射物的存在，使电波传输过程 中形成时间和空间上的多个无线电波，不同多径传输波分量具有不同 的随机相位和幅度，叠加后引起信号波动，引起信号失真【1 8 】。 2 、移动台的运动信号在传输过程中，由于基站与移动台之间的相对运动，引起多 普勒频移，产生随机频率调制现象。在高速条件下，多普勒频移 会更加明显。 3 、环境物体的运动引起多普勒频移。当环境物体的运动速度大于移动台的速度运 动时，这种因素对小尺度衰落起主要作用。 由上述原因形成的小尺度衰落信道数学模型如下： 传送的带通信号的复包络可以表示为 s ( t ) = r e s ( t ) e j 2 7 i a 】 ( 2 4 ) 式( 2 4 ) 中，f 为载波频率。 去 散射体 图2 - 1 多径环境示意图 信号在多径环境中传送，如图( 2 1 ) 所示，移动台周围布满散射体，移动台的速 率为1 ，第f 径的路径长度为，反射系数为a ，路径到达方向和移动台运动方向之间 的夹角为谚，则信道输出信号的复包络为1 4 1 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 如) ：za i e - j , 一z j r t h 缸5 ( f 一华) 。 ( 2 5 ) ! 川略p 皿眠( r 一詈一半) 2 2 2 小尺度衰落的信道参数 由于移动通信信道的多径、移动台的运动和不同的散射环境，使得移动信道在时 间上、频率上造成色散。描述信道在时间上色散的有功率延迟分布；描述信道在频率 上色散的有多普勒功率谱密度。因此，也分别产生了时延扩展和多普勒扩展，这两组 扩展分别对应两组参数相关带宽和相干时间。 1 、时间色散参数 时间色散是由于不同时延的多径信号叠加产生，依赖于发射机、接收机和周围的 物理环境之间的关系。时间色散体现在时域，是把发送端的一个信号沿时间轴展开， 使接收信号的持续时间比这个信号的发送时的持续时间增长【1 6 】。时延扩展与相关带宽 是描述信道时间扩散特性的两个参数。 ( 1 ) 时延扩展 在多径传播条件下，用来描述时延扩展的参数有平均附加时延f 、r m s ( r o o tm e a n s q u a r e ) 时延扩展以，它们都与功率延迟分布有关。功率延迟分布是一个基于固定时 延参数的附加时延f 的函数，通过对本地的瞬时功率延迟分布取平均而得到。功率 延迟分布可能时间上取平均，也可能接收机移动空间上取平均【1 4 】。 平均附加时延是功率延迟分布p ( f ) 的一阶矩，定义为： 一口；气 p ( 靠) 及 忙前2 丽 石 式( 2 6 ) 中a 。为第k 个多径的衰落因子，p ( 气) 为在时延点上多径衰落相对功率。 r m s 时延扩展是功率延迟分布的二阶矩的平方根，定义为： f 罩：_ 吒。矿一( f ) 2 ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 中 一2 2 p ( ) 露 产2 索2 萧 q 剐 在数字传输中，由于时延扩展，接收信号中一个码元的波形会扩展到其它码元周 期中，引起码间干扰。为了避免码间串扰，应使码元周期大于多径引起的时延扩展， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 用下式表示： r 眈 ( 2 - 2 0 ) i 乃 ( 2 2 2 ) e ( 2 2 3 ) 从频域上看，信号失真随发送信号带宽的多普勒扩展的增加而加剧。 当信道上的相干时间远远大于信号的周期，且基带信号的带宽b 。远远大于多普勒 扩展时，信道冲激响应的变化要比传送码元周期低的多，可认为该信道是慢衰信道， 即： 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 e b o 在慢衰信道中，可认为信道参数在一个或多个信号码元周期内是稳定的。 2 3 高速铁路电波传播重要地形参数 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 在高速铁路地理环境中，移动台接收的多路径电波特性显著的决定于电波在特定 地形环境下的传播过程和接收天线所在的近区环境。电波的传播特性既有其统计分布 特性的一面，又有其地形因素影响的一面 2 1 】。