第20卷第8期2022年8月
Vol.20，No.8
Aug.，2022太赫兹科学与电子信息学报
Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology
曾成胜1，单馨漪2a，2b，何丹萍*2a，2b，陈付坤1，丁建文2a，2b
(1.中国铁建电气化局集团有限公司，北京100040；2.北京交通大学，a.轨道交通控制与安全国家重点实验室；
b.宽带移动信息通信铁路行业重点实验室，北京100044) 摘要：为推进智能铁路总体建设，实现高速铁路智能化，高铁信息基础设施将应用第五代移动通信技术(5G)建设铁路5G专用移动通信系统，2.1GHz有望成为铁路5G专用移动通信系统的
承载频段。高铁站台作为客货乘降与调度中转的功能核心，其在2.1GHz下的电波传播特性亟待
研究。本文以厦门北站高铁站台为研究场景，利用射线跟踪(RT)技术仿真2.1GHz频段下的电波传
播，基于仿真结果分析此场景无线信道特性，包括均方根时延扩展(RMS DS)、到达/离开方位角扩 展、到达/离开俯仰角扩展(ASA/ASD,ESA/ESD)、交叉极化比(XPR)和以上参数的互相关。根据以键盘防尘罩
上结果，对高铁站台场景中铁路5G专用移动通信系统的设计和评估提出相关建议。
关键词：铁路5G专用移动通信系统；射线跟踪；高铁站台；信道特性
中图分类号：TN92文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA2022048
Channel characteristics of high-speed rail platform
scenario based on5G for railway system
ZENG Chengsheng1，SHAN Xinyi2a,2b，HE Danping*2a，2b，CHEN Fukun1，DING Jianwen2a,2b
(1.China Railway Construction Electrification Bureau Group Co.Ltd，Beijing100040，China；
2a.State Key Laboratory of Rail Traffic Control and Safety；2b.Key Laboratory of Railway Industry of Broadband Mobile Information
Communications，Beijing Jiaotong University，Beijing100044，China)
Abstract
Abstract：：In order to promote the overall construction of the intelligent railway and to realize the intelligent high-speed railway,the communication infrastructure of high-speed railway will apply the5th
Generation Mobile Communication Technology(5G)to build the5G for railway system.2.1GHz band is
expected to be the bearer band for the5G for railway system.The high-speed rail platform is the functional
core of the loading and discharging of passengers and the cargo,and its propagation characteristics at2.1GHz
need to be studied urgently.The wireless channel in the high-speed rail platform of Xiamen North Station
at2.1GHz is characterized through Ray-Tracing(RT)simulations.Based on the simulation results,the
channel parameters in the high-speed rail platform scenario are analyzed,including Root-Mean-Square
Delay Spread(RMS DS),azimuth angular spread of arrival/departure,elevation angular spread of arrival/
departure(ASA/ASD,ESA/ESD),Cross-Polarization Ratio(XPR)and cross-correlations of the above
parameters.Based on these results,relevant suggestions are provided for the design and evaluation of the
