鐵路5G專網(wǎng)大尺度信道建模

李岸寧,李 輝,梁軼群,

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部,北京 100081； 2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)研究所,北京 100081； 3.國(guó)家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,北京 100081)

1 概述

隨著我國(guó)鐵路高質(zhì)量發(fā)展，為滿足不同鐵路應(yīng)用業(yè)務(wù)的需求，鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)未來將由GSM-R逐漸轉(zhuǎn)向鐵路5G專網(wǎng)。鐵路對(duì)數(shù)據(jù)安全和自主管理有較高的要求，鐵路通信專網(wǎng)是保障鐵路運(yùn)輸安全，提高鐵路生產(chǎn)效率的重要支撐，承載了列控、自動(dòng)駕駛、調(diào)度通信、監(jiān)測(cè)等各類業(yè)務(wù)。鐵路5G專網(wǎng)降低時(shí)延、提高可控性、增強(qiáng)安全隔離度水平，進(jìn)而保證承載各類鐵路業(yè)務(wù)的安全和質(zhì)量。

無線傳播信道是無線通信系統(tǒng)中收發(fā)天線間的物理媒介，傳播信道的特性決定了傳輸信道容量上限、吞吐量、誤碼率等系統(tǒng)性能。在傳播信道中不僅存在種種干擾和噪聲，還會(huì)存在障礙物、多普勒效應(yīng)等影響。利用數(shù)學(xué)方法將傳播信道抽象成信道模型，可更為科學(xué)和簡(jiǎn)便地描述傳播信道。信道模型一般分為大尺度衰落模型和小尺度衰落模型。大尺度衰落主要描述長(zhǎng)距離范圍內(nèi)無線通信的信號(hào)強(qiáng)度與收發(fā)距離的關(guān)系，主要由路徑損耗和陰影衰落造成；小尺度衰落是指在給定位置短距離短時(shí)間內(nèi)，接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)圍繞平均值快速波動(dòng)的現(xiàn)象，主要由多徑信號(hào)疊加和收發(fā)機(jī)相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成[1]。

鐵路場(chǎng)景下無線傳播信道具有獨(dú)特的衰落特點(diǎn)：鐵路5G專網(wǎng)基站一般采用定向天線，沿鐵路線狀覆蓋，距離鐵軌很近，收發(fā)端存在直射路徑。準(zhǔn)確的大尺度衰落模型可輔助網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和站址規(guī)劃，降低相鄰小區(qū)之間的干擾，有助于優(yōu)化基站布設(shè)間距。合理的站點(diǎn)規(guī)劃可降低工程造價(jià)和鐵路建造成本，節(jié)約投資。所以，為更好的部署系統(tǒng)，需了解鐵路典型環(huán)境下的信道特征，建立更真實(shí)、準(zhǔn)確的大尺度信道模型，這對(duì)于提升承載列控、調(diào)度通信等業(yè)務(wù)的能力有重要作用。目前，我國(guó)鐵路處于鐵路5G專網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究初級(jí)階段，有必要開展大尺度信道建模研究，為后續(xù)工程設(shè)計(jì)和實(shí)施提供理論支持。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員已經(jīng)開展了5G或鐵路場(chǎng)景下無線信道建模研究。HANEDA[2]描述了5G信道模型，結(jié)合典型場(chǎng)景，介紹了路徑損耗、陰影衰落、視距概率、阻擋模型和穿透模型；田磊[3]對(duì)IMT-2020信道模型標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行介紹，總結(jié)和對(duì)比ITU和3GPP的5G信道模型標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)和關(guān)系；陳金銘[4]在室內(nèi)走廊進(jìn)行了大尺度衰落的建模，對(duì)比測(cè)量值和模型理想值發(fā)現(xiàn)了比高斯更切合的Logistic分布；逯靜輝[5]研究了高架橋、路塹等典型場(chǎng)景的路徑損耗和大尺度傳播特性；何睿斯[6]針對(duì)高速鐵路建立了大尺度傳播模型庫，通過提出的模型進(jìn)行了系統(tǒng)鏈路預(yù)算；李宇輝[7]基于實(shí)地信道測(cè)量進(jìn)行大尺度信道建模和多徑信道建模；李春鐸[8]結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立高鐵LTE系統(tǒng)的大尺度傳播模型、擬合小尺度衰落分布。目前，研究成果尚無針對(duì)鐵路5G專網(wǎng)這種典型應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和模型修正，研究不夠充分、完善。