本文根据已有的国际铁路联盟( u i c ) 定义的地形起伏因子g 来分析机车台移动近区环境的特性，并且根据作用区内地形地 物占有参数c ，来分析电波在特定类型地形环境中的局部传播特性。 1 、地形起伏因子 地形起伏因子g ，即单位距离内平均起伏地形高度系数( 单位：无量纲) 的定义和计 算方法，图( 2 2 ) 的左侧是预测地段地形剖面，即铁路线路方向沿线地段的地形剖面 1 5 】。由不同高度作水平线与剖面曲线相交，然后做出高度与相应的交点数的关系曲线， 按下式定义g ： g 2 一d2 f ( n f - t ) d h2 丁1 一) a h 7 彳 善( 强一 式( 2 2 6 ) 中：彳剖面的特性面积； 啊第i 层水平线与剖面曲线的交点数； k 剖面高度的划分层数； 她第i 层的层高度( m ) ，该层高度水平线与剖面曲线的交点数为n i d 线路长度( m ) ； f 第i 层： ( 曲套色歹够音g 面( b ) 特性确 o o 言 ；o o 二； 幻。裂 1 0 0 豫 距离d ( k i n ) 相交数麓 图2 - 2 地形起伏因子 一般，当g 2 时，即表示地形起伏比较大。 2 、平均起伏长度 ( 2 2 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 平均起伏长度皿u 定义为单位相交次数所占据的距离( 单位：，z 次) 。 e l u ：i d = 上(227)k ( ，z ，一1 ) 按照g 定义所划分的层面，设她是第i 层的高度，在平均的意义上，幽，取值基本相等， 令吩= a h ，利用地形高度h 的意义和取值，近似有，脯= a h ，；k a h ，将式中分 子分母同乘以a h ；1 2 2 ，得： 9 1 e l u = 一d a h ：下生= 丝：一a h ( 2 - 2 8 ) n a h 争( 垠一1 ) _ g 磁 近似可取 e l u = 埘 g ( 2 2 9 ) 从式( 2 2 9 ) 中可以看出参数g 和日对平均起伏长度的作用。 3 、作用区地形地物参数 作用区地形地物参数c 定义为单位面积平均地形地物占据的地域大小的比值系 数。 c ：昙：霉k 3 。， 式( 2 3 0 ) 中：男水平面内的有效反散射体的占地特性面积： k 观察区水平面内的有效反射体数目： 墨第i 个有效反射体的平均占地面积； s 观察作用区面积； 为便于理论分析，式( 2 3 0 ) 变形为 c s = b ( 2 3 1 ) 从式( 2 - 3 1 ) 中可以看出参数c 的意义和作用。作用区地形地物参数和观察作用 区面积、水平面内的有效反散射体的占地特性存在比例关系。 2 4 高速铁路电波传播统计特性 在深入了解了移动通信小尺度衰落的信道特性的基础上， 下的电波传播特性，电波在传播的数学模型如下： 设基站台发出信号为 ( f ) = a ( t ) e s 2 。i g 分析高速铁路运动环境 ( 2 3 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 则经过电波传输后，移动台所接收到的信号表示为 s ( f ) ：兰q 五( 卜t a t i ) e j ( 2 z t f c t - 2 z t 2 ( 2 - 3 3 ) 式( 2 3 3 ) 中：口( ) 基带信号载波调制后的复包络 f 载波频率 二一移动台收到的多径传播径数 a i 第f 路电波传播衰减系数 & 。第i 路电波相对传播时延 1 ，移动台移动速度 8 第f 路电波的入射方向与移动台运动方向的夹角 仍第f 路电波的随机相位 由以上公式可以得出，接收端所收到信号通过移动信道传输后，信号的包络和相 位依赖于多径传播的入射波径数，传播时延缸，衰减系数a ，随机相位以及各路径 波的入射方向与移动台运动方向的夹角房。要计算出移动台的接收信号，首先必须了 解n 、a ，、a t i 和岛各个量的变化规律【3 】。 电波传播的瞬时统计特性一向被认为是陆地移动通信电波传播中极其重要而又十 分复杂的问题。研究这种特性的基本思想是：以移动接收台为观测点，将入射波的传 播过程分为两个步骤，一是相对于观测点为中心的次级波源的直射波入射；二是相对 于发射天线到邻近移动台周围的次级波源之间作用区内的散射波传播【2 3 1 。