5G for railway system in the high-speed rail platform scenario.
Keywords
Keywords：：5G for railway system；Ray-Tracing；high-speed rail platform；channel characteristics 智慧高铁是加快建设交通强国，构建现代综合交通运输体系的重要环节。2020年8月，国铁集团出台了《新时代交通强国铁路先行规划纲要》，提出到2035年高铁里程达到7万公里左右，
并率先建成智慧高铁。2021年12月，国务院《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》明确在智能铁路中实施新一代铁路通信专网工程，从而解决目前铁路窄带移动通信系统(Global System for Mobile Communications−Railway，GSM−R)存在承载能力文章编号：2095-4980（2022）08-0769-06
收稿日期：2022-02-26；修回日期：2022-03-16
基金项目：中央高校基本科研业务费(智慧高铁系统前沿科学中心)资助项目(2020JBZD005)；石景山区“科技创新”专项资金项目；高速铁路5G−R应用及装备研究资助项目(2021-C43)
*通信作者：何丹萍
太赫兹科学与电子信息学报第20卷不足、频段干扰严重、生命周期正走向终结等问题[1]。目前，工信部与国家铁路集团已达成共识，选定2.1GHz 为承载频段，以第五代移动通信技术(5G)为依托建设铁路5G 专用移动通信系统，以实现移动通信质量、接入设备数目、高数据速率可靠传输的进一步提升[2]。
近年来，国内外开展了大量针对铁路典型场景5G 信道特性的研究。文献[3]基于3.45GHz 的第五代新无线电(5G New Radio ，5G −NR)网络，应用无源信道探测仪对上海至无锡高铁沿线进行了信道测量工作，并从中萃取、分析路径损耗、延迟扩展和莱斯K 因子等信道参数；文献[4]对5.2GHz 下的火车
站、开阔地和路堑3个不同场景的列车对列车(Train -to -Train ，T2T)通信传播信道进行了测量，并根据分析测量数据推导出大、小尺度时变随机信道参数；文献[5]基于射线跟踪(RT)仿真研究了3.5GHz 高架桥场景下的5G 信道特性，分析了路径损耗、角度扩展、时延扩展和多普勒频移等信道参数。然而，当前针对高铁站台场景的5G 信道特性研究较少，一些经典信道模型如COST-231、Okumura 、Hata 等更适用于陆地低速移动无线传播环境，对于高速移动的高铁场景并不适用。高铁站台作为铁路基础设施、列车、旅客和货物紧密互联的中心，基于铁路5G 专用移动通信系统在此场景下开展信道建模研究是必要的。
本文使用CloudRT 高性能射线跟踪仿真平台进行仿真并得到多径信息。该平台采用基于几何光学(Geometrical Optics ，GO)与几何绕射理论(Geometrical Theory of Diffraction ，GTD)的射线跟踪方法，追踪场景中不同传播机制的电波。该平台曾被应用于高速列车场景宽带路径损耗参数建模[6]和IMT-2020(5G)技术评估报告框架中的模型建立[7]。本文首先在5m 分辨力的电子地图里融合厦门北三维场景模型，并赋予场景中各材料电磁参数。以2.1GHz 为研究频段，采用CloudRT 进行动态仿真，得到相应的射线信息，从中萃取分析均方根时延扩展(RMS DS)、角度扩展(Angular Spread ，AS)和交叉极化比(XPR)信道特性参数并计算以上参数的互相关。1RT 仿真配置
1.1CloudRT 射线跟踪平台
CloudRT 是基于云计算的高性能射线跟踪仿真平台，可以仿真各种传播机制的射线，包括直射、反射、散射、绕射、透射。用户配置环境模型、天线模型、传播机理和收发信机位置等参数后进行仿真。CloudRT 的仿真结果包含对应于每组收发机位置的信道冲击响应(Channel Impulse Response ，CIR)和多径详细信息。基于此可计算本文所需的均方根时延扩展(RMS DS)、角度扩展(AS)等信道参数，继而进行高精确度信道表征与建模。
1.2场景建模与仿真配置
本文以厦门北站为研究场景，利用SketchUp 软件对该场景进行还原建模，包括站台、股道、牵引架、列车散射体。同时结合5m 精确度的Planet 电子地图进行地物表征，以更加精细地还原场景。
本文选择2.1GHz 作为研究频段，设置信道带宽为100MHz 。如图1中的俯视图所示，分别在离车站远处(case1)和近处(case2)部署发射机(Transmitter ，Tx)Tx1和Tx2，发射机高度距离地面15m 。接收机(Receiver ，Rx)部署在列车车头顶部距离车顶0.01m 处，距离地面高度4.5m ，跟随列车移动，运行速度为新福厦高速铁路设计时速350km/h ，运行方向为驶出厦门北站方向，具体如图1箭头方向所示[8]。RT 仿真模拟中的某一快照如图2所
示，其中不同颜的线条即为按照接收功率的不同追踪到的多径。
Fig.1Schematic of scenario model
患者管理系统图1
