高速铁路车-地宽带无线通信信道建模方法研究

摘要

近年来，高速铁路技术快速发展。到2014年10月26日为止，中国已经拥有全世界规模最大以及运营速度最高的高速铁路网，中国高铁运营里程约占世界高铁运营里程的50％，总里程已经超过12000公里。现在高速列车已经成为旅客出行的重要方式之一，列车安全监测及旅客信息服务等需求的出现，对车地无线通信的稳定性和快速性要求越来越高。然而随着列车时速的不断加快，由于列车高速运行引起的多普勒效应及场景复杂性带来的多径效应严重影响了车地无线通信的质量，传统的窄带GSM-R无法满足数据传输速率的高要求，无法保证在高速环境下的宽带移动通信业务。为解决由列车运行速度大幅提升造成的旅客通信质量大幅下降，列车检测信息不能实时回传等问题，需要搭建基于LTE-R宽带无线专网，通过系列化关键技术彻底解决高速铁路车-地通信问题。
　　建立合理可靠的无线信道模型是进行车地通信系统设计的基础。对于高速铁路车地宽带无线通信信道建模方法的研究，是解决目前车地通信问题非常重要的环节。高铁运行环境复杂、多普勒偏移大、小区切换频繁等问题均给无线信道建模带来很大困难。传统的信道建模方法有确定性建模、统计性建模及半确定性建模，不同的建模方法都有各自的优缺点。针对以上问题，结合各种建模方法的思路优势，本文对高速铁路车-地通信信道建模方法展开了研究。
　　本文采用了理论建模与实地测量相结合的建模方法。理论上，首先针对高铁环境，采用基于几何随机散射理论的建模方法，对开阔地、山地、城市三种典型场景的场景特点进行分析，分别建立了无线信道模型，又分场景推导了该场景下的AoD概率密度分布和时空相关特性。接下来，分场景对高铁无线信道进行测量并对测量数据做数据处理，根据功率延迟分布曲线拟合路径损耗、阴影衰落因子、多径数、时延等无线信道参数。最后，对自建模型进行仿真和验证。将测量参数与理论模型相结合，建立完整的信道模型，对信道模型进行仿真，从AoD概率密度和时空相关特性两个角度，对开阔地、山地、城市三种场景下的WinnerⅡ经典模型、自建模型、测量值进行对比，验证本文所建立的信道模型的有效性和准确性。
　　结果验证，本文所建立的信道模型与测量数据的拟合性更好，更具有效性和准确性。该模型的建立，对于提高车-地无线通信质量，以满足列车安全监测及旅客信息服务等需求;对于提升车地无线通信系统的稳定性和快速性;对于基于LTE-R宽带无线专网的搭建，解决高速铁路车-地通信问题，具有重要意义。

目录

声明

致谢

摘要

一 引言

1．1 研究背景

1．2 高铁无线通信特征

1．3 研究意义

1．4 国内外研究现状

1．5 本文主要研究内容及安排

二 无线信道基本特性

2．1 大尺度衰落

2．2 小尺度衰落

2．2．1 多径效应

2．2．2 多普勒效应

2．3 高铁无线信道参数

2．3．1 莱斯K因子

2．3．2 多径效应相关参数

2．3．3 多普勒效应相关参数

2．4 本章小结

三 基于几何随机散射理论的高铁无线信道建模

3．1 开阔地场景

3．1．1 开阔地场景建模

3．1．2 开阔地场景AoD概率密度分布

3．1．3 时空相关特性

3．2 山地场景

3．2．1 山地场景建模

3．2．2 山地场景AoD概率密度分布

3．2．3 时空相关特性

3．3 城市场景

3．3．1 城市场景建模

3．3．2 城市场景AoD概率密度分布

3．3．3 时空相关特性

3．4 本章小结

四 高速铁路无线信道模型的测量

4．1 常用测量方法

4．1．1 大尺度测量方法

4．1．2 小尺度测量方法

4．2 自建测量方案

4．2．1 测量原理——改进型扩频滑动相关

4．2．2 测量系统结构设计

4．2．3 测量设备参数和连接方法

4．3 本章小结

五 信道模型的参数提取、仿真及验证

5．1 参数提取方法

5．1．1 大尺度参数

5．1．2 小尺度参数

5．2 测量及结果分析

5．2．1 开阔地场景

5．2．2 山地场景

5．2．3 城市场景

5．3 模型仿真与验证

5．3．1 AoD概率密度

5．3．2 时空相关特性

5．4 本章小结

六 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 后续研究工作

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集