（通信与信息系统专业论文）铁路无线场强本地均值评估方法研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：铁路无线场强本地均值( 也称为本地平均功率) 评估问题是铁路无线移动 通信系统的核心问题之一，对于保证网络服务质量具有重要意义。统一的场强评 估标准有利于网络建设，维护及优化。本文结合中国铁路g s m r 应用背景和现有 不同分布模型下的本地均值估值理论，对抽样均值估计算法( s m e ) 中的统计区 间和抽样点数量两个参数分别在铁路环境下进行分析，通过单双楔形大尺度衰落 模型对l e e 氏积分法进行扩展，在不同最近有效距离、e l u 数值以及地形起伏程度 情况下，确定样本统计区间上限并最终给出取值范围。以上结论为路测相关参数 选取提供了有力依据。 论文通过小尺度衰落模型和相关性分析确定抽样点数量及样本间隔，证明瑞 利模型下的抽样点选取与列车速度无关，莱斯分布环境下抽样点数与直射波幅度 存在密切关系。此外为提高空中接口数据利用效率，文中利用机车台不间断上报 的测量报告取代路测数据的思想，通过三次样条插值和最小均方误差等数值分析 方法对铁路环境各区段的路径损耗指数进行估算。如果样本数量大于5 ，估值效果 良好；该算法对于不同衰落分布及幅度均可收到良好效果。 最后，论文创新性地提出用维纳过程近似铁路无线本地均值模型的设想，用 线性漂移法描述列车移动过程中经历的路径损耗，而地形因素由变参表示，从理 论上构建了场强评估方法的基础。全文采用青藏线路测数据与模型仿真相结合的 方式证明评估方法可行性，所得结论对工程实践有一定指导意义。文中所得结论 可直接应用于覆盖质量验收，轨道沿线地形校准和小区规划等方面。 关键词：本地均值；统计区间；楔形绕射模型；三次样条插值；维纳过程 分类号：t n 9 2 9 5 2 ：u 2 8 5 21 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h ea s s e s s m e n to fr a i l w a yw i r e l e s sf i e l d s t r e n g t hl o c a lm e a n s ( a l s o k n o w na st h el o c a la v e r a g ep o w e r ) i so n eo ft h ec o r ei s s u e so ft h er a i l w a yw i r e l e s s m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et o g u a r a n t e et h eq u a l i t yo f n e t w o r ks e r v i c e ，a n dau n i f o r ms t a n d a r do ff i e l ds t r e n g t ha s s e s s m e n ti sa d v a n t a g e o u s t o n e t w o r kc o n s t r u c t i o n ，t h em a i n t e n a n c ea n dt h e o p t i m i z a t i o n i nt h i sp a p e r , w i t h d i f f e r e n ta p p l i c a t i o nb a c k g r o u n do fg s m ri nc h i n aa n dt h ee x i s t i n gd i s t r i b u t i o nm o d e l u n d e rt h el o c a lm e a n sv a l u a t i o nt h e o r y , t w op a r a m e t e r so ft h ea v e r a g ee s t i m a t eo f s a m p l i n gm e t h o d ( s m e ) ：t h es t a t i s t i c a ls a m p l i n gp o i n tr a n g e ( p r o p e rl e n g t h ) a n dt h e a m o u n t sa r er e s p e c t i v e l ya n a l y z e du n d e rt h er a i l w a ye n v i r o n m e n t t h r o u g ht h es i n g l e a n dd o u b l ew e d g e l a r g e 。