高速鐵路 (High-Speed Railway,HSR) 下的無線通信與經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之一是用戶移動速度非常快，這會致使基站與用戶之間產生嚴重的多普勒效應，對無線通信質量產生巨大的影響。本文是基于羅德與施瓦茨公司生產的矢量信號源SMBV100A以及基帶信號發生器與衰落模擬器AMU200A對高速鐵路場景下的無線信道進行仿真，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的快速發展，HSR已經成為我國的國家級的標志性成就，并推動我國經濟又好又快的發展。目前我國是世界上HSR發展最快、系統技術最全、集成能力最強、運營里程最長、運行速度最高、在建規模最大的國家[1]。HSR作為現代人們出行的主要方式，是以高速度、大容量、低污染、安全可靠的特點著稱的先進的交通工具。HSR場景下的無線信道研究成為了通信學術界的研究熱點。HSR場景的無線通信主要一部分業務是基于對列車行駛狀態的實時監控與控制，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時通信質量[2]。HSR場景下的無線信道與經典的場景下的無線信道有很大差異，經典的無線信道場景用戶大部分是靜止或者是低速運動的狀態，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，移動速度可達到200~300km/h，這就會由于多普勒效應使基站與用戶之間產生巨大頻差對無線通信產生嚴重的影響。因此研究其快變多普勒變化規律是對保證高鐵場景下的無線通信質量至關重要的。本文是基于羅德與施瓦茨公司生產的矢量信號源SMBV100A以及基帶信號發生器與衰落模擬器AMU200A對高速鐵路場景下的無線信道進行仿真，研究其快變多普勒的變化情況。

2. 仿真系統

如圖1所示為本次仿真系統，主要包括了信號發生器、基帶信號發生器與衰落模擬器、時鐘單元以及數據采集單元。信號發生器采用的R&S SMBV100A，該設備能夠提供卓越的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可以配備一個內部基帶信號發生器，從而可以生成多種數字通信標準信號 (如WiMAX、HSPA+、LTE ) ，9 kHz到6 GHz 的寬頻率范圍，覆蓋了數字調制使用的所有重要頻段。基帶信號發生器與衰落模擬器采用的R&S AMU200A設備，其實現的功能是信道衰落仿真以及生成基帶信號，該模塊支持預定義的衰落場景，包括頻點、多徑色散、多普勒擴展、角度色散等衰落特征。時鐘單元采用的銣原子鐘進行同步授時，確保收發兩端時鐘一致。數據采集單元主要是對輸出信號下變頻、采集存儲以及相關的數據處理。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，再經過SMBV100A上變頻通過電纜直接饋送到信道測量設備。

圖1 仿真系統

3. 仿真原理及結果

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進行高鐵場景衰落仿真，設置相關參數D=1 m，S=50 m，v=20 m/s；SMBV100A設置載波頻率fc=1.4725 GHz，因此火車在移動過程可產生最大多普勒fmax=100 Hz。如圖3所示為仿真結果，當列車從遠處駛向第一個基站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；當列車到達基站時θ=90o，fd=0 Hz；當列車遠離BS1時θ≈180o，fd=-100 Hz。同理當列車駛出BS1覆蓋區進入BS2覆蓋區時，多普勒頻移大小變化規律與經過BS1過程一致。

圖3 測試結果

4. 結束語

本文使用基帶信號發生器與衰落模擬器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，仿真測試結果合理的體現了高鐵場景下的多普勒頻移變化規律。R&S AMU200A 與R&S SMBV100A具有良好的性能以及靈活便捷的參數設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展。