分享基于基带信号发生器与衰落模拟器的高铁无线信道仿真的介绍

高速铁路 (High-Speed Railway,HSR) 下的无线通信与经典场景下的无线通信的研究有很大的差异，HSR场景下的无线通信特点之一是用户移动速度非常快，这会致使基站与用户之间产生严重的多普勒效应，对无线通信质量产生巨大的影响。本文是基于罗德与施瓦茨公司生产的矢量信号源SMBV100A以及基带信号发生器与衰落模拟器AMU200A对高速铁路场景下的无线信道进行仿真，研究其多普勒的变化情况。

Abstract: Wireless communication of high speed railway (HSR) is different from the classic scenarios, one of the characteristics of HSR wireless communication scenarios is the mobile users moving very fast, which will cause serious Doppler effect between the base station and the users and it has a great effect on the quality of wireless communications. This paper is based on the vector signal source SMBW100A and the channel fading simulator AMU200A produced by Rhodes and Schwartz to simulate the wireless channel under high-speed railway scenario, and study the change Doppler shift.

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

1. 引言

近年来随着我国HSR的快速发展，HSR已经成为我国的国家级的标志性成就，并推动我国经济又好又快的发展。目前我国是世界上HSR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[1]。HSR作为现代人们出行的主要方式，是以高速度、大容量、低污染、安全可靠的特点著称的先进的交通工具。HSR场景下的无线信道研究成为了通信学术界的研究热点。HSR场景的无线通信主要一部分业务是基于对列车行驶状态的实时监控与控制，这是保证安全列车行驶必不可少的；另一部分是主要保证列车上旅客的实时通信质量[2]。HSR场景下的无线信道与经典的场景下的无线信道有很大差异，经典的无线信道场景用户大部分是静止或者是低速运动的状态，而HSR景下的无线信道用户移动速的是处于高速移动的的状态，移动速度可达到200~300km/h，这就会由于多普勒效应使基站与用户之间产生巨大频差对无线通信产生严重的影响。因此研究其快变多普勒变化规律是对保证高铁场景下的无线通信质量至关重要的。本文是基于罗德与施瓦茨公司生产的矢量信号源SMBV100A以及基带信号发生器与衰落模拟器AMU200A对高速铁路场景下的无线信道进行仿真，研究其快变多普勒的变化情况。

2. 仿真系统

如图1所示为本次仿真系统，主要包括了信号发生器、基带信号发生器与衰落模拟器、时钟单元以及数据采集单元。信号发生器采用的R&S SMBV100A，该设备能够提供卓越的RF性能，以及非常高的输出电平和非常短的信号建立时间。同时SMBV100A可以配备一个内部基带信号发生器，从而可以生成多种数字通信标准信号 (如WiMAX、HSPA+、LTE ) ，9 kHz到6 GHz 的宽频率范围，覆盖了数字调制使用的所有重要频段。基带信号发生器与衰落模拟器采用的R&S AMU200A设备，其实现的功能是信道衰落仿真以及生成基带信号，该模块支持预定义的衰落场景，包括频点、多径色散、多普勒扩展、角度色散等衰落特征。时钟单元采用的铷原子钟进行同步授时，确保收发两端时钟一致。数据采集单元主要是对输出信号下变频、采集存储以及相关的数据处理。本文主要利用AMU200A仿真高铁衰落场景生成基带信号，通过IQ两路将基带信号输入SMBV100A，再经过SMBV100A上变频通过电缆直接馈送到信道测量设备。

图1 仿真系统

3. 仿真原理及结果

如图2所示，为高铁场景下的无线覆盖图，D为基站到火车的距离，基站覆盖的半径为S。在火车运动过程多普勒频移大小可以表示为：fd(t) = vfccosθ/c，其中fc为载波频率，v为火车移动速度，θ为接收信号与速度方向的夹角，c为光在真空中传播速度。

图2 高铁场景的无线覆盖

本文中AMU200A进行高铁场景衰落仿真，设置相关参数D=1 m，S=50 m，v=20 m/s；SMBV100A设置载波频率fc=1.4725 GHz，因此火车在移动过程可产生最大多普勒fmax=100 Hz。如图3所示为仿真结果，当列车从远处驶向第一个基站BS1时，速度方向与电波方向夹角θ <90º，此过程多普勒频移为正值。由于基站离列车距离很近(S>>D)，在列车驶向BS1时θ≈0°，fd=100 Hz；当列车到达基站时θ=90º，fd=0 Hz；当列车远离BS1时θ≈180º，fd=-100 Hz。同理当列车驶出BS1覆盖区进入BS2覆盖区时，多普勒频移大小变化规律与经过BS1过程一致。

图3 测试结果

4. 结束语

本文使用基带信号发生器与衰落模拟器R&S AMU200A以及矢量信号源R&S SMBV100A搭建高铁场景的信道衰落仿真系统，仿真测试结果合理的体现了高铁场景下的多普勒频移变化规律。R&S AMU200A 与R&S SMBV100A具有良好的性能以及灵活便捷的参数设置可以满足高铁场景下的信道衰落仿真，可以积极地推动高铁无线信道的研究发展。