一种高速铁路平原小尺度无线信道模型构建的方法和装置技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种构建高速铁路复合无线信道模
型的构建方法和装置
背景技术
近年来，我国高速铁路(以下简称“高速铁路”)成套技术的进步举世
瞩目，高速铁路已经成为国家级的标志性成就中国铁路坚持原始创新、集成创
新和引进消化吸收再创新相结合，构建了具有自主知识产权和世界先进水平
的高速铁路技术体系。目前，我国已经成为世界上高速铁路发展最快、系统技术
最全、集成能力最强运营里程最长运行速度最高在建规模最大的国家。
随着高速铁路的发展，铁路信息化要求车地之间的通信数据越来越多。
一方面，列车运行、列车安全监控、维护等实时信息需要传送到地面上，满足铁
路路网对移动体(机车、车辆等)实时动态跟踪和信息传输的需要；另一方面，
以旅客为主体的移动信息，需要在车地之间实时传送。随着社会信息化的进一
步发展，旅客通信业务需求在整个车地通信传输中的比重将越来越大。旅客通
信业务主要为乘客提供与旅行相关的公共信息服务和与公众通信网相连的
移动电话移动电视互联网业务等宽带接入业务乘客在旅途中，必须实时信息
在线。信道是通信系统设计的基础，准确认知无线信道是设计通信系统的前提
条件，它为通信系统原型机设计和系统、链路级仿真提供真实参考，因此高速
铁路无线信道随之成为研究的首要问题
当高速列车穿越基站时，出现Doppler快速变化点，即从一个极端频偏
向另一个极端频偏迅速变化。若在隧道场景下，轨道到基站的距离更近，其
Doppler切换变化将更加剧烈，此时系统传输经历Doppler频偏的急剧变化。
然而，现有标准化模型中，均未有高速铁路场景下平原模型，现有场景
信道模型难以准确刻画高速铁路平原无线信道模型。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高速铁路平原小尺度无线信道模型
构建的方法和装置，得到准确的高速铁路平原无线信道模型。
为了解决上述问题，本发明公开了一种高速铁路平原小尺度无线信道模
型构建的方法，包括：
步骤101、将高速铁路平原无线信道分为远端子信道，接近子信道，靠近
子信道和到达子信道；
步骤102、确定各子信道的可分辨多径数K因子，多径时延特征和Doppler
特征
优选的，步骤102具体包括：
A1、确定远端子信道的可分辨多径数K因子，多径时延特征和Doppler
特征；
A2、确定接近子信道的可分辨多径数K因子，多径时延特征和Doppler
特征；
A3、确定靠近子信道的可分辨多径数K因子，多径时延特征和Doppler
特征；
A4、确定到达子信道的可分辨多径数K因子，多径时延特征和Doppler
特征；
优选的，所述的子信道包括抽头延迟线模型或者簇延迟线模型。
优选的，所述的抽头延迟线模型或者簇延迟线模型包括时间延迟域信息、
Doppler域信息、空间域信息。
优选的，根据测试和仿真需求，调整平原无线信道带宽，和在远端子信
道、接近子信道、靠近子信道、到达子信道的参数。
本发明还公开了一种高速铁路平原小尺度无线信道模型构建的装置，包
括：
分配模块，用于将高速铁路平原无线信道分为远端子信道，接近子信道，
靠近子信道和到达子信道；
确认模块，用于确定各子信道的可分辨多径数K因子，多径时延特征和
Doppler特征
优选的，所述的确认模块包括：
子模块一，用于确定远端子信道的可分辨多径数K因子，多径时延特征
和Doppler特征；
子模块二，用于确定接近子信道的可分辨多径数K因子，多径时延特征
和Doppler特征；
子模块三，用于确定靠近子信道的可分辨多径数K因子，多径时延特征
和Doppler特征；
子模块四，用于确定到达子信道的可分辨多径数K因子，多径时延特征
和Doppler特征；
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通过将高速铁路平原模型分为远端子信道，接近子信道，靠近子
信道和到达子信道，构建了一种准确的平原高速铁路小尺度无线信道模型，
提高测试和仿真时的准确性
附图说明
图1是本发明一种高速铁路平原小尺度无线信道模型构建的方法流程
图；
图2是本发明优选的一种高速铁路平原小尺度无线信道模型构建的方法
流程图；
图3是本发明一种高速铁路平原小尺度无线信道模型构建的装置结构
图；
图4是本发明优选的一种高速铁路平原小尺度无线信道模型构建的装置
结构图；
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
具体实施方式对本发明作进一步详细的说明
参照图1，示出了本发明一种速铁路平原小尺度无线信道模型构建的方
法流程图
步骤101、将高速铁路平原无线信道分为远端子信道，接近子信道，靠近
子信道和到达子信道；
通常，无线信道可建模为离散多径信道模型，在高速移动条件下具有时