场景模型示意图Fig.2One snapshot of RT simulations 图2RT 仿真中的一个快照
770
第8期曾成胜等：基于5G −R 系统的高铁站台场景信道特性仿真中收发信机均采用发射功率为0dBm 的全向天线[8]。为分析交叉极化比(XPR)，分别对4个极化信道进行仿真，其中Tx -Rx 天线的极化组合为垂直极化-垂直极化(V -V)情况、垂直极化-水平极化(V -H)情况、水平极化-水平极化(H -H)情况，水平极化-垂直极化(H -V)情况。在分析其他参数时，收发信机均采用垂直极化天线。2基于RT 仿真的信道特性参数分析
基于RT 仿真结果，本文对2.1GHz 频段高铁站台场景信道参数进行了分析和表征。信道特性包括均方根时延扩展、到达/离开方位角扩展(ASA/ASD)、到达/离开俯仰角扩展(ESA/ESD)、交叉极化比(XPR)及以上参数的互相关。每个信道参数均采用均值和标准差的正态分布进行拟合。所有萃取的参数汇总在表1中，其中μDS ,μASA ,μASD ,μESA ,μESD ,μXPR 分别表示RMS DS,ASA,ASD,ESA,ESD 和XPR 的平均值。σDS ,σASA ,σASD ,σESA ,σESD 和σXPR 分别表示RMS DS,ASA,ASD,ESA,ESD 和XPR 的标准差。
2.1均方根时延扩展
由于多径效应，接收机接收到的各多径的到达时间不同，从而产生时间散。均方根时延扩展可有效量化信道时间散的程度，定义为功率延迟曲线的二阶中心矩的平方根，计算公式如下[9]：
στ
=
(1)
式中στ为均方根时延扩展，平均附加时延τˉ由下式确定：τˉ=∑k =1
K
P ()τk τk ∑k =1K P ()τk (2)
式中：τk 表示第k 条射线的相对时延；P (τk )是第k 条射线的功率；K 是射线的数目。
根据公式计算case1和case2的均方根时延扩展。case1的均方根时延扩展的均值为156.91ns ，case2
小于case1为147.63ns ，这说明当发射机部署在离车站近处时，多径的传播距离通常小于发射机部署在离车站远处时。在相关场景中，文献[10]中1.89GHz 频段下计算的车站环境均方根时延扩展的均值为146.5ns ，本文与之基本一致。
图3给出了均方根时延扩展的累积分布(Cumulative Distribution Function ，CDF)图，从图3中可以看出case1和case2的均方根时延扩展最大值均不超过400ns ，超过90%的均
方根时延扩展集中在320ns 之内，case1中69.25%、case2中
72.17%的均方根时延扩展小于240ns ，与文献[10]中计算的高铁
车站场景均方根时延扩展分布基本一致。
2.2角度扩展
在多径信道中，信号在接收天线上的到达角度会展宽，从而
产生角度散，并引起信号的空间选择性衰落。角度扩展是描述
角度散和信道空间选择性衰落的主要参数。其3GPP 定义为[11]：
σAS
(3)式中：σAS 表示角度扩展；P m 表示第m 条多径的功率；M 表示多
径的总数；θm μ由下式确定：
θm μ=mod (θm -μθ+π 2π)-π(4)
式中：θm 是第m 条多径的到达方位角/离开方位角/到达俯仰角/离开俯仰角；μθ的计算公式如下：
表1两种情况的信道参数
工业氯化钙Table1Channel parameters for two cases
cases
case1
case2μDS /ns 156.91147.63σDS /ns 112.72113.40μASA /(º)16.1088.52σASA /(º)13.0262.97μASD /(
º)3.635.06σASD /(º)5.316.65μESA /(º)1.802.12σESA /(º)1.802.18μESD /(º)0.441.65σESD /(º)0.741.59μXPR /dB 2.463.95σXPR /dB 10.29
6.49
普通再生胶配方Fig.3CDF of RMS DS 图3均方根时延扩展累积分布771
太赫兹科学与电子信息学报
第20卷
μθ=∑m =1M θm P m ∑m =1M P m (5)
2.2.1到达方位角扩展图4(a)为case1、case2的到达方位角扩展(ASA)的CDF 图。可以看出case1的ASA 的均值(16.1°)远小于case2情况下的ASA 的均值(88.52°)，这是因为当电波从侧面穿过车站时，各接收点的到达方向角较大。而且，case2的ASA 分布近乎对称，这是因为场景和Rx 的移动轨迹相对于Tx 也是近乎对称的。ASA 的分布范围为0°到170°，其中，大约85%会对称地集中在15°到40°和140°到165°的范围内。ASA 的这种高度依赖环境的属性意味着高铁站台场景信道的特殊性，值得在未来的工作中进行更深入的研究。
毛巾挂件2.2.2离开方位角扩展
