[发明专利]基于散射特征的高铁无线信道多普勒功率谱的计算方法

权利要求书

1.一种基于散射特征的高铁无线信道多普勒功率谱的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤101：将高铁散射场景中的无线信道分为甚弱散射场、弱散射场、强散射场和甚强散射场；为了将散射场景进行分类及量化表示，定义了散射因子用以区分不同散射场景，其中，P_LOS和P_N-LOS分别表示接收端信号中所包含来自直射径和散射径功率大小，随着散射因子逐渐增大，接收信号中所对应的散射分量越丰富；散射因子定义式为：

按照散射因子的大小，将散射场景进行分类，分别为甚弱散射场、弱散射场、强散射场和甚强散射场；

步骤102：根据步骤101高铁散射场景类型，按照下表确定接收端信号中所含直射径数m和散射径数n：

所述的散射子信道，包括直射信道和散射信道均为抽头延迟线模型，用取整法将抽头调整到最近的采样时刻，能够保证路径数和每一径的功率不变，用四舍五入的抽头调整方法统计出所有散射子信道的可分辨的直射径数m和散射径数n，并且每根抽头延迟线包括每径相对时延信息、平均功率、多普勒信息及空间域信息；

步骤103：根据步骤102中实际场景中发射端或接收端的周围分布散射体的几何尺寸，材质及其他物理属性，依据步骤102中的散射径数n，确定各散射子信道所对应的散射系数；

步骤104：基于步骤101的散射场景和对应的高铁无线信道特征，步骤102中接收信号中所含直射径数m和散射径数n，步骤103计算的散射子信道的散射系数，按照多普勒扩展定义式计算高铁移动端的多普勒功率谱，具体步骤为：

基于上面步骤中所含高铁散射场景类型、接收信号中直射径数和散射径数、散射子信道的散射系数信息计算出信道系数，按照多普勒扩展定义式计算高铁移动端的多普勒功率谱，根据高铁移动端的多普勒功率谱的表达式，基站的位置相对固定，这里推导出三维空间模型中高铁移动端的多普勒功率谱表达式；该空间三维几何模型分别考虑到视距传输以及散射传输；基站天线高度为h，散射体S的高度为在水平面天线与移动台距离为d，天线与水平面夹角为天线高度角θ，将X-Y面作为方位角平面，基站和移动台方向所成夹角β为方位角，则直射径到达角α和方位角β、天线高度角θ的关系为：

cosα＝cosβ·cosθ

而经过散射体S到达移动端的散射径传输，其散射体在X-Y面的投影与移动台的方位角为η，散射体与X-Y面的夹角为ψ，则散射径到达角与方位角η、高度角ψ的关系为：

设移动端相对于基站和散射体的速度为v_r，则相对于基站、散射体的多普勒频移分别为：

其中f_c为载波频率，c为光速；基站端发送信号经过直射和散射两种不同路径到达移动端，定义其最大的多普勒频移为则多普勒频移f_db，f_ds均分布在(-f_m,f_m)内；

考虑到实际情况，高铁接收到的信号包括m条直射径和n条散射径，则移动端接收信号y(t)表示为如下形式：

其中x(t)为基站发送信号，分别为第i条直射径和第j条散射径的复增益因子，f_db,i(t)，f_ds,j(t)分别为第i条直射径和第j条散射径的多普勒频移，σ_pq,j为第j条散射径的散射系数；

接收信号的自相关函数为：

其中令p(α)，分别为直射径到达角α和散射径到达角的分布；将cosα,表达式分别代入上式，即得到该三维几何模型的接收信号自相关函数的表达式：

R(τ)＝E_a∫_β∫_θexp(j2πf_mcosθcosβτ)p(θ)p(β)dθdβ+E_b∫_η∫_ψexp(j2πf_mcosψcosητ)_p(ψ)p(η)dψdη

对上式自相关函数R(τ)做傅里叶变换，即：

得到接收信号y(t)的多普勒功率谱S(f)。

2.根据权利要求1所述的基于散射特征的高铁无线信道多普勒功率谱的计算方法，其特征在于，所述步骤103具体为：统计出实际散射场景中发射端和接收端附近分布散射体的物理属性，确定各散射子信道所对应的散射系数；散射系数的定义为该方向上产生相同散射功率密度的各同向性等效散射体的总散射功率与照射面积的总入射功率的比值，其数学表示式为：

其中，R为照射面中心到观察点之间的距离，P_pq为散射功率，E为散射波的电场，A₀为照明面积；单次散射的散射系数为：

其中，δ为散射体粗糙表面均方根高度，k_ij为散射波极化系数，k₁为空间波数，f_pq,F_pq分别对应于Kirchhoff项及其补充项，W⁽ⁿ⁾(α,β)为n阶散射体表面相关函数的粗糙谱，其表达式为：