变多径性如果多径信道包含若干可分辨多径，那么这样的信道建模称为离散
多径信道，通常这种信道建模方法需要确定的参数包括可分辨多径抽头增
益，可分辨多径抽头延时，可分辨多径的径数。如果是时变信道，还必须包括
可分辨多径的多普勒功率谱，它描述了对应多径分量的时变特征，假设可分
辨多径数为K，则接收信号可写为：
y ~ ( t ) = Σ n = 1 K a ~ n ( τ n , t ) s ~ ( t - τ n ( t ) ) ]]>
其中，是发射信号，τn(t)是第n条可分辨径的延时，是
相应路径增益。这里假设多径分量的数量和延迟的结构的变化相对于的变
化慢，因此在仿真延迟τn(t)是常数，上式可以修改成为：
y ~ ( t ) = Σ n = 1 K a ~ n ( τ n , t ) s ~ ( t - τ n ) ]]>
按照现场测试数据，将平原分为四个部分，分别是列RA，TA，CA，
AA四个阶段
优选的信道带宽为5MHz：根据利用商用信道测量仪Propsound，在高
铁实际场景测量结果，可以得到：
当收发天线距离大于1500m时，此位置为远端(remote area-RA)；当
收发天线距离小于1500m而大于560m时，此位置为接近(toward area-TA)；
当收发天线距离小于560m而大于360m时，此位置为靠近(close area-CA)；
当收发天线距离小于20m时，此位置为到达(arrival area-AA。)其中为CA
和AA之间的部分，也涉及到多径的变化过程，两个部分是对应，因此CA
和AA之间的部分，可以由TA段代替。按此四个位置将平原信道分为远端子
信道(remote area-RA)，接近子信道(toward area-TA)，靠近子信道close area
-CA)和到达子信道(arrival area-AA)；
在实际中，当高速火车从远端靠近基站时，从远到近将平原分成远端，
接近，靠近，到达四个阶段，相应的构建远端子信道(remote area-RA)，
接近子信道(toward area-TA)，靠近子信道close area-CA)和到达子信道
(arrival area-AA)四个子信道；当高速火车从基站开始远离时，同上面原
理，从近至远也构建到达子信道(arrival area-AA)，靠近子信道close area
-CA)，接近子信道(toward area-TA)和远端子信道(remote area-RA)四
个子信道。
其中各子信道模型包括抽头延迟线模型或者簇延迟线模型。所述的抽头
延迟线模型或者簇延迟线模型包括时间延迟域信息、Doppler域信息、空间域信
息。其中，时间延迟域信息包括平均延迟等Doppler域信息包括多普勒频谱等
空间域信息包括平均路径增益等
步骤102、确定各子信道的可分辨多径数K因子，多径时延特征和Doppler
特征
在将平原分为远端子信道，接近子信道，靠近子信道和到达子信道后，
将各个子信道的可分辨多径数K因子，多径时延特征和Doppler特征进行确
认其中，多径时延特征包括时间域信息，和/或空间域信息；Doppler特征包
括多普勒频谱
其中本步骤具体可以包括：
步骤A1、确定远端子信道的可分辨多径数K因子，多径时延特征和
Doppler特征；
步骤A2、确定接近子信道的可分辨多径数K因子，多径时延特征和
Doppler特征；
步骤A3、确定靠近子信道的可分辨多径数K因子，多径时延特征和
Doppler特征；
步骤A4、确定到达子信道的可分辨多径数K因子，多径时延特征和
Doppler特征；
其中，路径K因子可用如下方法确定，但不局限于此其中μs为微秒，
为分见。
Rice的概率密度函数为：
P ( r ) = r σ 2 · exp ( - r 2 + s 2 2 σ 2 ) · I 0 ( - r · s σ 2 ) ]]>
根据莱斯分布的任意阶矩的表达式：
μ n = E [ r n ] ( 2 σ 2 ) n 2 exp ( - K ) Γ ( 1 + n 2 ) F 1 ( 1 + n 2 ; 1 ; K ) ]]>
其中，Γ(·)是伽马函数，F1(·)为合流超几何函数，该矩偶次矩有闭式表
达为：
μ 2 = E [ r 2 ] = s 2 + 2 σ 2 = 2 σ 2 ( K + 1 ) ]]>
μ 2 = E [ r 2 ] = 8 σ 4 + 8 σ 2 s 2 + s 4 ]]>
μ 2 2 μ 4 2 = ( 1 + K ) 2 K 2 + 4 K + 2 ]]>
方程左边可通过测量得到，右边含K表达式可以通过如下计算得到：
K = - 2 μ 2 2 + μ 4 - μ 2 μ 2 2 - μ 4 μ 2 2 - μ 4 ]]>
多径延时域特征可以由如下方法确定：
首先，接收机接收高铁场景下的信号，在本地进行信道估计获取信道冲
击响应信息；然后对信道冲击响应信息进行统计，统计方法可采用基于时间
