摘要
铁路是国民经济大动脉，也是我国对外交流合作新名片和共建“一带一路”倡议的重要领域。截至2018年底，中国铁路营业里程已达13.1万公里，其中，高速铁路（以下简称“高铁”）营业里程已达2.9万公里，占全世界总里程超过2/3，累计运输旅客突破90亿人次，成为中国铁路运输的主渠道。铁路专用移动通信系统是高铁关键基础设施，承载了铁路调度指挥、列车运行控制、故障预警等与列车行车安全相关的重要业务。为了加强高铁绿色、高效的比较优势，实现便捷、舒适的优质服务，铁路移动通信新业务不断涌现，例如铁路多媒体调度指挥通信、列车远程视频监控、铁路物联网、旅客娱乐服务等。铁路移动通信已经启动了由窄带移动通信系统(Global System for Mobile Communications-Railway，GSM-R)向下一代宽带移动通信系统(Long Term Evolution for Railway，LTE-R)的演进。针对未来智慧铁路发展，基于第五代通信技术的铁路专用系统(5th Generation Communications for Railway，5G-R)已经开展基础理论与关键技术的研究。 本文以高铁的业务需求和高铁专用移动通信关键技术需求为导向，以体现“高铁列车高移动性”为特征，针对高铁不同移动通信系统、多样典型场景，基于电波传播理论、建模与优化理论、概率论和随机过程，研究高铁场景快速时变信道特性分析方法以及信道建模方法，为高铁移动通信系统设计与评估提供坚实基础。本文的创新性工作主要包括如下四个方面: 1)针对如何表征高铁场景多维度的动态信道特征，提出了高铁典型场景快速时变信道特性分析方法。利用高铁典型场景的宽带信道测量数据，校验射线跟踪仿真器，构建了适用于LTE-R移动通信系统的高性能信道仿真工具，以采集高铁典型场景准确、全面信道数据，解决了高铁无线信道数据在多普勒域和三维角度域缺失的问题。并基于信道采集数据，提出了高铁典型场景快速时变信道准平稳区间分析方法，以获得合理统计量化信道特征参数的分析窗口;揭示了高铁快速时变信道多维度特征的变化机理，以此阐述了多径信号空间分布与散射体的对应关系，提取了高铁不同典型场景的显著散射体。 2)针对LTE-R移动通信系统，如何刻画高铁场景电波传播的一般特性，提出了高铁典型场景多维度时变信道统计建模方法。在高铁三个典型场景中，利用测量验证的射线跟踪信道仿真工具，萃取了信道时-空-频统计特征参数，以建模宽带信道抽头延迟线模型和空间相关矩阵，有效模拟了高铁不同典型场景无线信道的多维、一般特征;对于抽头的不同衰落特性，揭示了导致长时延多径信号的散射体稀疏、成簇分布特征，利用Weibull分布加以描述，为高铁宽带信道快衰落的准确建模奠定基础。提出了面向LTE-R移动通信系统的2×2MIMO宽带信道随机模型，并建立了LTE-R链路级仿真应用实例，以支持LTE-R网络可靠传输关键技术的评估。 3)针对5G-R移动通信系统，如何描述高铁场景毫米波信道多径分布与结构的快变特性，提出了高铁城区场景毫米波时变非平稳信道主要多径建模方法。利用高铁毫米波信道测量数据，校验射线跟踪仿真器，构建了适用于高铁典型环境及5G-R移动通信场景的毫米波多天线、静态及动态信道仿真工具，解决了高铁毫米波动态信道测量数据短缺问题。在此基础上，揭示了高铁城区场景毫米波时变非平稳信道的主要多径变化规律，利用能够反映散射体位置信息的几何因子对主要多径进行检测与跟踪，推导了信道动态时延、多普勒频移与变化几何因子的关系;提出了基于混合概率密度分布的信道主要多径动态模型，并对模型的准确性完成了验证，该模型能够准确描述高铁城区场景快变环境中主要多径的生灭机理。 4)针对5G-R移动通信系统，如何掌握高铁场景真实的多维度、细粒度信道信息，提出了高铁城区场景毫米波信道基于环境模式的动态建模方法。利用构建的5G-R信道仿真工具，揭示了高铁城区中显著散射体导致的毫米波不同传播特性，并发现了对应于不同传播机制的显著散射体分布规律，以此建立了环境模式，其极大地简化了真实信道的几何建模。依次对直射径、反射多径和散射多径信号进行其几何和传递函数建模，并考虑了信道的频率依赖性，提出了面向高铁毫米波移动通信系统的超宽带、方向性、非平稳信道模型，并完成其准确性验证。此外，利用该模型，分析了信道时延域和多普勒域的时变特征，基于此提出了5G-R毫米波通信系统时-频域信号传输的指导方案。
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