高速鐵路 (High-Speed Railway,HSR) 下的無線通信與經(jīng)典場景下的無線通信的研究有很大的差異，HSR場景下的無線通信特點(diǎn)之一是用戶移動速度非常快，這會致使基站與用戶之間產(chǎn)生嚴(yán)重的多普勒效應(yīng)，對無線通信質(zhì)量產(chǎn)生巨大的影響。本文是基于羅德與施瓦茨公司生產(chǎn)的矢量信號源SMBV100A以及基帶信號發(fā)生器與衰落模擬器AMU200A對高速鐵路場景下的無線信道進(jìn)行仿真，研究其多普勒的變化情況。

Abstract: Wireless communication of high speed railway (HSR) is different from the classic scenarios, one of thecharacteristics of HSR wireless communication scenarios is the mobile users moving very fast, which will causeserious Doppler effect between the base station and the users and it has a great effect on the quality of wirelesscommunications. This paper is based on the vector signal source SMBW100A and the channel fading simulatorAMU200A produced by Rhodes and Schwartz to simulate the wireless channel under high-speed railway scenario, andstudy the change Doppler shift.

Key words: High speed railway; Doppler shift; SMBV100A; AMU200A

1. 引言

近年來隨著我國HSR的快速發(fā)展，HSR已經(jīng)成為我國的國家級的標(biāo)志性成就，并推動我國經(jīng)濟(jì)又好又快的發(fā)展。目前我國是世界上HSR發(fā)展最快、系統(tǒng)技術(shù)最全、集成能力最強(qiáng)、運(yùn)營里程最長、運(yùn)行速度最高、在建規(guī)模最大的國家[1]。HSR作為現(xiàn)代人們出行的主要方式，是以高速度、大容量、低污染、安全可靠的特點(diǎn)著稱的先進(jìn)的交通工具。HSR場景下的無線信道研究成為了通信學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。HSR場景的無線通信主要一部分業(yè)務(wù)是基于對列車行駛狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控與控制，這是保證安全列車行駛必不可少的；另一部分是主要保證列車上旅客的實(shí)時通信質(zhì)量[2]。HSR場景下的無線信道與經(jīng)典的場景下的無線信道有很大差異，經(jīng)典的無線信道場景用戶大部分是靜止或者是低速運(yùn)動的狀態(tài)，而HSR景下的無線信道用戶移動速的是處于高速移動的的狀態(tài)，移動速度可達(dá)到200~300km/h，這就會由于多普勒效應(yīng)使基站與用戶之間產(chǎn)生巨大頻差對無線通信產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。因此研究其快變多普勒變化規(guī)律是對保證高鐵場景下的無線通信質(zhì)量至關(guān)重要的。本文是基于羅德與施瓦茨公司生產(chǎn)的矢量信號源SMBV100A以及基帶信號發(fā)生器與衰落模擬器AMU200A對高速鐵路場景下的無線信道進(jìn)行仿真，研究其快變多普勒的變化情況。

2. 仿真系統(tǒng)

如圖1所示為本次仿真系統(tǒng)，主要包括了信號發(fā)生器、基帶信號發(fā)生器與衰落模擬器、時鐘單元以及數(shù)據(jù)采集單元。信號發(fā)生器采用的R&S SMBV100A，該設(shè)備能夠提供卓越的RF性能，以及非常高的輸出電平和非常短的信號建立時間。同時SMBV100A可以配備一個內(nèi)部基帶信號發(fā)生器，從而可以生成多種數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)信號 (如WiMAX、HSPA+、LTE ) ，9 kHz到6 GHz 的寬頻率范圍，覆蓋了數(shù)字調(diào)制使用的所有重要頻段。基帶信號發(fā)生器與衰落模擬器采用的R&S AMU200A設(shè)備，其實(shí)現(xiàn)的功能是信道衰落仿真以及生成基帶信號，該模塊支持預(yù)定義的衰落場景，包括頻點(diǎn)、多徑色散、多普勒擴(kuò)展、角度色散等衰落特征。時鐘單元采用的銣原子鐘進(jìn)行同步授時，確保收發(fā)兩端時鐘一致。數(shù)據(jù)采集單元主要是對輸出信號下變頻、采集存儲以及相關(guān)的數(shù)據(jù)處理。本文主要利用AMU200A仿真高鐵衰落場景生成基帶信號，通過IQ兩路將基帶信號輸入SMBV100A，再經(jīng)過SMBV100A上變頻通過電纜直接饋送到信道測量設(shè)備。

圖1 仿真系統(tǒng)

3. 仿真原理及結(jié)果

如圖2所示，為高鐵場景下的無線覆蓋圖，D為基站到火車的距離，基站覆蓋的半徑為S。在火車運(yùn)動過程多普勒頻移大小可以表示為：fd(t) = vfccosθ/c，其中fc為載波頻率，v為火車移動速度，θ為接收信號與速度方向的夾角，c為光在真空中傳播速度。

圖2 高鐵場景的無線覆蓋

本文中AMU200A進(jìn)行高鐵場景衰落仿真，設(shè)置相關(guān)參數(shù)D=1 m，S=50 m，v=20 m/s；SMBV100A設(shè)置載波頻率fc=1.4725 GHz，因此火車在移動過程可產(chǎn)生最大多普勒fmax=100 Hz。如圖3所示為仿真結(jié)果，當(dāng)列車從遠(yuǎn)處駛向第一個基站BS1時，速度方向與電波方向夾角θ <90o，此過程多普勒頻移為正值。由于基站離列車距離很近(S>>D)，在列車駛向BS1時θ≈0°，fd=100 Hz；當(dāng)列車到達(dá)基站時θ=90o，fd=0 Hz；當(dāng)列車遠(yuǎn)離BS1時θ≈180o，fd=-100 Hz。同理當(dāng)列車駛出BS1覆蓋區(qū)進(jìn)入BS2覆蓋區(qū)時，多普勒頻移大小變化規(guī)律與經(jīng)過BS1過程一致。

圖3 測試結(jié)果

4. 結(jié)束語

本文使用基帶信號發(fā)生器與衰落模擬器R&S AMU200A以及矢量信號源R&S SMBV100A搭建高鐵場景的信道衰落仿真系統(tǒng)，仿真測試結(jié)果合理的體現(xiàn)了高鐵場景下的多普勒頻移變化規(guī)律。R&S AMU200A 與R&S SMBV100A具有良好的性能以及靈活便捷的參數(shù)設(shè)置可以滿足高鐵場景下的信道衰落仿真，可以積極地推動高鐵無線信道的研究發(fā)展。