宋承愷

摘 要：伴隨著通信技術(shù)日新月異的發(fā)展變化，我國鐵路現(xiàn)有的以無線列調(diào)為主的無線通信技術(shù)正在經(jīng)歷著或孕育著巨大的變革，根據(jù)我國高鐵無線通信場景的特點(diǎn)及鐵路寬帶無線通信的業(yè)務(wù)需求，對高鐵場景下的傳輸性能進(jìn)行探討和分析。

關(guān)鍵詞：無線信道;傳輸性能;仿真

隨著無線通信和我國高速鐵路的蓬勃發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+高鐵”將成為中國經(jīng)濟(jì)提質(zhì)增效升級的“新引擎”。未來無線通信向著更高頻率和更大帶寬的方向發(fā)展，高鐵乘客對傳輸速率和傳輸質(zhì)量提出了更高的要求。

一、鐵路無線通信的特點(diǎn)

1.覆蓋范圍廣。中國地域廣闊，共有3 1個(gè)省市自治區(qū)，部分省市之間相距幾千多公里，并且列車在運(yùn)行過程中要通過多個(gè)鐵路局及集團(tuán)公司的管轄區(qū)域，每個(gè)單位均有調(diào)度指揮及為車輛服務(wù)的部門及人員，所以通話對象不固定，這就需要一個(gè)統(tǒng)一的呼叫方式及規(guī)則，由聯(lián)合控制中心根據(jù)列車運(yùn)行區(qū)間及位置確定呼叫路由及地址。這也是符合我國鐵路特得點(diǎn)的獨(dú)特通信方式。

2.需要具備數(shù)據(jù)的傳輸功能。列車無線電臺設(shè)備不僅需要語音傳送，還需要有傳輸數(shù)據(jù)的能力，應(yīng)具備多功能的數(shù)據(jù)接口，可以傳輸列車運(yùn)行所需的各種數(shù)據(jù)，交換信息，確保列車通信及監(jiān)控的實(shí)時(shí)性和有效性。

3.綜合性要求強(qiáng)。鐵路運(yùn)營所需支撐體系龐大，車務(wù)、機(jī)務(wù)、工務(wù)、電務(wù)、車輛等單位各司其職，對通信的需求也存在差異，這就要求無線通信設(shè)備具備很好的適應(yīng)性，結(jié)合各部門需要開發(fā)相應(yīng)功能。

二、寬帶無線網(wǎng)絡(luò)傳輸性能仿真

1.仿真系統(tǒng)總體架構(gòu)及性能指標(biāo)。搭建高速鐵路寬帶無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)半實(shí)物仿真環(huán)境，模擬高速鐵路環(huán)境下不同列車運(yùn)行速度，研究不同傳播環(huán)境（市區(qū)、高架橋）、不同列車速度影響下的傳輸性能。高鐵場景下寬帶無線網(wǎng)絡(luò)傳輸性能仿真系統(tǒng)架構(gòu)。

無線網(wǎng)絡(luò)傳輸性能仿真環(huán)境基本配置：中心頻率1.9GHz（TD-LTE）、2.1GHz（FDD-LTE）;信道沖激響應(yīng)數(shù)106;帶寬20MHz;調(diào)制方式下行/上行16QAM;信道場景，城市宏蜂窩模型（C2）LoS（視距）、城市宏蜂窩模型（C2）NLoS（非視距）、移動網(wǎng)絡(luò)（D2a）LoS、郊區(qū)宏蜂窩（C1）LoS、郊區(qū)宏蜂窩（C1）NLoS。無線網(wǎng)絡(luò)傳輸性能仿真指標(biāo)，包括移動端性能指標(biāo)（吞吐量、誤塊率），鏈路層性能指標(biāo)（矢量幅度誤差、鄰道泄漏比、占用帶寬）。（1）吞吐量（Throughput）。系統(tǒng)吞吐量是指單位時(shí)間之內(nèi)系統(tǒng)從信源到信宿成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。它是衡量通信系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標(biāo)，可以給用戶帶來穩(wěn)定可靠的業(yè)務(wù)感知。在LTE系統(tǒng)中，系統(tǒng)吞吐量與系統(tǒng)帶寬、上下行子幀配比和特殊子幀配比均有關(guān)。（2）誤塊率（BLER）。誤塊率是在通信中傳輸塊經(jīng)過CRC校驗(yàn)后的錯誤概率，是有差錯的傳輸塊與系統(tǒng)接收的總塊數(shù)之比，用來反映無線鏈路控制層對差錯重傳的要求。BLER不但測量解碼后數(shù)據(jù)塊的錯誤率，而且還檢查CRC校驗(yàn)的錯誤。BLER的測量可以采用回環(huán)測試的方法，需要經(jīng)過解交織、速度匹配等一系列信道解碼過程。