间隔的簇分离法或者基于功率衰落的功率分离法
Doppler特征可以由如下方法确定：
首先设定CIR(Impulse response of channel，信道冲激响应)的噪底
和阈值，而后选择第一径信号的冲击响应h（t），然后开窗统计若干样本冲击
响应的相关函数，最后对相关函数进行傅里叶变化得到第一径的Doppler功
率谱
RA、TA、CA、AA四段的延时域和Doppler特征如下表所示。其中Pure
frequency(纯频率)的值由如下(1)-(4)确定。
cos θ ( t ) = D s / 2 - vt D min 2 + ( D s / 2 - vt ) 2 , 0 ≤ t ≤ D s / v - - - ( 1 ) ]]>
cos θ ( t ) = - 1.5 D s + vt D min 2 + ( - 1.5 D s + vt ) 2 , D s / v ≤ t ≤ 2 D s / v - - - ( 2 ) ]]>
cosθ(t)＝cosθ(t mod(2Ds/v)) (3)
因此，Doppler频偏为：
purefiequency = v λ cos θ ( t ) - - - ( 4 ) ]]>
下表为带宽为5MHz时的各子信道的抽头延迟线模型：其中Tap Number
表示抽头数，Average Delay表示平均延迟，Average Path Gain表示平均路
径增益，Doppler Spectrum表示多普勒频谱，K factor表示K因子，dB表示
分贝，ns表示纳秒。
远端子信道(remote area-RA)
接近子信道(toward area-TA)
靠近子信道close area-CA)
到达子信道(arrival area-AA)
其中，簇延迟线模型可以用如下方法构建：
对于cluster的理解如下：若干条射线组成一个cluster，称之为簇cluster和ray
其实即为径和子径的关系。duster可理解为空间(时间和角度)上可区分的传
播径。步骤包括：
步骤s1生成时延；
步骤s2生成cluster功率；
步骤s3生成波达角度和离开波角度；
步骤s4子径的随机配对；
步骤s5生成子径下的交叉极化功率比；
步骤s6对每个cluster中的每条子径生成随机初始相位；
步骤s7生成接收天线u，发射天线s之间第n条cluster上的信道系数；
步骤s8对功率最强的两个cluster，划分为3个子簇
其中，簇延迟线模型包括了时间延迟域信息、Doppler域信息、空间域信息。
在实际中根据测试和仿真需求，调整平原无线信道带宽，和在远端子信
道、接近子信道。靠近子信道、到达子信道的参数，这些参数包括时间延迟域信息、
Doppler域信息和空间域信息。
相应的本发明还提供了一种高速铁路平原小尺度无线信道模型构建的
装置，包括：
分配模块，用于将高速铁路平原无线信道分为远端子信道，接近子信道，
靠近子信道和到达子信道。
确认模块，用于确定各子信道的可分辨多径数K因子，多径时延特征和
Doppler特征
其中，所述的确认模块包括：
子模块一，用于确定远端子信道的可分辨多径数K因子，多径时延特征
和Doppler特征
子模块二，用于确定接近子信道的可分辨多径数K因子，多径时延特征
和Doppler特征
子模块三，用于确定靠近子信道的可分辨多径数K因子，多径时延特征
和Doppler特征
子模块四，用于确定到达子信道的可分辨多径数K因子，多径时延特征
和Doppler特征
通过上述阐述，按照本发明的高铁复合信道模型构建方法，可以构建出
符合实际情况下的信道模型，整个信道模型具有良好的实用性，真实刻画了
高铁多场景变化特征，在此基础上进行测试和仿真，改进和完善现有和新型
调制技术通信协议和编码方案，提高高铁宽带无线接入的质量。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明
的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见
即可对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较
简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上对本发明所提供的一种高速铁路平原小尺度无线信道模型构建的方法
和装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式
进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明构建的方法及其核
心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实
施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为
对本发明的限制。