高铁毫米波通信与雷达探测波束赋形技术

摘要

高速铁路的通信系统分为用于列车调度控制的专用无线通信系统和用于列车上乘客接入互联网的宽带无线通信系统。目前用于铁路调度控制的无线通信系统绝大多数采用的还是GSM-R系统，列车上的乘客接入互联网主要还是依靠公网。然而，公网的移动性能远远不能满足乘客对网络速度与质量的要求，开发新的频段用于高速铁路无线通信成为必要。铁路无线通信系统向下一代移动通信系统演进势在必行，相应的是大规模的基站等基础设施的更新与替换。此外，我国的高铁经常穿行于偏僻、环境恶劣的山区，滑坡、泥石流等自然灾害长期威胁着铁路运营的安全，适用于高铁场景下的灾害监测技术也亟待研究。
　　毫米波由于能够实现超高速数据传输速率，在下一代无线通信系统中具有巨大潜能;由于资源丰富，探测精度高，在雷达探测领域的研究也具有重大意义。将毫米波通信与探测技术集成于一个基站，使其成为集提供高速率的无线传输功能以及灾害监测与预警功能为一体的安全基站。雷达设备与通信设备共站址，共基带，共回传，此安全基站设备不易受到破坏，且具有系统成本较低、探测效率高等优势。因此，本文基于C-RAN(Cloud-Radio AccessNetwork)的通信与探测融合架构，对毫米波特性以及毫米波波束赋形技术的研究具有极大的理论及现实意义。
　　为进一步提高通信和探测系统的性能，本文对毫米波传输特性、波束赋形技术以及探测波束扫描方案等进行了深入研究。首先，引入基于C-RAN的毫米波通信与探测融合架构，从毫米波传输特性和探测分辨率需求两个角度研究融合系统的适用频段，同时研究了毫米波通信与探测范围和发射功率的关系。波束赋形技术对于高铁毫米波通信至关重要，因此，本文接着详细研究了适用于高铁场景的机会波束赋形技术。首先，对波束赋形的原理、波束宽度的影响因素进行了介绍和分析。然后，介绍了两种机会波束赋形技术，分析了基站天线数量和车载台个数以及DOA估计误差对于波束赋形带来的系统增益的影响。另外，在此基础上提出了基于位置信息的单双流切换波束赋形技术来进一步提升系统性能，并且结合两个波束间的干扰因子和单双波束的系统容量研究合适的单双波束的切换点。为了提高集成系统的灾害探测效率，本文提出了一种灾害探测自适应波束赋形方案。首先基于毫米波传输特性以及探测需求提出了分频多波束探测方案，在此基础上提出了一种自适应波束扫描方式，并且不同的探测区域采用不同的波束探测方案。由仿真分析可知，本文所提的自适应波束赋形方案既可以满足各个区域的探测预警需求，也可以在一定程度上减少系统的复杂度，是一种有效的灾害探测波束赋形方案。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 铁路灾害监测技术的研究现状

1．2．2 高铁场景波束赋形技术研究现状

1．2．3 雷达波束探测的研究现状

1．3 论文主要工作与结构安排

第2章 融合架构下的适用频段与覆盖范围研究

2．1 基于C-RAN的融合架构

2．2 融合系统的适用频段

2．2．1 毫米波传输特性及通信需求

2．2．2 雷达探测分辨率

2．3 融合系统的覆盖范围

2．3．1 通信覆盖半径分析

2．3．2 探测距离研究

2．4 小结

第3章 基于位置信息的高铁单双流切换波束赋形方案

3．1 波束赋形技术分析

3．1．1 波束赋形原理

3．1．2 均匀直线阵

3．1．3 波束宽度分析

3．2 单流波束赋形技术

3．2．1 系统模型

3．2．2 传统机会波束赋形

3．2．3 位置信息辅助的机会波束赋形

3．2．4 仿真与性能分析

3．3 基于位置信息的单双流切换波束赋形

3．3．1 单双流波束赋形系统容量

3．3．2 单双流切换波束赋形方案

3．3．3 DOA差及双波束干扰分析

3．3．4 单双波束切换点分析

3．4 小结

第4章 高铁灾害探测自适应波束赋形方案

4．1 高铁场景灾害探测需求分析

4．2 分频多波束探测方案

4．3 自适应波束扫描方案

4．3．1 波束扫描过程

4．3．2 扫描窗设置

4．4 探测自适应波束赋形方案

4．5 仿真及性能分析

4．6 小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及参与的科研项目