s c a l ee f f e c t sm o d e lt oe x p a n dl e e si n t e g r a t i o n ，p r o p e rl e n g t h i sd e t e r m i n e da n de v e n t u a l l yt h er a n g ei sg i v e n t h eu p p e rl i m i to ft h e p r o p e rl e n g t hi s l o w e rt h a ns o m ec e r t a i nv a l u eo f w a v e l e n g t hw h i l et h er e c e n t l ye f f e c t i v er a n g e ，e l uo r t h eh y p s o g r a p h y d e g r e ec h a n g e s t h ea b o v ec o n c l u s i o np r o v i d e dt h ep o w e r f u lb a s i sf o r t h es e l e c t i o no fr e l a t e dp a r a m e t e ri nr o a dt e s t t h r o u g ht h es m a l l s c a l ee f f e c t sm o d e la n dr e l a t e da n a l y s i s ，t h en u m b e ro f s a m p l i n gp o i n t sa n dt h es a m p l ei n t e r v a la r ed e t e r m i n e d i ti sp r o v e di nt h ep a p e rt h a tt h e s a m p l i n gp o i n ts e l e c t i o nh a sn o t h i n gt od ow i t ht h el o c o m o t i v em o v i n gv e l o c i t yu n d e r r a y l e i g hd i s t r i b u t e s m o d e l ，a n dt h e r ei sac l o s er e l a t i o nb e t w e e nt h en u m b e ro f s a m p l e sa n dt h ed i r e c tw a v es c o p eu n d e rr i c ed i s t r i b u t e s e n v i r o n m e n t t h ei 0 a dt e s t d a t ai sr e p l a c e db yt h eu n i n t e r r u p t e du s eo fl o c o m o t i v em e a s u r e m e n t r e p o r tt or a i s et h e e f f i c i e n c yo fu m d a t ap r o c e s s i n g t h r o u g hc u b i cs p l i n ei n t e r p o l a t i o na n dt h em i n i m u m m e a ns q u a r ee l t o r ( m m s e ) a n do t h e rn u m e r i c a l a n a l y s i s ，v a r i o u sd i s t r i c t so ft h e r a i l w a ye n v i r o n m e n ta r ee s t i m a t e dt og e tt h ep r o p a g a t i o nl o s si n d e x i fs a m p l eq u a n t i t y i sb i g g e rt h a n5 ，t h ee s t i m a t ev a l u ei sg o o de n o u g h ；t h e a l g o r i t h mm a yr e c e i v et h eg o o d r e s u l t sr e g a r d i n gt h ed if f e r e n tf a d i n gd i s t r i b u t i o na n dt h es c o p e f i n a l l yt h ew e i n e rp r o c e s si si n n o v a t i v e l yp u tf o r w a r dt os i m i l a rt ot h ew i r e l e s s l o c a lm e a nm o d e l ，t h ep a t hl o s sd e v e l o p e dd u r i n gl o c o m o t i v em o v e m e n ta r ed e s c r i b e d w i t ht h el i n e a rd r i f tm e t h o d ，a n dt h et e r r a i na f f e c t sd e n o t e d b ys o m ec h a n g i n gp a r a m e t e r ， s oaf i e l da s s e s s m e n tm e t h o d si sc o n s t