图4(b)为case1、case2的离开方位角扩展(ASD)的CDF 图。case1的ASD 均值为3.63°，case2的ASD 均值为5.06°，两种情况下均有超过90%的ASD 集中在0°到20°且分布几乎相同，这意味着本文中两种不同发射机的部署方式对此参数影响很小。case1和case2的ASD 均值(3.63°、5.06°)均小于ASA 均值(16.1°、88.52°)，case2相差更大。产生此现象的原因是因为发射机架较高(发射机距离地面15m ，接收机距离地面4.5m)且所处位置距离接收机较远，如图2所示，能够产生大量有效(相较于路径损耗最低的多径其路径损耗高出35dB 以内)散射径的有效散射体(电力架)大多分布在接收机附近，发射机所在平面有效散射体较少。故接收机附近能够在大角度范围内产生丰富多径，而发射机附近的多径角度范围较为狭窄，离开方位角扩展(ASD)自然会小于到达方位角扩展(ASA)。
2.2.3到达俯仰角扩展
图4(c)为case1、case2的到达俯仰角(ESA)扩展的CDF 图。与ASA 相比，两种情况下的射线在俯仰角域到达Rx 的范围窄(0°到12°)且分布相似。case1的ESA 均值为1.80°，case2的ESA 均值为2.12°，case1、case2两种情况下分别有98.15%、93.47%的ESA 集中在0°到6°。case2的ESA 整体高于case1，这是因为当发射机部署在离车站近处时，经雨篷反射和散射的电磁波的到达俯仰角更大，从而导致ESA
更大。
Fig.4CDF of AS
图4角度扩展累积分布
772
第8期曾成胜等：基于5G −R 系统的高铁站台场景信道特性2.2.4离开俯仰角扩展
图4(d)为case1、case2的离开俯仰角(ESD)扩展的CDF 图。可以看出俯仰平面中的角度扩展比方位平面中的角度扩展小得多。这是因为收发信机均采用了垂直极化天线，大多数多径在方位平面上产生，因此可以提供较多的分集增益[12]。
2.3交叉极化比
交叉极化比(XPR)是衡量双极化天线极化特性的常用指标，代表了不同极化之间场强的不平衡，其定义为同极化(V −V 或者H −H)接收信号场强与交叉极化接收信号场强之比。计算公式如下：
XPR =20lg (E co
E cross )(6)
式中：E co 为同极化接收场强；E cross 为交叉极化接收场强。
交叉极化比(XPR)的CDF 如图5所示。case1情况的XPR 均值
(2.46dB)小于3dB ，这意味着去极化效应严重，此时天线应考虑
圆极化天线；case2情况的XPR 均值(3.95dB)大于3dB ，此时去极
化效应并不严重。然而，由于多径传播，仍有大约20%的可能性
存在严重的去极化信道。因此，case2应选用双极化天线。
2.4互相关
互相关以0.7的阈值计算(与3GPP 一致)[12]，并总结在表2中。
根据表2，大多数参数之间的互相关很小，只有ESA 和ESD 在两
种情况下均有较高的相关度，这反映了高铁站台场景会高度影响
垂直面上的多径产生。
综上，表1和表2，以及图3~图5全面描述了2.1GHz 两种发
射机部署情况下高铁站台场景的信道特性。基于以上特性，对高
铁站台场景的通信系统设计建议如下：
1)由于均方根时延扩展小于400ns ，通信系统可用较短的循环前缀(不短于400ns)来提高信息传输速率。
2)ESA 和ESD 的值低于ASA 和ASD 。由于相干距离与角度扩展成反比，所以在水平面上相干距离较小。因此，当采用多天线分集技术时，发射机应采用水平线阵天线。
3)case1的XPR 平均值均小于3dB ，说明去极化效应严重。因此，这种情况下应考虑使用圆极化天线；case2的XPR 平均值大于3dB ，说明case2的去极化效应并不严重。考虑到仍有大约20%的可能性信道的去极化效应比较严重，因此，在case2条件下应采用双极化天线。
3结论
本文通过RT 仿真，分析了2.1GHz 频段下的厦门北站铁路枢纽场景信道。通过分析信道参数发现铁路枢纽场景的RMS 时延扩展累积分布与车站场景类似。当发射机部署在离车站远处时，大多数多径的传播距离要大于发射机部署在离车站近处时，故case1条件下RMS 时延扩展的均值(156.91ns)略大于case2条件下的(147.63ns)；因Tx 部署位置的不同，ASA 的CDF 差别很大。case2条件下，场景与Rx 的移动轨迹相对于Tx 近乎对称，故ASA 的CDF 图也呈现出对称现象。Tx 部署在离车站远处的case1的ASA 则不呈现上述现象，而是普遍集中在10°左右；在所有萃取的信道参数中，只有ESA 和ESD 具有较高的相关性。针对交叉极化比(XPR)这一参数，case1的XPR 均值(2.46dB)低于3dB ，case2的XPR 均值(3.95dB)高于3dB ，基于此，本文建议case1情况下采用水平线阵
表2参数的互相关
Table2Cross correlation of parameters
DS
ASA
ASD无石棉刹车片
ESA
ESD DS
case11.00case21.00ASA case10.371.00case20.221.00ASD case10.050.221.00case20.670.071.00ESA case10.050.040.041.00case2-0.150.130.071.00ESD case10.060.350.190.491.00case2-0.050.120.300.70
1.00Fig.5CDF of XPR 图5交叉极化比累积分布773
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