選擇在現(xiàn)有的3GPP(第三代合作伙伴計(jì)劃) TR 38.901標(biāo)準(zhǔn)[9]基礎(chǔ)上進(jìn)行完善，TR 38.901標(biāo)準(zhǔn)給出不同頻段、不同帶寬、不同空間維度下室內(nèi)熱點(diǎn)、城市宏蜂窩、城市微蜂窩、農(nóng)村宏蜂窩4類信道場(chǎng)景的信道模型。TR 38.901模型為通用模型，應(yīng)用場(chǎng)景與鐵路實(shí)際情況存在一定差距，模型針對(duì)性不強(qiáng)，需在其基礎(chǔ)上根據(jù)鐵路場(chǎng)景實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行矯正，以便更加準(zhǔn)確地反映鐵路場(chǎng)景下的大尺度衰落特性。目前，鐵路5G專網(wǎng)尚未在運(yùn)營(yíng)線部署，缺少現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。在此情況下，通過搭建外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，利用試驗(yàn)列車完成數(shù)據(jù)采集，根據(jù)數(shù)據(jù)分析提取信道特征，對(duì)TR 38.901大尺度信道模型進(jìn)行修正，并利用京張高鐵公網(wǎng)5G測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，從而建立鐵路5G專網(wǎng)下大尺度衰落信道模型。

2 3GPP TR 38.901信道模型研究

2.1 信道模型分類對(duì)比及選取

3GPP TR 38.901信道模型是3GPP為5G在0.5 ～100 GHz頻率范圍開發(fā)的信道模型，是基于幾何的隨機(jī)信道模型，描述了包括Umi(定義為城區(qū)微小區(qū)場(chǎng)景，室內(nèi)/室外的用戶密度均為高密度，且基站低于周圍建筑物高度)、Uma(定義為城區(qū)宏小區(qū)場(chǎng)景，室內(nèi)/室外的用戶密度均為高密度，且基站高于周圍建筑物高度)、RMa(定義為大范圍連續(xù)覆蓋場(chǎng)景，主要特征是通過連續(xù)廣域覆蓋支持高速移動(dòng)以及郊區(qū)和農(nóng)村等覆蓋廣袤地區(qū))、InH(定義為室內(nèi)熱點(diǎn)覆蓋場(chǎng)景，根據(jù)建筑物特征和覆蓋面積，可將室內(nèi)熱點(diǎn)場(chǎng)景分為 Open Office 和 Mixed Office 兩類，其在信道模型上的差別主要是 LOS 概率不同)[10]。表1給出了4種場(chǎng)景參數(shù)設(shè)置對(duì)比。

表1 4種場(chǎng)景參數(shù)設(shè)置對(duì)比

由于鐵路場(chǎng)景下移動(dòng)終端具有移動(dòng)速度快、遮擋較少、基站間距小、環(huán)境復(fù)雜多變(高架橋、路塹、隧道等)、覆蓋區(qū)域沿鐵路呈帶狀分布、小區(qū)切換頻率高等特點(diǎn)，基于上述分析，RMa模型符合鐵路場(chǎng)景要求。針對(duì)RMa場(chǎng)景進(jìn)行建模，RMa適用于建筑物分布非常稀疏的區(qū)域，基站天線掛高在10～150 m之間，終端天線位于車頂，高度約4 m。

2.2 RMa模型鐵路適用性分析

大尺度信道模型對(duì)于預(yù)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)變化具有重要的參考價(jià)值。信道大尺度衰落一般分為路徑損耗和 陰影衰落。在自由空間傳播模型中，路徑損耗只與信號(hào)的載波頻率及傳輸距離相關(guān)。在實(shí)際傳輸過程中，由于存在反射、繞射、散射等現(xiàn)象，路徑損耗會(huì)略有不同。

2.2.1 3D距離

3GPP TR 38.901信道模型在傳統(tǒng)二維平面模型基礎(chǔ)上，定義了基站到接收端的3D距離， 在已知天線高度hBS、終端高度hUT和二者間2D距離的情況下，根據(jù)勾股定理算出3D距離[11]。圖1為3D距離示意。

