轨道交通场景无线信道测量与多链路建模研究

发布时间：2020-03-19 03:51

【摘要】：作为全球智慧交通系统的重要组成部分,轨道交通是发展国民经济,促进交通便利的重要基础设施。轨道交通无线通信系统能够保障轨道交通运营安全、高效、舒适,是实现“智慧出行”的关键所在。轨道交通无线通信业务需求主要包括三大类:列车控制与调度、运营状态监控与高清回传和乘客信息服务体验。多样化业务需求产生的差异化性能指标为轨道交通无线通信系统设计带来了挑战。无线信道研究是无线通信系统设计的基础。准确建模无线信道能够为轨道交通无线通信系统关键技术评估、系统和链路级仿真以及网络规划提供理论支撑。多链路通信指的是在一定空间范围内包含超过两个通信节点同时进行通信的技术。多链路通信可以分为多基站通信和多用户通信,多链路通信技术引入到轨道交通无线通信系统中可以降低小区切换频率、提高数据传输效率和增大信道容量。因此,在轨道交通多链路通信系统设计中,需要研究适用于轨道交通多链路通信的无线信道测量方法和建模理论。本文围绕上述轨道交通三类无线通信业务需求开展了无线信道测量和多链路信道建模研究。本文主要工作归纳如下:1)针对如何测量轨道交通场景中的无线信道问题,开展了面向轨道交通场景的无线信道测量方法研究。提出了轨道交通场景中无线信号功率的本地均值估计方法,包括样本统计平均区间上、下边界推导和采样样本个数计算。基于多载波技术,设计了一种信道测量信号,通过软件无线电平台,实现了支持并行多天线的信道测量系统,并利用无线信道仿真仪对信道测量系统进行了校准和验证。2)针对如何表征轨道交通遮挡场景中的信道衰落问题,开展了高速铁路遮挡场景下的无线信道衰落建模研究。根据多重散射电波传播机制,建立了二阶散射衰落(Second-Order Scattering Fading,SOSF)模型。考虑遮挡场景的多径传播特点,引入了“双瑞利”分布来描述遮挡场景中的信道衰落特性。利用包含横跨桥影响的路堑场景中的信道测量数据,将SOSF模型进行了参数化分析和仿真实现,讨论了不同衰落分布之间的马尔科夫状态转移概率,并对SOSF模型的准确性进行了验证。3)针对如何描述轨道交通多基站通信场景中的信道相关特性问题,开展了城际铁路多基站通信场景下的无线信道测量与建模研究。在城际铁路高架桥场景中,设计实施了双基站信道测量活动。根据实地测量数据,提取了信道大尺度参数(Large-Scale Parameter,LSP),并对各个LSP进行了统计分布建模和相关性建模。基于一阶二状态马尔科夫链,描述城际铁路时变信道的多径生灭过程,并根据抽头延迟线结构引入了抽头相关矩阵,建立了能够反映多基站信道相关性的时变多链路信道模型。4)针对如何度量轨道交通多用户通信场景中的信道空间特性问题,开展了地下铁路大规模天线阵列系统中多用户通信场景下的无线信道测量与建模研究。在地下铁路站台场景中,设计实施了大规模天线阵列系统的多用户信道测量活动。根据实地测量数据,研究了多用户信道的空间相关性参数和其指数变化规律,探讨了影响多用户信道空间特性变化的因素。建立了一个基于相关矩阵的多用户信道模型,并完成了实测数据与信道仿真结果的对比验证。
【图文】：

Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｒａｉｌ邋ｔｒａｆｆｉｃ邋ｗｉｒｅｌｅｓｓ邋ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ邋ｓｅｒｖｉｃｅ邋ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ逡逑高速铁路系统中的列车行驶安全至关重要，列控列调系统一旦出现信号中断，逡逑驾驶员将无法采用常规目测方式正常驾驶列车，会导致列车的紧急制动和停逡逑止运行。因此，此类业务的主要特点是网络可靠性高、端到端时延低、网络逡逑覆盖范围广、数据速率低。目前，，ＧＳＭ－Ｒ和ＴＥＴＲＡ系统主要用于承载列车控逡逑制与调度业务。逡逑２）运营状态监控与高清回传：运营状态监控与高清回传业务主要包括铁路列逡逑车与地面设施高清监控视频传输和宽带数据业务以及城市轨道交通智能化逡逑调度和运营管理等高数据速率业务。为了保证轨道交通系统运营的高效与安逡逑全，需要将列车关键部件的监测数据、车内驾驶员和设备的状态信息实时传逡逑送到地面运营中心。此类业务的主要特点是数据传输速率高、系统带宽要求逡逑大、需满足列车高速运行的快速小区切换和城市环境中的通信稳健性。目前，逡逑ＬＴＥ－Ｒ和ＬＴＥ＿Ｍ系统主要用于承载运营状态监控与高清回传业务。逡逑

路多基站通信场景和地下铁路多用户通信场景，结合轨道交通场景无线信道研究逡逑中存在的问题，采用无线信道实地测量的手段进行统计性信道建模研究。文章主逡逑要工作和创新点总结如图１．２所示，本文在以下四个方面做出了贡献：逡逑１）轨道交通场景无线信道测量方法：为了满足未来轨道交通无线信道测量系统逡逑需支持宽带、多天线、多链路的要求，研宄了面向轨道交通场景的无线信道逡逑测量方法。根据轨道交通场景众多的特点，在Ｌｅｅ氏定理的基础上，考虑了大逡逑尺度衰落相关性的影响，推导了轨道交通场景本地均值估计中样本统计平均逡逑区间的上、下界和采样样本个数的表达式。结合轨道交通场景的信道参数分逡逑布特性，给出了不同场景下样本统计平均区间长度和采样样本个数。根据轨逡逑１２逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U285.2;TN92

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本文编号：2589663