高速鐵路寬帶無線接入網絡架構與性能分析研究.pdf

1、無線通信的發(fā)展始終朝著一個目標演進，那就是讓人們能夠在任何時間、任何地點與任何人進行通信。高速列車作為現(xiàn)代重要交通工具，與人們的生活息息相關。在長達數(shù)小時的旅程中，乘客所需的通信服務一般包括語音、電子郵件、上網瀏覽和流媒體等多種業(yè)務。為高速移動中的乘客提供信息化服務，已成為移動通信發(fā)展中新的熱點。高速鐵路寬帶無線接入網絡存在信道快變、多普勒頻譜擴展大、切換頻繁、頻譜受限、電波干擾復雜、可靠性要求高等特點。然而，現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)均無法很好

2、地解決這些問題。因此，需要研究和分析與高速移動環(huán)境相適應的新一代高速鐵路寬帶無線接入網絡架構及其性能。
　　本文利用概率論和隨機矩陣等理論工具，對高速鐵路寬帶無線接入網絡進行研究。針對高速鐵路場景，分析信道特性，提出適用的網絡架構，研究高鐵網絡中的各項性能指標?；谝话愕母哞F信道模型，本文給出了信道容量、中斷率、誤碼率、差錯指數(shù)、截止速率、刪除指數(shù)和有效速率等數(shù)學表達式。研究成果能夠解析地評估高鐵網絡系統(tǒng)性能，揭示高鐵網絡的性能受

3、限規(guī)律，把握影響網絡性能的系統(tǒng)參數(shù)，為今后高速鐵路寬帶網絡的設計、規(guī)劃和優(yōu)化提供理論依據，具有現(xiàn)實意義。具體來說，本文的主要工作有:
　　1.在高鐵場景信道特性和系統(tǒng)架構方面，本文首先根據實際測量數(shù)據，分析了高鐵信道的大尺度和小尺度衰落參數(shù)的統(tǒng)計特性。針對高鐵信道的復雜多樣性，引入了兩種一般的小尺度信道衰落模型:η-μ和κ-μ分布，并分別給出其信號包絡和功率的概率密度表達式，為后文的性能分析提供了數(shù)學基礎。通過改變它們的參數(shù)能夠較

4、好地描述高鐵各種場景中的小尺度衰落特性，具有一般性。具體來說，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，本文分析了各種現(xiàn)有高速鐵路接入網絡技術方案（例如衛(wèi)星通信、漏泄電纜和WiMAX等）的優(yōu)缺點。在此基礎上，提出了基于車載基站和RoF的高鐵網絡方案。通過在列車頂部架設天線，車載基站直接與軌邊射頻

5、拉遠單元進行通信，并將接收信號進行處理后，通過分布于車廂內部的天線，覆蓋車廂內的用戶終端。該方案成本較低，能夠支持多種通信制式，切換管理簡單，實現(xiàn)平滑切換，降低切換時延，切換成功率高，減小對其他網絡的干擾。更重要的是，該網絡架構能夠把復雜的時變信道估計算法和抗多普勒效應算法移到車載基站上，解決了用戶終端功率和性能受限的難題。
　　2.在高鐵寬帶無線接入網絡的性能分析方面，本文首先分析RAU與車載基站之間無線鏈路的經典性能。在綜合考

6、慮路徑損耗、陰影衰落和小尺度衰落基礎上，提出一種一般的η-μ/Gamma復合信道模型。根據這種混合信道的瞬時接收功率的概率密度函數(shù)和累積分布函數(shù)解析表達式，給出了中斷概率和誤碼率的準確表達式。進一步，推導了不同發(fā)送機制下η-μ/Gamma復合衰落模型的信道容量表達式。然后，本文還分析了高鐵網絡的差錯指數(shù)和有效速率兩個性能指標。通過研究MIMO STBC系統(tǒng)在η-μ和κ-μ信道下的差錯指數(shù)，分析收發(fā)天線數(shù)、相干時間、編碼長度、陰影衰落及小

7、尺度信道參數(shù)對差錯指數(shù)的影響。另外，還給出了信道容量、截止速率和刪除指數(shù)等準確和高信噪比下漸進的解析表達式。最后，通過研究MISO系統(tǒng)在η-μ和κ-μ信道下的有效速率準確和漸進表達式，將物理層的信道傳輸速率與數(shù)據鏈路層的QoS要求結合起來。本文得到的各種表達式包括和驗證了前人對于Nakagami-m、Rician和Raileigh等信道模型的研究結果，具有一般性。
　　3.針對高速鐵路中占主要部分的高架橋場景，提出了一種使MIMO

8、系統(tǒng)達到最大信道容量的收發(fā)天線間距準則。在具有強直射路徑的場景中，傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)中由于各天線相隔較近，往往導致信道相關矩陣不滿秩，降低了系統(tǒng)容量。為了使相關矩陣滿秩，本文首先分析了雙發(fā)雙收MIMO系統(tǒng)的天線間距準則，推導得到收發(fā)天線間距之積s1s2與載波頻率、收發(fā)信機距離以及天線傾斜角度有關，而與收發(fā)天線的高度差無關。然后，將該準則推廣到任意收發(fā)天線個數(shù)的普遍情況，得到條件s1s2仍與發(fā)射天線數(shù)成反比。最優(yōu)容量MIMO機制在高鐵場景具