r u c t e d t h e o r e t i c a l l y i nt h i sp a p e raw a yo f c o m b i n a t i o no ff i e l ds t r e n g t ht e s td a t at r i a l so nt i b e tr a i l w a yl i n ea n ds i m u l a t i o n m o d e li s a d o p t e dt op r o o ft h ef e a s i b i l i t yo ft h ea s s e s s m e n t ，a n di th a sc e r t a i n 北京交通大学硕+ 学位论文 s i g n i f i c a n c et og u i d et h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e t h eo b t a i n e dc o n c l u s i o ni n t h i sp a p e r m a ya p p l yd i r e c t l yi nt h ec o v e rq u a l i t ya s s e s s m e n t ，t e r r a i np a r a m e t e ra d j u s t m e n ta l o n g t h er a i la n dt h ec e l ll a y o u td e s i g n k e y w o r d s ：l o c a lm e a n ；p r o p e rl e n g t h ；w e d g ed i f f r a c t i o nm o d e l ；c u b i cs p l i n e i n t e r p o l a t i o n ；w e i n e rp r o c e s s c l a s s n 0 ：t n 9 2 9 5 2 ：u 2 8 5 21 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 以多沼矸导师签名：健。匀f j 签字同期： 矽罟年月f 口日签字日期：二p 毋年月o 日 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 够酬 签字同期：矽酽年 月e l 7 l 致谢 本论文的工作是在我的导师朱刚教授的悉心指导下完成的，在我攻读硕士学 位期间，朱刚教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。 在学术上，朱老师精益求精、诲人不倦，从课程学习，实验室科研及撰写论文等 各个方面给予我深刻的指导，这些指导对我今后的学习和工作都会产生重要的影 响。朱老师经常教导我先学做人再学做事的治学原则，培养我作为一名科技工作 者所必备的思想道德素质，为今后更好的融入社会、贡献社会指点方向。在此衷 心感谢两年来朱刚老师对我的关心和指导。 钟章队教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在我攻读硕士学位期间， 钟老师注重培养我良好的工作习惯和严谨的工作作风，给我创造优越的实验及实 践条件，在科研中遇到困难时，钟老师总能给予我必要的指导，使我在工作和学 术上获得不断提高。在此向钟章队老师表示衷心的谢意。 实验室的其他老师对我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，并且为 我提供了丰富详尽的参考资料，这些帮助为我成功撰写论文创造了有利条件，在 此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，陈乐师兄为我提供了关键的数据支持及理论 指导；在我遇到难题时及时地为我答疑解惑，付听宇、杨杉等同学也为我提供了 许多文献资料，在学术讨论中使我得到进步。在此向他们表达我的感激之情。 另外也要深深地感谢我的父母、奶奶，他们对我的生活给予了无微不至的关 怀，减轻了我学业中的压力，是他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学业。 我在一个团结、务实、高效的实验室团队里学到了无数专业知识，和老师同 学们一起攻克科研难关，语言不能穷尽我的感激之情，我会铭记大家对我的帮助 和厚爱，用我的一生去奋斗和回报。 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出及意义 陆地移动通信系统的传播环境不同于固定无线通信系统。移动台天线很低， 电波的传播易受到高大建筑物以及树木、丘陵的遮挡，移动台接收到的信号通常 是多径信号的反散射波和绕射波的叠加合成。同时，移动台不断运动，周围环境 也不断变化，无线信道易受到噪声、干扰和其他信道因素的影响，而且由于用户 的移动和信道的动态变化，这些因素还在随时间随机变化，说明无线信道要成为 一种可靠的高速通信媒质存在严峻的挑战，因此需要找到行之有效的方法来衡量 并分析信道状况，为移动通信系统建网提供依据。