高速铁路宽带无线接入网络架构与性能分析研究

摘要

无线通信的发展始终朝着一个目标演进，那就是让人们能够在任何时间、任何地点与任何人进行通信。高速列车作为现代重要交通工具，与人们的生活息息相关。在长达数小时的旅程中，乘客所需的通信服务一般包括语音、电子邮件、上网浏览和流媒体等多种业务。为高速移动中的乘客提供信息化服务，已成为移动通信发展中新的热点。高速铁路宽带无线接入网络存在信道快变、多普勒频谱扩展大、切换频繁、频谱受限、电波干扰复杂、可靠性要求高等特点。然而，现有无线通信系统均无法很好地解决这些问题。因此，需要研究和分析与高速移动环境相适应的新一代高速铁路宽带无线接入网络架构及其性能。
　　本文利用概率论和随机矩阵等理论工具，对高速铁路宽带无线接入网络进行研究。针对高速铁路场景，分析信道特性，提出适用的网络架构，研究高铁网络中的各项性能指标。基于一般的高铁信道模型，本文给出了信道容量、中断率、误码率、差错指数、截止速率、删除指数和有效速率等数学表达式。研究成果能够解析地评估高铁网络系统性能，揭示高铁网络的性能受限规律，把握影响网络性能的系统参数，为今后高速铁路宽带网络的设计、规划和优化提供理论依据，具有现实意义。具体来说，本文的主要工作有:
　　1.在高铁场景信道特性和系统架构方面，本文首先根据实际测量数据，分析了高铁信道的大尺度和小尺度衰落参数的统计特性。针对高铁信道的复杂多样性，引入了两种一般的小尺度信道衰落模型:η-μ和κ-μ分布，并分别给出其信号包络和功率的概率密度表达式，为后文的性能分析提供了数学基础。通过改变它们的参数能够较好地描述高铁各种场景中的小尺度衰落特性，具有一般性。具体来说，η-μ分布包括Hoyt、 Rayleigh和Nakagami-m分布;κ-μ分布包括Ricean、One-Side Gaussian、Rayleigh和Nakagami-m分布等。然后，本文分析了各种现有高速铁路接入网络技术方案（例如卫星通信、漏泄电缆和WiMAX等）的优缺点。在此基础上，提出了基于车载基站和RoF的高铁网络方案。通过在列车顶部架设天线，车载基站直接与轨边射频拉远单元进行通信，并将接收信号进行处理后，通过分布于车厢内部的天线，覆盖车厢内的用户终端。该方案成本较低，能够支持多种通信制式，切换管理简单，实现平滑切换，降低切换时延，切换成功率高，减小对其他网络的干扰。更重要的是，该网络架构能够把复杂的时变信道估计算法和抗多普勒效应算法移到车载基站上，解决了用户终端功率和性能受限的难题。
　　2.在高铁宽带无线接入网络的性能分析方面，本文首先分析RAU与车载基站之间无线链路的经典性能。在综合考虑路径损耗、阴影衰落和小尺度衰落基础上，提出一种一般的η-μ/Gamma复合信道模型。根据这种混合信道的瞬时接收功率的概率密度函数和累积分布函数解析表达式，给出了中断概率和误码率的准确表达式。进一步，推导了不同发送机制下η-μ/Gamma复合衰落模型的信道容量表达式。然后，本文还分析了高铁网络的差错指数和有效速率两个性能指标。通过研究MIMO STBC系统在η-μ和κ-μ信道下的差错指数，分析收发天线数、相干时间、编码长度、阴影衰落及小尺度信道参数对差错指数的影响。另外，还给出了信道容量、截止速率和删除指数等准确和高信噪比下渐进的解析表达式。最后，通过研究MISO系统在η-μ和κ-μ信道下的有效速率准确和渐进表达式，将物理层的信道传输速率与数据链路层的QoS要求结合起来。本文得到的各种表达式包括和验证了前人对于Nakagami-m、Rician和Raileigh等信道模型的研究结果，具有一般性。
　　3.针对高速铁路中占主要部分的高架桥场景，提出了一种使MIMO系统达到最大信道容量的收发天线间距准则。在具有强直射路径的场景中，传统MIMO系统中由于各天线相隔较近，往往导致信道相关矩阵不满秩，降低了系统容量。为了使相关矩阵满秩，本文首先分析了双发双收MIMO系统的天线间距准则，推导得到收发天线间距之积s1s2与载波频率、收发信机距离以及天线倾斜角度有关，而与收发天线的高度差无关。然后，将该准则推广到任意收发天线个数的普遍情况，得到条件s1s2仍与发射天线数成反比。最优容量MIMO机制在高铁场景具有很大优势，这是由于与传统用户终端（如手机等）不同，高速列车顶部面积较大，不受尺寸限制，可以安装间距较远的多根微型天线。另外，本文还探讨了该准则在实际高铁Rician信道和弯道处的性能。仿真结果表明，本文提出的最优容量MIMO准则不仅能够在直线场景中获得较大的速率，而且适用于弯道场景。