圖1 3D距離示意

(1)

式中，d3D為3D距離；d2D為2D距離；hBS為天線高度；hUT為終端高度。

測(cè)試場(chǎng)景中，基站站間距為1.5 km，基站實(shí)際高度約30 m。移動(dòng)臺(tái)發(fā)射天線置于車頂，京張高鐵測(cè)試時(shí)車輛高度約為4.05 m[12]，外場(chǎng)測(cè)試時(shí)乘坐的機(jī)車車輛高度約為4 m，所以選取hBS=30 m，hUT=4.05 m/hUT=4 m。原則上基站距鐵軌的垂直距離不超過30 m，TR 38.901要求2D距離不小于35 m，故取最小2D距離為35 m。代入公式進(jìn)行計(jì)算，京張高鐵3D距離為43.57 m，外場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境3D距離為43.6 m，在后續(xù)分析時(shí)，接收天線距基站的距離應(yīng)大于3D距離，故后續(xù)圖中橫坐標(biāo)最小值均為0.044 km。

2.2.2 LOS概率

在無線蜂窩系統(tǒng)中，當(dāng) UE(User Equipment) 與基站距離較近且無建筑物遮擋時(shí)，UE與基站間的傳播路徑中可能存在直接視距路徑(LOS)；而其他傳播路徑由于經(jīng)過建筑物的繞射及反射損耗，定義為非直射(NLOS)路徑。RMa模型[13]中LOS概率定義為

(2)

由于鐵路多存在開闊地、高架橋等平坦開闊的場(chǎng)景，接收信號(hào)中具有較強(qiáng)的直射分量，所以實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建在無明顯遮擋物的地區(qū)，保證收發(fā)端間具有良好的視距傳輸距離，并選取LOS模型進(jìn)行信道建模。

2.2.3 LOS條件下的傳輸損耗

傳輸損耗為有效發(fā)射功率和平均接收功率之間的差值，是衡量無線信道大尺度衰落的重要指標(biāo)。在RMa的LOS場(chǎng)景下，路徑損耗和自由空間損耗比較接近，在分界點(diǎn)dBP后，路徑損耗和40lgd成正比。表2給出了RMa場(chǎng)景下的LOS公式。

其中，斷點(diǎn)距離dBP=2πhBShUTfC/c。當(dāng)2D距離大于10 m，小于斷點(diǎn)距離時(shí)使用PL1公式；2D距離大于斷點(diǎn)距離，小于10 km時(shí)使用PL2公式。fC為中心頻率，本文選取2.6 GHz；c為光速。計(jì)算得到，dBP=2.041 km。

表2 RMa場(chǎng)景下LOS公式

本文主要研究2 km以內(nèi)的傳播模型，所以選擇PL1公式。PL1公式表示，隨著距離增加，損耗變大；當(dāng)頻率變高或者周圍建筑物高度增加時(shí)，損耗也會(huì)增加。TR 38.901模型適用于通用情況，但需結(jié)合鐵路5G專網(wǎng)實(shí)際情況對(duì)RMa模型進(jìn)行修正。

3 信道仿真測(cè)試環(huán)境搭建

3.1 外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置

本次測(cè)試選在外場(chǎng)進(jìn)行5G高速信道仿真實(shí)驗(yàn)。周圍平坦開闊，無明顯遮擋物。試驗(yàn)場(chǎng)地周長(zhǎng)9 km，呈圓形，某運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)了環(huán)行鐵道5G信號(hào)(獨(dú)立組網(wǎng)架構(gòu))全覆蓋。選取均勻布設(shè)的6個(gè)基站，基站天線高約30 m，圖2為實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

圖2 外場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境示意

測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括筆記本電腦，GPS定位裝置，羅德與施瓦茨(R&S)TSME6接收機(jī)，接收天線。搭載試驗(yàn)列車，采用車頂天線完成數(shù)據(jù)采集。

3.2 大尺度參數(shù)設(shè)置

表3為外場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境測(cè)試時(shí)大尺度參數(shù)設(shè)置，其中，周圍建筑物平均高度為實(shí)際高度統(tǒng)計(jì)值。

表3 外場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境大尺度參數(shù)設(shè)置

目前，鐵路5G專網(wǎng)頻率尚未確定，故使用可能頻率相近的2.6 GHz進(jìn)行試驗(yàn)。

3.3 京張高鐵環(huán)境及測(cè)試參數(shù)