传播理论和大量实验研究结果， 为人们合理设计和规划无线通信系统以及工程设计指标提供了依据。 列车移动通信与一般的陆地移动通信在很多方面都存在着很大的不同。由于 列车经过的线路环境与城、郊汽车移动无线环境差别很大，由此产生的多径效应 影响加大，场强的变化速率范围可以达到数十分贝，多径时延对通信质量的影响 加大；由于沿着铁路线路移动，地面车站电台的场强覆盖区域是沿着铁路线的一 个带状区域，这不同于公网中为加大频谱利用率应用的面状覆盖，相应算法应加 以修正；多普勒效应n i l 0 ，对接收信号的误比特率的影响已经不能忽略；汽车或 个人移动台一般随局部地形起伏而起伏移动，但是铁路路线在起伏的地形中横穿 而过，几乎不随局部地形起伏而变化，这种特点使得铁路通信环境中阴影效应明 显，故而必须将其纳入考虑范围之中。 因此，陆地移动通信系统的很多结论直接套用到铁路移动通信环境上是不适 用的，需要通过具体的实验及理论分析，对已有的结论进行修正和改进，才能够 用于铁路移动通信的实际环境中去。 目前我国铁路通信信号系统发展缓慢，铁路沿线的无线网络规划还存在很多 不足，针对铁路的无线电波传播和场强分析方面的研究更是鲜见。以前对于陆地 高速移动体发射和接收电波的动态特性的研究，只局限于较低移动速度范围之内 的场强预测和弱场发现，但对瞬时接收场强的动态变化却无能为力。而且，随着 通信技术的快速发展，g s m - r 将成为未来高速铁路无线列调通信方式。因此，以前 在无线电波传播和场强分析方面的研究，由于缺乏针对铁路环境特性专门的丌发， 更缺少和g s m - r 等现有新技术、新模式的有机结合，在目前已经远远不能满足铁 路通信在高速化、信息化上的应用需要，甚至已经严重影响了基于铁路无线通信 北京交通人学硕士学位论文 的发展和我国铁路交通整体水平的提高，因此对铁路环境的场强研究是非常必要 的。 1 2 研究现状 铁路环境无线场强本地均值的评估是衡量铁路移动通信系统无线信道特性重 要依据。从发表文献来看，尚不存在统一的无线场强本地均值评估理论与方法。 现有理论可以分为两类：抽样均值估计算法( s m e ) 及其改进方法和用于切换的 估计算法，他们都是围绕本地均值进行讨论的，本地均值是指无线接收信号包络 中剔出快衰落而保留路径损耗及阴影衰落的部分。它表征了无线通信系统远场信 号的稳定程度，因此不仅决定了通信链路质量，而且是影响网络规划、越区切换、 功率控制以及自动增益控制( a g c ) 等方面的重要参数，构成无线场强本地均值 评估的主要内容。本地均值估计算法包括场强测量抽样方法和抽样数据处理算法。 场强测量抽样方法分为定点抽样和移动抽样，目前主要采用效率较高的移动抽样 方式。因此，测量抽样方法内容包括：如何选择合适的移动抽样范围( 即确定样 本统计区问长度) 以及抽样点数，通过抽样数据处理算法( 一般采用平均计算) ， 消除叠加在本地均值( 由本地大尺度衰落或路径损耗决定) 之上的随机波动( 由 小尺度衰落决定) ，并得到场强本地均值估计值。 样本统计区间长度( 简称统计区闯) 选取的准确与否决定能否有效消除快衰 落信号对本地均值的影响。通常统计区间可以沿径向、区域或者带宽选取心1 ，如果 统计区间选取过小将导致快衰落消除不充分，本地均值估值误差增大；如果统计 区间选取过大，本地条件将不复成立，得到的数据不能反映某一点附近范围的场 强均值m5 引。 抽样点数目将决定估值方差。在进行无线网络场强测试时，采集的数据必须 包含全部慢衰落和部分快衰落信息，目的是将地形、地物对信号的作用反映出来， 同时又考虑到快衰落对信号产生的影响。在一定空间长度上信号抽样的点数必须 足够多，以保证采到波峰谷信号。如果抽样速率过低，抽样点太稀( 少) ，估值方 差增大，将导致测得数据都在波峰上或者都在波谷上，造成对网络覆盖的错误估 计。如果抽样点都在波峰上，测得的信号强度比实际信号强度大，这会误导建设 者认为网络覆盖良好，而实际上网络中基站数量不够，造成网络中出现覆盖盲区。 反之，如果抽样点都在波谷上，则测得的信号比实际信号小，使建设者认为覆盖 不理想，这会导致网络中设计的基站过多，从而提高建设成本并有可能造成干扰。 抽样点太密( 多) 将导致样本不能统计独立，无法通过平均处理消除随机波动影 响。此外，抽样点选取还受到接收设备能力以及运算复杂度的影响“一4 1 。 2 绪论 l e e n l 首先在理论上解决了统计区间径向长度和抽样点数确定问题，称为抽样 均值估计算法( s m e ) ，亦称l e e 氏定律。l e e 假定：快衰落( 小尺度衰落) 信号幅 度服从瑞利分布，由路径损耗决定的慢衰落( 大尺度衰落、本地均值) 服从对数 正态分布，场强抽样值( 测量值) 由快衰落与慢衰落叠加构成；然后，将本地均 值估值表为抽样值( 测量值) 在样本统计区间内积分，通过估值的一阶和二阶原 点矩，推出估值方差与积分区间( 样本统计区间) 关系表达式，并定义估值方差 对均值影响关系式，得出结论为：统计区问长度为2 0 入至4 0 入( 入为无线信号波 长) ，快衰落对信号均值的影响分别小于1 5 d b 至l d b ；l e e 进一步对样本算术平 均统计量进行推证并得出结论：在样本统计区间为4 0 入时均匀抽样3 6 个以上样本， 则其算术平均统计量与本地均值真值差( 近似等于方差) 小于等于l d b 的概率为 9 0 ，并且由于样本间距小于等于1 1 l 入，可保证样本间无关性( 只要样本间距大 于0 5 入至0 8 入) n 1 ；从而在理论上回答了能够消除快衰影响的径向样本统计区 间长度和样点数目问题，成为经典的本地均值估值算法。 