基于ST-BiSAR 技术的信道测量的仿真结果

   4.1 引言

   为了验证本文所提出的基于 ST-BiSAR 技术信道测量方法的可行性，探讨影响信道特征参数误差的因素，本章将在第三章构建的信道仿真器的基础上给出初步仿真结果。

   高速铁路是我国近年来发展最为迅速的便捷交通方式。然而目前的高速铁路无线通信技术却成为了未来高速铁路无线通信业务发展的一个瓶颈。基于 MIMO 关键核心技术的 LTE-R 规范正成为国际最新铁路无线通信技术的研究热点。尽管目前有很多关于高速铁路信道（HSR）的研究，不过都没有较好地解决列车高速运行情况下的 MIMO 信道测试问题。对于基站固定，高速列车几乎匀速运行的信道场景非常匹配发射机静止的 ST-BiSAR 几何模型，因此，本文将提出的基于 ST-BiSAR 技术的信道测量方法首先应用于 HSR 传输环境。4.2 节将给出具体的仿真信道场景及其参数设置。

  4.3 节将分析 HSR 信道环境中 ST-BiSAR 的空间分辨率。详细给出了多种场景时刻下的距离向分辨率、多普勒分辨率和方位向分辨率，这也为进一步的散射体成像提供理论基础。4.4 节将分析散射体的成像聚焦性能，并给出点散射体和群散射体两种目标散射体场景下的散射体成像图。基于这些成像的散射体地图，4.5 节将分析信道特征参数的提取，重点关注功率延迟分布和均方根时延扩展的信道时域特性，以及功率角度谱和均方根角度扩展的信道空域特性。

  4.6 节将从散射体的位置、合成孔径时间、探测信号的带宽和成像图像的分辨率等方面探讨影响散射体成像性能及信道特征参数提取的因素，这将为后续进一步的研究工作给出参考和指导。4.7 节是对成像运算量的一个大致分析。

  需要说明的是，本文在仿真过程没有考虑信道噪声的影响。目前本文工作的重心是验证提出的基于 ST-BiSAR 技术的信道测量方法的可行性，通过对现有仿真结果的分析，探索未来的研究方向。因此，信道噪声也暂时成为相对次要的因素。不过，这在将来的研究工作中是必然要考虑的。

  4.2 仿真参数

  由于高速列车在运行中，近乎保持一个恒定的速度。基站通常固定在铁路沿线的一侧。这样的通信场景与 ST-BiSAR 的几何拓扑结构非常匹配。只不过通常BiSAR 技术应用于远场的遥感遥测成像，而高速铁路信道 HSR 是一个近场的通信场景应用。图 4-1 给出了一个典型的高速铁路信道传播环境。发射机（即基站，Tx）通常固定于铁路的一侧，距离铁路大约 10 到 50 米。接收机（即高速列车，Rx）通常以近乎恒定的速度高速运行。信号传播中遇到的散射体，包括树木、建筑物，以及各种复杂地形等，随机分布在铁路的两侧。

   表 4-1 给出了 ST-BiSAR 模式下 HSR 信道环境和探测信号的仿真参数。发送的探测信号是中心频率在 2.35GHz 的多载波信号，信号带宽 100MHz，载波间隔 500KHz。基站高度为 30 米，静止位于铁路的一侧，与铁路的垂直距离为 50 米。假定高速列车以恒定的速度 360 公里/小时（100 米/秒）运行，接收机天线高度为 4.5 米。基站采用的是 360 度的全向天线；接收机采用的是 180 度的扇形天线，接收来自铁路左侧或右侧的散射体返回的信号。图 4-2 是仿真信道几何分布的示意图。 Tx 放置在原点中心，其三维坐标可以表示为（0,0,30）；Rx 沿着 x = 50 的路径平行于 y 轴运行。随机分布于信道环境中的散射体的高度范围为 0～40 米。

   4.3 空间分辨率

  空间分辨率是 BiSAR 成像的重要性能指标，直接影响成像质量的高低。因此本章首先给出的是基于 HSR 传输信道环境下的 ST-BiSAR 的空间分辨率分析结果，这既可以预评估本文提出的基于 ST-BiSAR 技术的信道测量方法的可行性，也可以为后续仿真的散射体图像分辨率设置提供基础。

  这里主要考虑的是 HSR 通信环境下的一个 8×8 公里的地面区域，可以看作是一个典型的宏小区信道场景。表 4-2 给出了三个典型情景时刻的场景几何拓扑结构，发射机和接收机在 x-y-z 三维坐标体系下的具体位置。发射机（Tx）在三种情景下均保持静止，高度 30 米，设置在坐标的原点，可表示为（0,0,30）。 接收机（Rx）以 100 米/秒的速度沿着平行于 y 轴的方向匀速运行 。三种情景时刻下接收机的位置分别对应为（50,0,4.5）, （2000,0,4.5）和（2000,-2000,4.5）。如表 4-1 所示，探测信号的频率为 2.35GHz，带宽为 100MHz。假定散射体分布的高度范围为 0～40 米。

  同时，为了更好地观察近距离下的成像可能性，这里也考虑了一个 400×400 米的局部信道场景地面区域，可以看做是一个典型的微小区信道环境。同样参考表 4-2 中的三种情景时刻对应的场景几何拓扑结构。

  下面分别从距离向分辨率、多普勒分辨率和方位向分辨率展示仿真结果。

   4.3.1 距离向分辨率

   图 4-3、图 4-4 和图 4-5 分别给出了情景时刻 1、情景时刻 2 和情景时刻 3 对应的距离向地面分辨率，也即高度 z = 0 的 x-y 平面的距离向分辨率。横轴代表 x 轴，表示距离向方向；纵轴代表 y 轴，沿着运动轨迹的方向。坐标单位均为米，坐标范围均跨越 -4 到 4 公里。

   图 4-3 是 Rx 位于（50,0,4.5）的距离向地面分辨率。可以看到，图中的分辨率梯度数值主要分布在 1.5 左右，这与 SAR 成像的距离向分辨率理论数值是匹配的（距离向分辨率约等于