選擇京張高鐵對(duì)擬合后公式進(jìn)行檢驗(yàn)，從北京北站出發(fā)，終至張家口站，測(cè)試設(shè)備搭載綜合檢測(cè)列車，利用車頂天線采集數(shù)據(jù)。表4為京張高鐵大尺度參數(shù)設(shè)置，其中，周圍建筑物平均高度為實(shí)際高度統(tǒng)計(jì)值。

表4 京張高鐵大尺度參數(shù)設(shè)置

3.4 采樣間隔

采樣間隔的選取對(duì)建模結(jié)果具有重要影響。采樣間隔過大，會(huì)平滑掉本地均值數(shù)據(jù)，達(dá)不到建模要求；間隔過小，平均結(jié)果會(huì)存在微弱的瑞利衰落，影響樣本獨(dú)立性[14]。

根據(jù)李氏定律[15]，在40個(gè)波長(zhǎng)間隔內(nèi)，采樣36～50個(gè)點(diǎn)可有效地去除快衰落影響。本次進(jìn)行了2次數(shù)據(jù)采集，試驗(yàn)列車車速為120 km/h，行車距離9 km，代入李氏定律計(jì)算可知需采集70 130～97 402個(gè)點(diǎn)。對(duì)實(shí)際測(cè)試采集的數(shù)據(jù)利用系統(tǒng)抽樣方法進(jìn)行處理：得到數(shù)據(jù)72 816個(gè)，滿足李氏定律。

4 數(shù)據(jù)分析及模型修正

4.1 數(shù)據(jù)分析

測(cè)試數(shù)據(jù)包絡(luò)測(cè)試時(shí)間、測(cè)試點(diǎn)經(jīng)緯度、基站小區(qū)標(biāo)識(shí)(PCI)、頻點(diǎn)、SSB-RSRP、SSB-SINR等信息。SS-RSRP和SS-SINR是基于SSB信號(hào)，體現(xiàn)了廣播和同步信道的能力，在空閑態(tài)和連接態(tài)均可測(cè)量，屬于小區(qū)級(jí)指標(biāo)，能夠反映小區(qū)的覆蓋水平[16]。處理數(shù)據(jù)時(shí)首先要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，剔除異常數(shù)值和部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失值，用于保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，對(duì)接收信號(hào)設(shè)置電平過濾門限(-50 dBm≤RSRP≤-110 dBm)。

首先，選取多個(gè)PCI，做出每一個(gè)PCI下曲線圖，對(duì)多條曲線進(jìn)行平均處理，將多個(gè)PCI曲線進(jìn)行插值處理，并提取縱坐標(biāo)取平均值；然后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插抽樣以得到均勻的X軸數(shù)據(jù)，便于后續(xù)進(jìn)行曲線平滑處理；之后，使用Savitzky-Golay[17]方法進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波，這是一種基于最小二乘的卷積擬合算法，通過在滑動(dòng)窗口內(nèi)對(duì)給定高階多項(xiàng)式進(jìn)行最小二乘擬合得到其加權(quán)系數(shù)，可在濾除噪聲的同時(shí)保證信號(hào)形狀、寬度不變。窗寬為40時(shí)，Savitzky-Golay濾波器參數(shù)指標(biāo)變化愈趨平緩[18]，故本文窗寬選擇40。圖3為120 km/h平滑處理后大尺度衰落曲線。

圖3 120 km/h平滑處理后大尺度衰落曲線

圖3中，灰色曲線為采集到的一個(gè)PCI下的RSRP曲線，黃色曲線為進(jìn)行平均處理后曲線，紅色曲線為進(jìn)行等間隔處理曲線，黑色曲線為進(jìn)行平滑去噪處理曲線。從圖3可以看出，路徑損耗隨著距離增大不斷增大?；谝陨蠀?shù)，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)大尺度模型進(jìn)行修正，得出修正后公式。