w o n g & c o x 比1 根据r a o - b l a c k w e l ll e h m a n n - s c h e f f e 原理口1 ，通过最小充分统 计量t ( x ) 和修正序列h n ，仅需1 9 个样本就能保证估值标准差小于l d b ，且估值 具有最小均方误差。y o u n g - c h a ik o & m o h a m e d s l i m 提出m v u e 算法h 】，将w o n g & c o x 算法扩展到n a k a g a m i m 分布的情况。另外，a u r i e 3 为了得到均方误差， 利用b a j w a 时延一多普勒方式表示多径信道，随机选择相位( 设为均匀分布) ，通 过仿真数据与英国伯明翰两条街道( s e l l y w i c kr d m e t c h l e yp a r kr d ) 的数据对比 得到：统计区间小于5 入时，本地均值的估值标准差大于3 d b ；统计区间为2 0 入至 4 0 入，估值效果良好，小于0 8 d b ，结论与l e e 氏定律基本一致。 1 3 论文的主要内容 本文依据l e e 氏定律，对均值法本地均值评估方法进行深入研究，论文主要 在以下几个方面进行讨论： 对本地均值统计区间上限的讨论 均值法没有给出合理的统计区间上限，对于线性延展的铁路线路，统计区间 的长度显然不能无限扩展，这样不仅失去抽样点的本地特性，也会降低抽样点对 均值的作用效果，本文通过楔形绕射损耗模型，研究列车移动统计区问长度的本 地均值波动情况，寻找统计区间与山峰距离，平均地形起伏长度和列车离山峰距 离等环境参数的关系，并最终给出不同环境下统计区间上限值。 讨论铁路环境抽样点个数的选取 本文在描述接收信号概率密度函数时，将接收信号包络的幅度均值表示为多 北京交通大学硕士学位论文 径数量、多径分量幅值以及列车速度通过相位变化体现在幅度上数值的乘积，将 小尺度衰落看作是由多径效应与列车速度分别影响的结果，并从统计的角度观察 电平交叉率、时变参数仃的特性等，证明接收信号概率分布在远场与接收信号入 射波径数及列车速度无关，给出抽样点个数在铁路环境中的选取方式，为工程实 践做出必要的指导。 一基于测量报告插值的大尺度传播模型 路径损耗指数一般通过路测结果得出，笔者考虑铁路环境，利用列车的测量 报告，通过插值平均的方法确定路径损耗指数。考虑到一次测量报告抽样点可能 过于稀疏，影响估值精度，提出采用该线路多个测量样本进行计算，可以解决抽 样点不足的问题。 一维纳过程预测本地均值 传统意义上对接收信号本地均值的描述是建立在概率论的基础上，说明某位 置的电平衰落是在路径损耗曲线确定点附近的对数正态阴影，但移动台接收信号 具有时间连续性和随机性，概率统计量不能完全描述本地均值变化的全过程。本 文将与局部地形有关的阴影衰落与路径损耗陷线联系起来，用带有线性漂移的维 纳过程描述整个本地均值的预测过程。这种用连续时问参数和连续状态空间随机 过程的描述方法丰富了本地均值预测理论。 4 铁路无线信道特性及场强测试 2 铁路无线信道特性及场强测试 2 1 大尺度传播效应 大尺度衰落中主要包括路经损耗和阴影衰落。路径损耗是由发射功率的辐射 扩散及信道的传播特性造成的。在路径损耗模型中一般认为相同的收发距离，路 径损耗是相同的。阴影效应是由发射机和接收机之间的障碍物造成的，这些障碍 物通过吸收、反射、散射和绕射等方式衰减信号功率，严重时甚至会阻断信号。 由于两者在相对较大的距离上引起功率的变化，故称之为大尺度传播效应( 大尺 度衰落) 。下面将两者分开讨论。 2 1 1 路径损耗模型一两径模型 铁路轨道一般建设在郊区及开阔地带，如果将大地看为平坦反射体，那么可 以用两径模型进行描述，该模型用在单一的地面反射波在多径效应中其主导作用 的情形。接收信号由两部分组成：经自由空间到达接收端的直射分量和经过地面 反射到达接收端的反射分量。如果将反射波入射路径表示为x ，反射路径表示为， 那么忽略反射面衰减的两径模型接收信号为： 眨一删( ，) ：r e f 三| - 型竿+ 竺型至至竺鱼三# 打印 c 2 一，) 其中f = f x + x 一t ) c 是反射波相对于直射波的时延，r 是地面反射系数， , - 4 , = 瓯瓯是直射方向上发射和接收天线增益的乘积，g r = e g 是x 方向上 发射和接收天线增益的乘积n 1 。那么如果发射信号相对于时间扩展是窄带的，并且 假设收发距离很远，且收发增益相等，r = 一l ，那么两径模型下接收信号接收功率 表示为： 纠 划孚+ = 阁降 2 一孵等防2 ) 其中矽= 2 万( x + x 7 - i ) i a 是直射信号和反射信号的相位差，忽是发射天线高 度，见是接收信号高度。可见在接收功率随距离增大呈4 次方衰减。