（3）鄰道泄漏比（ACLR），是主信道功率與鄰道（鄰道1和鄰道2）功率的差值。（4）占用帶寬（OBW）。指被測終端99%的總發(fā)射功率所占用的帶寬。對于所有的帶寬配置，終端的占用帶寬都需要小于系統(tǒng)的信道帶寬。

2.仿真結(jié)果。（1）移動終端傳輸性能。吞吐量是衡量LTE網(wǎng)絡(luò)無線性能的基本指標(biāo)，不同信道模型和不同速度下，移動端吞吐量性能見表1。誤塊率是衡量系統(tǒng)鏈路性能可靠性的指標(biāo)，不同信道模型和不同速度下，移動端BLER性能見表2。

由表1可知，在高鐵場景下的各種無線信道中，隨移動速度的增加，吞吐量都在逐漸減小，3種信道的變化趨勢是類似的。在速度較低時(shí)，對吞吐量不會有太大影響，但當(dāng)達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)（對于每一種信道不一樣），速度變化會明顯影響吞吐量，而且3種信道模型性能變化從好到差的順序?yàn)椋撼鞘泻攴涓C模型（C2）NLoS、城市宏蜂窩模型（C2）LoS、移動網(wǎng)絡(luò)（D2a）。由表2可知，在接收功率足夠強(qiáng)的情況下，覆蓋場強(qiáng)不會對BLER造成影響，而在高鐵場景下的各種無線信道中，隨移動速度的增加BLER都在逐漸減大，幾種信道的變化趨勢是類似的。從測試結(jié)果中也能看到BLER與吞吐量的對應(yīng)關(guān)系，而且BLER的變化比吞吐量變化要明顯，從BLER的變化也能夠推斷吞吐量的變化趨勢。（2）傳輸鏈路性能。不同速度（120，250，350，500km/h）、不同信道環(huán)境（城區(qū)、高架橋）下，速度對鄰道泄漏比（ACLR）以及占用帶寬（OBW）的影響不大，例如在高架橋場景下，ACLR在不同速度下的測量值為-48～-47dB，OBW的值一直在12MHz左右。而速度對BLER和EVM的影響較大，例如在高架橋場景下，EVM在低速（120km/h）時(shí)為9.87%，而在高速（350km/h）時(shí)為22.11%;BLER在低速（120km/h）時(shí)為0.83%，而在高速時(shí)（350km/h）為1.96%。（3）仿真分析。不同信道不同速度時(shí)，LTE系統(tǒng)BLER和EVM指標(biāo)的變化關(guān)系。BLER的測試值隨著速度增高而變大，其變化范圍在0.001～0.02之間。而對于類似于高速鐵路高架橋場景的D2a模型，這個(gè)臨界速度是310km/h。值得一提的是移動速度≤180km/h時(shí)，BLER變化不明顯;而超過這個(gè)速度后BLER會較為迅速的增長。

研究發(fā)現(xiàn)高鐵場景下的無線信道傳輸性能與理論指標(biāo)差距很大，需要對高鐵場景下無線信道對寬帶無線網(wǎng)絡(luò)傳輸性能進(jìn)行定量分析和研究，解決高鐵場景下高速移動和線性帶狀覆蓋特征情況下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)問題，便于指導(dǎo)高鐵場景下寬帶無線通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)、工程優(yōu)化。

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