对于机车移 动台来说，可以观测到近区入射角度、入射波的数目、相对位置以及多普勒频移等信 息；对于入射波的相对传播路程、时延、衰减系数等特性来说，仍决定于散射波传播 过程中2 2 1 。本节遵循这一思路，逐一讨论这几个重要参数。 2 4 1 入射角的分布特性 在高速铁路地理环境下，对入射角分布的研究分为方位角和仰角两部分讨论。在 方位角上假定入射波为均匀分布，其分布密度函数为： p ( 妒) = j _ 0 矿2 n ( 2 3 4 ) 虽然移动台通常工作在地面上，但是地形起伏有可能使铁轨路基面高于反散射点 位置，所以，仰角可能取负值。入射角倾角的分布采用高斯分布【6 1 ，其分布密度函数如 下： 加，= 去e 冲 一 0 - m e a n z ) o 岛后= 。，1 ，2 ( 2 4 1 ) 考虑到电波所能走过的最长路程近似为小区覆盖半径， 台到达小区边沿处所需要的传播时间。所以有 s d d t - t o2 c 故取间隔时间为车站基地 ( 2 4 2 ) 式( 2 - 4 2 ) 中，s 为援收灵敏度，d 为小区覆盖半彳仝。 假设n ( 0 ) = 0 ，可以推知泊松过程的均值和方差函数分别为： e ( 川 = 名( f 一乇) = 百c ( s d - d ) ( 2 - 4 3 ) d n ( f ) = 玩，| i n ( f ) 】- 百c ( s d - d ) ( 2 - 4 4 ) 2 、多径传播时延多径数变化时间间隔的分布 在实际的多径传播问题中，通常对径数的观察，不仅要考虑相对于一定时间间隔 中的径数数目统计，还要考虑由于运动产生的时延径数变化速率。 由文献5 1 中知电波出现的时刻是一个强度为五的泊松流，第刀条电波路径出现的等 待时间以是一个随机变量，其分布函数可用下式表示： 删：m 譬舢 沼4 5 ， l 0t 0 ( 2 _ 4 7 ) 该指数分布的均值函数和方差函数分别为 ( f ) 、：了1 ：e l _ u ( 2 4 8 ) 础m 2 = ( 警) 2 4 9 ， 这里求出的时延径间距只与地形参数有关系，是一个静态值。但是在实际过程中 还与移动体在反散射体之间的速度有关，当移动体速度高时，径数变化时间间隔短一 些，移动体速度慢时，径数变化时间间隔长一些。所以要对指数分布的参数进行修正【5 1 。 e ( f ) ：e l u e l u 2 ( 2 5 0 ) c cv 珧，= ( 警- 半 2 协5 ， c ( 一 v 3 、数值计算分析 ( 1 ) 利用上述对电波瞬时径数统计特性的分析，在基站覆盖半径为l o k m ，移动台距离 基站距离为5 k m ，地物占有系数为0 2 ，地形波动高度为4 0 m ，在不同的地形起伏因子 0 30 51 0 】的环境下，对电波径数瞬时统计特性进行仿真。 瞬时径数分布统计直方图 象 t ，的任意时刻，其总的反散 射次数与t ，以前的反散射次数无关，只与t ，时刻的总反色散次数，有关； ( 2 ) 电波在充分小的时间间隔f 内，最多只能发生一次反散射而不可能发生两次以 上反散射； ( 3 )a t 越大，电波发生反散射的可能性也越大，f 越小，电波发生反散射的可能性 越小； ( 4 ) 电波传播过程中发生反散射的概率与已经发生反散射的次数有关，已发生反散 射的次数越多，再发生反散射的可能性越小，已发生反散射次数越小，再发生 反散射的可能性越大； ( 5 ) 在互不重叠的时间间隔 t o ，t l 】、【t it 2 内，反射散次数的增量相互独立变化； ( 6 ) 对传播过程中的任一无线电波路径来说，发生反射散次数在其传播过程中只会 增加或保持不变，不可能减少； ( 7 ) 对于传播过程中的任意无线电波路径，其发生反散射次数是在一个有限的容量 状态空间中，不可能无限多； ( 8 ) 对于传播过程中的任意无线电波传输路径，其反散射次数k 的变化与初始时刻 的选取无关，仅与初始状态的选取有关。 由以上特点得出反散射次数的统计特性服从泊松过程。 n ( t o , t ) ： 2 ( t i - 了t o ) 一 ke x p 一旯o 一气) ) f t o j j ：0 ，1 ，2 ( 2 5 2 ) 反散