对于任意距 离，平均大尺度路径损耗表示为： p l ( d ) = p l ( d o ) + l o n l o g l o ( d d o ) ( 2 3 ) 其中，z 为路径损耗指数，d o 为近地参考距离，对于两径模型n = 4 。 北京交通人学硕士学位论文 2 1 2 阴影衰落模型 在相同的t r 条件下，预测信号与式( 2 - 3 ) 大尺度路径损耗预测平均结果有 很大差异，这就是长期阴影衰落，该衰落是指本地信号遇到地理障碍物像山峰， 或者人工障碍物像建筑，而引起的传输信号的功率变化，由其所产生的大尺度衰 落在远场区各点值都是以分贝为单位的、均值为路径损耗、方差为仃2 的高斯随机 变量，其中仃的典型值是6 d b 到l o d b ，与移动台所处的具体环境( 如地形、建筑 物的形状和密度) ，以及建筑材料有关。所以，即使在与发射机相同距离的不同位 置，所测得的信号功率可能相差很大嘲。特别在铁路环境下，地形是大尺度衰落的 主导因素。因此考虑地形因素影响后的大尺度传播损耗模型可表为： p l ( d ) = 咒( d ) + 以= p l ( d o ) + l o n l o g l o ( d d o ) + 以 ( 2 - 4 ) 其中，以为0 均值的正态分布随机变量，盯为标准差，体现地形影响。无线 信号经过传播损耗，其接收功率为： e ( d ) 【抛朋】= e d b m l - p l ( d ) d b 】 ( 2 5 ) 铁路沿线地型特征及其对大尺度传播模型的影响，将在下一节进行讨论。 2 1 3 铁路地理特征 在铁路沿线主要有车站、平原、山区、路堑、隧道、桥梁、市区、树林等地 形地物，在丘陵或山区地带势必会有很多路堑甚至山洞，这些都会给电波传播带 来不同程度的影响。当列车行驶在平原上时，主要存在地面反射，而绕射、散射 和其他反射都很弱，因而影响电波传播的因素较少。当列车行驶在山区、丘陵、 多路堑区段时，由于铁路沿线障碍物分布较多，电波会发生复杂的反射、散射和 绕射，车载台接收到的是这些电波的合成波。此时的电波会有较大衰耗，而且由 于电波发生了复杂的反射、散射和绕射，多径效应也会带来很大的影响，电波产 生明显的小尺度衰落。隧道的情况则更为复杂阳3 。 在隧道中，电波的路径损耗随着电波频率的升高反而减小，这是由于隧道对 微波形成了有效的波导，因而使频率高的电波传播状况大为改善。另外电波在隧 道里传播，会在隧道圆拱形的壁上不断地反射，导致无线电波极化方向发生变化 和旋转，在不同方向上都会有相互独立的分量，对电波传播的路径损耗产生一定 的影响。在隧道里，极化分集天线的接收效果会比较稳定。极化方向对电波传播 路径损耗的影响归纳为：对于长距离的电波传播，当天线高度小于一个波长，垂直 极化比水平极化好：天线高度大于一个波长，在阴影区垂直极化比水平极化好，在 森林或树木阻挡的地区，水平极化比垂直极化好。 6 铁路无线信道特性及场强测试 当列车在车站时，可以把车站的地形与市区地形结合在一起分析，因为车站 类似于市区，主要的影响来自于建筑物。一般情况下，基站天线位于高大建筑物 顶端或铁塔顶端，电波传播主要集中在建筑物上方的空间里，由于建筑物的阻挡， 造成阴影衰落。具体到车站，影响主要来自于站棚，有的车站还有天桥和高架通 道也会带来一定的影响。 因此在估算路径损耗时，应考虑特定地区的地形地貌因素。地形地貌可能从 简单的弯曲地表到海拔十分高的山地。有很多传播模型可用来预测不规则的地形 路径损耗。所有这些模型的目标是预测特定点或特定区域( 小区) 的信号强度， 但在方法、复杂性和精确性方面差异很大，一些常用的室外传播模型有 l o n g i e y - r i c e 模型，d u r k i n 模型，o k u m u r a 模型，h a t a 模型等n 引。 2 2 小尺度传播效应 无线通信传播介质，具有较强衰落特性，对通信质量产生较大影响。因此必 须对无线覆盖情况进行评估，这是无线通信网络建设中必不可少的环节，它对于 网络的建设成本和运行质量都存在着较大影响。由多径信号干涉也会引起接收功 率变化，通常发生在波长数量级距离上，所以称为小尺度传播效应。 2 2 1 影响小尺度衰落的因素 多径传播 信道中反射物体以及散射源的存在，构成了一个不断消耗信号能量的环境， 导致信号幅度、相位及时间的变化。这些因素是发射波到达接收机时形成的在时 间、空间上相互区别的多个无线电波。不同多径成分具有的随机相位和幅度引起 的信号强度的波动，导致小尺度衰落、信号失真等现象。多径传播常常延长信号 基带部分到达接收机所用的时问，从而产生码间干扰并引起信号模糊n 0 l 。 移动台速度 基站和移动台的相对运动会引起随机频率调制，这是由多径分量存在的多普 勒频移现象引起的。当移动台以恒定速率v 在长度为d 、端点为x 和y 的路径上 运动时，收到来自远端信号源s 发出的信号。无线电波从源s 出发，在点x 和y 分别被移动台接收时所走过的路程差为a i = d c o s 8 = v a t c o s o ，这里出是移动台 从x 运动到y 所需要的时间，p 是点x 和y 与入射波的夹角。由于远端距离很远， 可以假设x 、y 处的秒是相同的。