基于改进Jakes模型的高速铁路LTE系统信道建模

【摘 要】随着 LTE 技术的日臻完善，其在高铁环境下的信道建模分析也日益重要。文章针对时速超过 300km/h 情况下的高铁无线信道建模进行了分析与讨论，对理想模型和Jakes 模型进行改进，使其更加符合高速运动的情况。仿真结果表明所建立的模型为一个平稳随机过程，且信号包络服从瑞利均匀分布。1 引言移动通信进展至今，经历了三代：第一代模拟通信系统，第二代数字通信系统，第三代宽带数字通信系统。第三代移动通信系统的数据传输速率有了大幅提升，但是仍然无法满足现代生活对高速率多媒体通信的需求，为此 3GPP 在 2024 年制定了长期演进 LTE（Long Term Evolution），以提供更高的带宽，更低的时延，更可靠的通信质量[1-3]。近些年来，高铁进展迅速，最高时速都超过了 300km/h。由于高铁的 LTE 无线传播环境类似于农村场景，反射体较少，直射路径为多，多普勒频率扩散不严重，但是多普勒频率偏移很严重。当中心频点为 2.6GHz，运动速度达到 350km/h 时，多普勒频偏将达到840Hz，对信道传输产生显著影响[4-5]。高速铁路通常建设在郊区或农村空旷地带，车外的传播环境大多是典型的乡村信道场景。在终端和基站之间存在较强的视距，多径的影响不大，且为大信噪比环境，多普勒频偏的影响较为突出。基于此，本文通过分析常用的 Jakes 信道仿真模型，通过对理想模型与 Jakes 模型的对比得出 Jakes 信道模型在 LTE 系统高铁运行应用上的缺点与不足，并根据这些缺点对 Jakes模型进行一定程度的改进，从而使 Jakes 模型可以更加清楚准确地反映不同情况下高速铁路 LTE 系统信道的各种特性。2 高铁环境下的 LTE 的信道特性2.1 理想情况下的参考模型当前的移动通信传输系统，主要被分为马尔科夫和散射两类信道模型。在一般的非高速运动情况下 LTE 系统信道建模分析中可以知道，在接收机中接收到的信号，是由很多个经历了不同路径环境的传播后到达的信号平面波之间相互叠加产生的波，这个接收到的信号可以表示为：（1）（2）上式中，nα表示第条路径到达角，Cn 表示第 n 条路径衰减，E0 表示电场余弦波幅度，nφ表示经过路径 n 后附加的相移，mω表示最大多普勒频移，cω表示载波频率[6]。其中信号经过了不同路径，由于不同路径里面各种因素的不同，各个信号产生的附加相移nφ是互不相同的，这些相移可以用均匀的随机分布来表示。式中最大多普勒频移为：（3）因此，这些平坦衰落的信号都是随机信号 R（t），...