基于中继的高速铁路通信系统中子载波和功率分配优化算法研究

摘要

目前高速铁路通信系统中所采用的公共通信网络已经不能满足大量的通信业务需求，而且高速铁路场景复杂，信道有显著的时变特性，无线信号经过车体会严重衰减，列车的高速移动引起小区切换频繁和多普勒频移，这些都迫使铁路通信系统更新换代，采用更先进的宽带移动通信技术。基于演进型的长期演进(LongTerm Evolution-Advanced，LTE-A)通用移动通信系统(Universal MobileTelecommunications System，UMTS)具有更优的网络架构、更高的数据传输速率、更好的频谱效率等优点。其中，中继技术作为LTE-A中的关键技术之一，得到了国内外的广泛研究，基于中继技术的通信网络是高速铁路公网通信系统的更优选择。
　　本文的研究场景设定在高速铁路公共业务场景下，传输模型为中继半双工两时隙模型，研究重点是基于中继技术的高速铁路公网通信系统中的无线资源优化问题，主要包括无线资源调度算法、子载波配对、功率分配三方面的研究内容。
　　在LTE-A系统中，中继节点的引入，带来了更为复杂的子载波资源优化、功率分配、回程链路和接入链路资源协调等问题。本文采用的研究思路为:在提出合理的基于中继技术的高速铁路公网通信系统调度算法的基础上，对子载波资源进行优化配对，最后进行功率分配，从而提高整个系统的性能，同时降低资源分配复杂度。与传统的无线资源统一优化方案相比，本文提出的资源优化方案具有更低的复杂度，更高的系统容量，更好的系统性能。
　　本文在已有的中继技术和公网资源调度算法基础上，提出了优先级加权比例公平非实时调度算法和加权时限比例公平实时调度算法。优先级加权比例公平非实时调度算法，同时考虑了系统容量和用户公平性因素，具有更好的系统综合性能。加权时限比例公平实时调度算法在考虑系统容量和用户公平性的同时，加入时延因素，并结合了中继两跳链路的特性，此算法更适用于基于中继的高速铁路公网通信系统场景。子载波配对算法是结合中继网络中回程链路和接入链路特性而提出的资源分配优化方案，本文提出了基于信道差距最小优先原则的子载波配对算法，并分析和描述了配对算法性能和实现过程。通过与其他配对算法的系统性能对比分析，得出基于信道增益差距最小优先原则配对算法能够有效提升系统容量。在子载波配对完成的前提下，进行功率分配优化可以降低整个资源分配过程的复杂度，且获得更好的系统性能。本文针对基于中继的高速铁路通信系统功率分配问题建立了相应的数学模型，并进行了理论分析和仿真验证。

目录

声明

致谢

摘要

序言

1 引言

1．1 研究背景

1．1．1 研究意义

1．1．2 研究现状

1．1．3 研究内容

1．2 文章结构安排

2 LTE-A中的中继技术

2．1 LTE-A系统及关键技术介绍

2．2 中继转发方式

2．3 中继应用场景

2．4 中继相关理论分析

2．4．1 中继通用信道模型中继策略分析

2．4．2 中继增益

2．5 中继节点分类

2．5．1 根据协议层分类

2．5．2 根据中继扩展分类

2．5．3 根据使用频段分类

2．6 LTE-A中继架构

2．7 本章小结

3 基于中继的调度算法

3．1 中继在高速铁路场景中的应用

3．2 无线资源调度算法

3．2．1 非实时资源调度算法

3．2．2 实时资源调度算法

3．3 基于中继的无线资源调度

3．3．1 时隙信道模型

3．3．2 信道模型

3．3．3 高速铁路通信系统中继网络的调度算法

3．4 仿真分析

3．4．1 中继与非中继系统性能对比

3．3．2 调度算法性能分析

3．5 本章小结

4 子载波与功率的资源分配优化

4．1 子载波配对

4．1．1 中继传输模型

4．1．2 子载波配对性能分析

4．1．3 子载波顺序配对算法

4．1．4 子载波差距最小优先配对算法

4．2 子载波配对和功率分配的联合优化

4．3 仿真分析

4．3．1 子载波分配优化

4．3．2 子载波配对与功率分配的联合优化

4．4 本章小结

5 结论

参考文献

缩略词索引

图索引

表索引

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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