因此，由路程差造成的接收信号相位变化值为： 7 北京交通人学硕士学位论文 矽：2 7 r a l ：2 r t v a tc o s 9( 2 6 ) 五五 由此可以得到频率的变化值，即多普勒频移： 五= 芴1 等= 云c o s 秒= 厶c 。s 秒( 2 - 7 ) 其中厶表示最大多普勒频移( 有时就称为多普勒频移) 由公式( 2 7 ) 可知， 多普勒频移与移动台运动速度以及移动台运动方向与无线电波入射方向之间的夹 角有关。若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正( 即接收信号频率上 升) ；若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负( 即接收信号频率下降) 。 信号经不同方向传播，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩散，因而增加了信 号带宽。 一环境物体的移动速度 如果无线信道中的物体处于运动状态，就会引起时变的多普勒频移。若环境 物体以大于移动台的速度运动，那么这种运动将对小尺度衰落起决定性作用。否 则，可以仅考虑移动台运动速度的影响，而忽略环境物体运动速度的影响。在第4 章中会讨论假设周围物体不移动的情况，远场接收信号模型得到的是驻波解。 - 信号的传输带宽 如果无线信号的传输带宽大于多径信道带宽，接收信号将会产生失真，但是 本地接收机信号强度不会衰落很多( 即小尺度不占主导地位) 。 2 2 2 基于多普勒扩展的小尺度衰落 相干时间和多普勒扩展是描述小尺度内信道时间色散特性方面的重要参数。 多普勒扩展是由移动无线信道的时变速率所引起的频谱展宽程度的度量 值。多普勒扩展被定义在一个频率范围，在此范围内接收的多普勒频谱为非零值。 当发送频率为五的纯正弦信号时，接收信号频谱即多普勒频谱在z 一厶至z 十五 范围内存在分量。多普勒扩展定为多普勒功率谱的宽度，有时也称为频谱展宽或 信道的衰落带宽。信号相干时问是多普勒扩展在时域的表示，它和信道的估计、 纠错和交织方案的设计等有关，是信道冲激响应保证一定相关度的时f b j 间隔。在 相干时j 日j 里，信号经历的衰落具有很大的相关性。也就是说，相干时问是信道特 性没有显著变化的那段持续时间，如果基带信号的带宽倒数大于信道相干时间， 那么传输中基带信号受到的衰落就会发生变化，导致接收机解码失真。在时域描 述信道频率色散的时变特性时，它与多普勒频移成反比，即： 铁路无线信道特性及场强测试 乏= ( 2 8 ) 相干时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。也就是说它是 指在一段时间间隔内两个到达信号有很强的幅度相关性，若放宽对相关性的要求 i l l ，即将相关系数大于0 5 的时间段长度。相关时间可以近似为： r = 二( 2 9 ) q 。1 6 x f r o 在( 2 - 8 ) 式中给出了瑞利衰落信号可能急剧起伏的时间间隔，而( 2 - 9 ) 式 往往过于严格，现代数字通信中一种普遍的定义是将( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 进行集合平均 来表示相干时间，即： r c = 高= 半 沿 移动无线信道中的时间色散和频率色散机制可能导致两种显著的效应，这些 是由发射信号、信道和发送速率的特性引起的。当多径时延扩展引起时间色散时， 多普勒扩展就会引起频率色散，下面给出基于多普勒扩展的衰落树图： 小尺度衰落 ( 基于多普勒扩展) 广一j 快衰落慢衰落 l 高多普勒频移1 低多普勒频移 2 相关时问 符号周期 3 信道变化快于基带信号变化3 信道变化慢于基带信号变化 图2 - 1 基丁多普勒扩展的小尺度衰落树图 f i 9 2 - 1s m a l l s c a l ee f f e c t sb a s e do nd o p p l e rs p r e a d 2 3 场强测试 场强测试的对象是电场强度，但在g s m r 系统中，无论是手机的测量报告， 还是开机时对各载波的测量，都是针对信号功率值进行的。在规范中对信号强度 的规定也有对应的功率值。所以，在g s m r 场强测试中，实际上测试的是接收信 号的功率，而不是场强1 。 2 3 1 测试系统 场强测试系统由场强测试仪、g p s 接收机和里程计结合专用测试软件组合在一 9 北京交通大学硕士学位论文 起，其结构情况图2 2 所示。 = 妻嘉 测试系统结棚 数据 ”一“”。一 串口 图2 - 2 场强测试系统 f i 9 2 2f i e l ds t r e n g t ht r e s t i n gs y s t e m 测试系统完成的工作主要包括数据采集方案的确定，测试设备的选取和准备， 测试设备的安装，路测数据的异常处理及分析等，该系统主要用于无线网络的规 划1 4 3 。 移动通信的网络规划包括用户预测、无线网规划、固定网规划等方面。对于 无线网络规划，其目标是指导工程以最低的成本建造成符合近期和远期话务需求 并具有一定服务等级的移动通信网络。具体地讲，就是要达到服务区最大程度的 时间、地点的无线覆盖，满足所要求的通信概率；在有限的带宽内通过频率复用 提供尽可能大的系统容量；尽可能减少干扰，达到所要求的服务质量；在满足容 量要求的前提下，尽量减少系统设备单元，降低成本等几个方面目标。