4.2 大尺度模型修正

常用的傳播矯正模型分為2種，一種是通過調(diào)整路損公式的系數(shù)，減小預(yù)測(cè)值和實(shí)際值誤差；另一種為一元校正法，用一元一次線性最小二乘法校正距離因子系數(shù)及與頻率有關(guān)的常數(shù)系數(shù)[19]。由于一元校正法誤差偏大，使用價(jià)值不高，本次選擇第一種方法，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)使用梯度下降法[20]進(jìn)行傳播模型路損公式擬合，并得到預(yù)測(cè)值和實(shí)際值間的誤差值，并利用最小二乘法求出大尺度陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)差[21]

y= 20lg(40πxfc/3)+0.01554h1.72lgx-0.056 4h1.72+0.001lg(h)x+σ

(3)

式中，y為路損值，dB；x為距基站的距離，km；h為周圍建筑物平均高度，m；中心頻率fc為2.6 GHz；陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)差σ為2.96。圖4為車速120 km/h數(shù)據(jù)擬合結(jié)果。

圖4 120 km/h數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

圖4中，綠線為TR 38.901模型模擬出的曲線，藍(lán)線為根據(jù)修正模型擬合出的曲線。

使用RMSE(均方根誤差)[22]、MAPE(平均絕對(duì)百分比誤差)[23]2種回歸評(píng)價(jià)指標(biāo)衡量模型修正結(jié)果。

(4)

RMSE為回歸效果與真實(shí)值平均相差的值，誤差越大，值越大；MAPE為0%代表完美模型，MAPE大于100%代表劣質(zhì)模型，MAPE越小，擬合效果越好。表5給出120 km/h下TR 38.901和修正模型的指標(biāo)，RMSE降低了13.42%，MAPE降低了10.71%，說明修正后的模型精確度更高。

表5 120 km/h下TR 38.901模型與修正公式評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比

4.3 修正后大尺度模型檢驗(yàn)

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確度和普適性，使用京張高鐵實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)公式進(jìn)行檢驗(yàn)。圖5、圖6給出京張高鐵平滑處理曲線和擬合曲線，表6給出京張高鐵的TR 38.901和修正模型的指標(biāo)，結(jié)果顯示，RMSE降低了43.32%，MAPE降低了45.76%，驗(yàn)證了修正后模型在京張高鐵的適應(yīng)性。

圖5 京張高鐵平滑處理后大尺度衰落曲線

圖6 京張高鐵TR 38.901與擬合公式對(duì)比

表6 京張高鐵TR 38.901與修正公式評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比

從結(jié)果可得，修正模型較TR38.901在京張線的評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果優(yōu)于外場(chǎng)120 km/h實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果，分析原因?yàn)榫埜哞F基站場(chǎng)景更多，規(guī)律更明顯，統(tǒng)計(jì)效果更好。

5 結(jié)語

在鐵路通信中，大尺度信道模型可輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。目前，還未有針對(duì)鐵路5G專網(wǎng)的模型，通過搭建外場(chǎng)環(huán)境，搭載試驗(yàn)列車采集5G專網(wǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)不同PCI下曲線進(jìn)行平均及等間隔處理，利用Savitzky-Golay方法平滑曲線，最后，利用梯度下降法修正TR 38.901模型，給出了鐵路5G專網(wǎng)下的大尺度衰落模型研究過程。結(jié)果顯示，RMSE降低了13.42%，MAPE降低了10.71%。經(jīng)運(yùn)營(yíng)線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)校驗(yàn)，RMSE降低了43.32%，MAPE降低了45.76%，說明擬合公式較TR 38.901模型提升了準(zhǔn)確度，泛化能力增強(qiáng)，有助于評(píng)估、設(shè)計(jì)、建設(shè)和部署未來運(yùn)營(yíng)線上的鐵路5G專網(wǎng)，節(jié)約社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、人力成本。

隨著我國(guó)鐵路5G專網(wǎng)研究的深入，未來可進(jìn)一步在鐵路5G專網(wǎng)試驗(yàn)段、運(yùn)營(yíng)線采集真實(shí)的電波傳播數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型驗(yàn)證和優(yōu)化，進(jìn)而為標(biāo)準(zhǔn)制定和工程實(shí)施提供技術(shù)支撐。此外，鐵路具有諸多場(chǎng)景，如路塹、隧道等，選取平坦開闊的地形，未來可對(duì)其他場(chǎng)景進(jìn)行大尺度信道建模，進(jìn)而全面掌握鐵路5G專網(wǎng)的大尺度信道特性。