目录

声明

致谢

摘要

英文缩略语表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 高速铁路无线信道建模

1．2．1 高铁信道测量参数

1．2．2 高铁信道测量方法与机理

1．3 其它技术难点

1．3．1 多普勒频移

1．3．2 多径效应

1．3．3 穿透损耗

1．3．4 快速切换

1．3．5 多网络共存

1．3．6 宽频带需求

1．3．7 特定场景中的问题

1．4 研究现状与存在的问题

1．4．1 高速铁路信道模型研究

1．4．2 高速铁路无线通信网络架构研究

1．4．3 高速铁路多天线技术研究

1．5 论文的研究点和创新点

1．6 论文的结构安排

2 高速铁路信道特性

2．1 测量设备与方法

2．2 高速铁路大尺度衰落特性

2．2．1 路径损耗

2．2．2 最强径归一化功率

2．2．3 阴影衰落

2．3 高速铁路小尺度衰落特性

2．3．1 多普勒扩展与相干时间

2．3．2 时延扩展与相干带宽

2．3．3 其他参数

2．4 高铁适用的信道衰落统计模型

2．4．1 η-μ衰落信道

2．4．2 κ-μ衰落信道

2．4．3 η-μ、κ-μ模型与其它信道模型的关系

2．5 本章小结

3 高速铁路宽带无线接入网络架构

3．1 现有网络架构方案

3．1．1 卫星通信方案

3．1．2 泄漏电缆方案

3．1．3 UMTS方案

3．1．4 RoF方案

3．1．5 WiMAX方案

3．1．6 方案比较

3．2 车载基站方案

3．2．1 系统架构

3．2．2 切换管理

3．2．3 性能分析

3．2．4 方案特点

3．3 本章小结

4 高速铁路宽带无线网络经典性能指标分析

4．1 车地网络系统模型

4．1．1 η-μ／Gamma信道模型

4．1．2 η-μ／Gamma信道一般性

4．2 中断概率

4．2．1 仿真分析

4．3 信道容量

4．3．1 最佳速率匹配容量

4．3．2 最佳功率和速率匹配容量

4．3．3 固定速率信道反转容量

4．3．4 固定速率截断信道反转容量

4．4 误码率

4．4．1 准确分析

4．4．2 渐进性分析

4．5 仿真分析

4．6 本章小结

5 高速铁路宽带无线网络新型性能指标分析

5．1 差错指数

5．1．1 基本概念

5．1．2 系统模型

5．1．3 η-μ信道差错指数分析

5．1．4 κ-μ信道差错指数分析

5．2 有效速率

5．2．1 基本概念

5．2．2 系统模型

5．2．3 η-μ信道有效速率分析

5．2．4 κ-μ信道有效速率分析

5．3 本章小结

6 高速铁路宽带无线接入网络MIMO最优容量分析

6．1 系统模型

6．2 设计准则

6．2．1 MIMO信道容量

6．2．2 双发双收最佳容量准则

6．2．3 任意天线最佳容量准则

6．2．4 仿真分析

6．3 鲁棒性测试

6．3．1 视距信道

6．3．2 铁轨弯道场景

6．4 本章小结

7 研究工作总结和展望

7．1 本文主要贡献

7．2 下一步研究展望

7．3 结束语

插图索引

表格索引

参考文献

作者简历

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间参与的科研项目

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