规划效果 主要是通过覆盖概率分析调整蜂窝小区的覆盖半径和重叠区实现的。其中覆盖概 率是衡量蜂窝移动通信服务质量的重要指标之一。 2 3 2 被测频道 测试g s m r 网络场强需要以b c c h 载波为被测频点，进行测试。这是因为： t c h 载波只有在存在业务时，才会发送信号，因此信号时有时无，无法反应 网络覆盖状况。 _ 一个g s m r 频道被划分为8 个时隙，b c c h 载波也不例外。b c c h 载波的o 时隙配置为广播信道( b c c h ) ，其他时隙配置上另外的逻辑信道( 如频率校正 信道f c c h 、同步信道s c h 等) 。其中，b c c h 不断向外广播信息，因此， b c c h 载波的0 时隙始终有信号功率发送。对于其他时隙，在有信息需要发 送时，该时隙上发送相应的突发信号；在没有信息需要发送时，也会在空闲 时隙上发送虚拟突发，所测数据能正确反应网络无线信号情况。 一b c c h 载波和非b c c h 载波频率相差不大，因此，测试得到的b c c h 载波覆 盖情况也能很好地近似t c h 载波接收电平情况u 副。 l o 铁路无线信道特性及场强测试 2 3 3 触发方式选取 触发方式一般包括时间触发和距离触发。时间触发是指每隔一定时间( 如几 毫秒) 测试仪器靠自己内部时钟产生脉冲，对场强抽样一次，这种方法得到的场 强样本在时间间隔上是均匀的，但是样本本身不包含距离信息，所以必须和g p s 定位数据结合计算出距离信息；距离触发的方式是让仪器每隔一定距离( 例如， 几十厘米) 对场强抽样一次，这种方法得到的场强样本在距离间隔上是均匀的， 每个样本本身就代表了一段固定距离，能准确地反应场强随距离的变化情况并给 后期处理带来很大方便，但是列车速率在实际中很难保证恒定，且往往没有距离 传感器的条件，所以也必须利用g p s 接收机n 6 1 。 时间触发并进行距离校正后的青藏线场强测试结果如表2 - 1 所示。 距离( k m ) 纬度经度 9 3 2 89 3 3 09 3 3 29 3 3 6 m h z ( d b m ) m h z ( d b m )m h z ( d b m )m h z ( d b m ) 9 5 4 7 2 7 7 3 3 5 7 2 1 3 1 8 9 4 0 7 3 0 1 2 1 1 08 86 81 0 9 9 5 4 7 2 7 8 93 5 7 2 1 3 1 89 4 0 7 3 0 1 211 08 8 7 01 1 0 9 5 4 7 2 8 0 23 5 7 2 1 3 1 89 4 0 7 3 0 1 21 0 98 87 01 0 9 9 5 4 7 2 8 1 63 5 7 2 1 3 1 89 4 0 7 3 0 1 2 1 1 08 66 71 0 9 9 5 4 7 2 8 3 03 5 7 2 1 3 1 89 4 0 7 3 0 1 21 0 98 86 6 1 0 9 9 5 4 7 2 8 4 33 5 7 2 1 3 1 89 4 0 7 3 0 1 21 0 98 87 01 0 9 9 5 4 7 2 8 6 03 5 7 2 1 2 9 79 4 0 7 3 311 l o8 8 - 7 01 0 8 9 5 4 7 2 8 7 33 5 7 21 2 9 79 4 0 7 3 311 1 08 77 01 0 9 9 5 4 7 2 8 8 73 5 7 2 1 2 9 79 4 0 7 3 311 1 18 8 6 71 0 8 9 5 4 7 2 9 0 03 5 7 2 1 2 9 79 4 0 7 3 311 0 98 87 11 0 9 9 5 4 7 2 9 1 43 5 7 2 1 2 9 79 4 0 7 3 311 1 18 8 7 11 0 9 北京交通人学硕士学位论文 3 统计区间研究 3 1l e e 氏积分法确定统计区间下限 接收信号包络是关于距离的函数，它可以表示为本地均值信号和快衰落阴影 ( 标准瑞利分布) 的乘积，由下图及式子( 3 1 ) 表示( 1 】 痣 7 j，l 哆屯零霞| 黜。一镭一珊：臻乓# 妒”j 夥i ”础+ ? w 鼢 # 础 、 + + 。 图3 一l 场强本地均值不恿图 f i 9 3 1l o c a lm e a n so v e ral e n g t ho f 2 l 厂( y ) = m ( y ) r o ( y ) ( 3 一1 ) 算法的核心是如何从接收信号r ( y ) 中剔出快衰落r o ( y ) 的影响并最终无失真 的获得本地均值m ( y ) 。其规定了统计区间的概念，即接收信号的统计平均长度， 用2 三表示。对本地均值的估计是通过在统计区间内积分实现的： 历( x ) = 壶r ( y ) 咖= 壶所( y ) r o ( ) ，) ( 3 - 2 ) 在计算估值方差时，将二阶矩估值中存在的椭圆积分化简，得1 s p r e a d ， 即： 1 2 ) 北京交通大学硕士学位论文 综上，统计区间不能选得太小，否则不能滤除小尺度衰落成分，接收电平中 不属于小尺度衰落的微小波动