【摘要】 随着高铁的迅速发展，高铁宽带无线通信问题也成为学术界研究的热点。高铁场景下信道特性的测量与建模是高铁无线通信系统研究的基础工作之一。本文介绍了高铁无线通信发展现状、高铁环境下信道模型的发展现状及高铁无线信道测量和建模所面临的挑战。
【关键字】 高铁 无线信道 信道模型
一、引言
根据国际电信联盟（ITU）预计，未来高铁需要为乘客提供流畅的视频通话、移动电视、移动互联网等高带宽的多媒体业务，而且由于高速铁路的乘客具有乘坐时间长，列车车厢需能满足乘客的宽带无线接入需求。现有的高速铁路环境下的通信系统远远不能为高速铁路上旅客提供宽带服务。随着越来越多的乘客频繁使用数据服务和互联网，在高铁上实现稳定、实时的高速率无线数据传输显得尤为迫切。
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，因此高铁无线信道随之成为研究的首要问题。[1]高铁场景下信道特性的测量与建模是高铁无线通信系统研究的基础工作之一。[2]
二、高铁无线通信系统现状
2.1高铁无线通信研究现状
随着高铁在我国和世界各地逐渐投入使用，为了实现基于2G、3G甚至4G移动通信网络的高铁语音和数据实时、稳定传输，各种以先进的通信技术为基础的高铁无线通信解决方案陆续出现。这些方案中有中国移动提出的高铁专网方案，其中包括了采用射频拉远的覆盖增强方案以及特殊的无线接入方式，还有在欧洲高铁中使用的分布式天线系统。除此之外， 先进的通信技术如智能天线， 超宽带，（ Multiple-InputMultiple-Output）MIMO 多天线，极化分集，多普勒分集，以及协同多点接入CoMP（Cooperative Multi-Point）技术等， 也正针对高铁的无线环境进行优化设计、性能测试和验证。
2.2高铁信道研究现状
高铁信道的特征研究在现阶段仍主要是以满足系统覆盖为目的的点到点信道的大尺度参数测量和建模上。这些模型包括了路损模型，阴影衰落分布模型以及隧道横截面相关模型。
铁路信道的研究确有很多年的历史。但是，传统的铁路信道研究集中在铁路的特殊环境如隧道中，信道的大尺度参数，即路损、时延、和阴影衰落等 “复合”特征的测量和建模上。这些研究成果多侧重于低于2GHz 的无线通信商用频段，曾对窄带无线通信系统的设计、构建和性能预测、优化起到了重要的作用。随着宽带无线通信系统逐渐从移动蜂窝通信扩展到车辆及矿井等领域，无线信道在这些特殊环境中的宽带特征逐渐地有所开展，如公路隧道中的信道研究，地下矿井，以及车辆高速运动下的信道建模等。但是这些成果在铁路信道的应用中存在两个问题，一是测试环境和分析假设过于局限于公路隧道、矿井隧道和宽阔的多车道高速路面环境，其结果不能够有效地扩展到铁路的隧道场景中，二是这些研究旨在分析某个具体场景的信道的扩散方式，由于没有将传播和环境相关联，其模型构建结果很难被推广成统计的信道模型，具有适用度低的局限。真正着重研究铁路隧道内信道的宽带特征，如空间和时间上的选择特性的文献很少。利用窄带测量系统，通过实地测量，总结出了隧道信道内的信道相关性，随着发射和接收之间的距离而变化的经验模型。但是由于测试设备的局限性，无法得出基于传播的参数化信道模型。
另外，采用宽带MIMO 信道测试设备对于铁路（包括高铁）信道的场景进行测试，并分析其小尺度参数分布的研究，至今仍是空白。这和蜂窝无线网络中的信道模型的系统性和成熟程度，形成了鲜明的对比。不难预料，随着基于扩频技术的第三代以及基于正交频分技术（OFDM）的第四代宽带无线通信在高铁中的普及，现阶段相对匮乏的高铁信道研究成果，将严重阻碍高铁无线通信的发展。考虑到我国高铁事业迅速成长的现状，以及高铁信道模型构建中存在的理论空白和采集实测数据的难度，我们有必要尽早地应对高铁无线通信在多种特殊场景（如隧道、峡谷、高架和高速运行相结合）和复杂网络组态（如多天线、分布式天线、中继和CoMP）下的信道需求，对信道特征作出系统的研究，得出科学、有效、实用的高铁无线信道模型。
三、高铁无线信道模型建立所面临的挑战
3.1高铁信道情况复杂
高铁移动信道与传动移动信道相比，具有时变性强和传播环境多变性特点。高铁的高速运行，会导致稳态信道的小尺度时变性和相对长期的大尺度时变性，引起信道统计特征的快速时变，影响到分集和复用技术、切换、环境适应和数据融合等算法设计和优化；高铁在城市、郊区、隧道、山区、高架桥等复杂环境之间快速切换，已有对应标准信道模型很难对此给予准确描述。
3.2实地测量难度大
高铁信道测量是需要耗费大量人力和物力的工作，并且由于高铁经过的环境类别多，相同类别的场景存在较大差异等特点，在某一个场景中测量出来的结果不见得和该类别其他场景相符。
现在业内比较认可的蜂窝系统信道探测仪有芬兰Elektrobit公司的PropSound及德国MEDAV GmbH公司的RUSK。但是这种方法应用到高铁环境下时会遇到铁道部对沿线无线信号管制、高速移动条件下小区切换快、信道参量变化快等影响。
四、结束语
现今随着高铁的迅速发展，能够在高铁中保持高速稳定的无线数据通信已经成为需要解决的迫切问题。为建立高效稳定的高铁无线通信系统，高铁场景下信道特性的测量与建模是现在需要解决的关键问题。
参 考 文 献
[1]刘留，陶成，余立，董伟辉 高速铁路无线信道测量与信道模型探讨 电信科学 2011年第5期
[2]刘留， 陶成， 邱佳慧， 余立 董伟辉 高速铁路宽带无线信道测量方法研究 铁道学报 第33卷第5期2011年5月