高铁无线通信中小区切换与多天线技术研究

发布时间：2018-11-13 12:31

【摘要】：近年来,我国的高速铁路建设发展迅速,列车运行速度和铁路建设里程均达到世界前列。高速铁路的发展给人们出行带来了极大便利的同时,也对高速铁路场景下的宽带无线通信提出了需求。一方面,高铁系统的安全高效运营离不开现代无线通信技术的支撑,同时高铁旅客对于旅途中的通信服务也产生了越来越高的要求。另一方面,高速铁路场景的特殊性也给无线通信带来新的挑战：多普勒频移严重影响通信质量；列车车体损耗严重降低接收信号强度；列车频繁穿越小区导致掉话率提高。本文将基于“基站(BS)-车载中继-用户”的两跳传输系统架构,研究高速铁路无线通信系统中的小区切换策略以及多输入多输出天线传输技术。首先,本文考虑了地面分布式天线系统对高铁无线通信切换性能的影响,分析了该场景下的越区切换性能,并提出一种基于功率分配的最优切换策略。基于切换成功率、链路中断率、切换次数等切换性能,本文比较了集中式天线系统(CAS)和分布式天线系统(DAS)采用不同功率分配方案时的切换性能。结果表明,DAS中的切换次数要明显少于CAS中的切换次数,可以有效地降低乒乓切换效应；即使不采用功率分配,DAS中的切换失败概率和链路中断概率也均小于CAS。在分布式天线系统中,由于每个远程接入单元(RAU)分布在不同的地理位置,可以为系统提供宏分集。利用这一特点,本文提出一种对DAS中不同RAU进行功率分配的方案,可以增强车载中继的接收信号强度从而提高切换性能。仿真结果表明,相比平均功率分配方案,本文提出的最优功率分配方案具有更高的切换成功率以及更低的链路中断率。由于高铁无线通信系统具有线性小区的特点,车内用户的传输容量很大程度上依赖于列车与基站之间的距离,系统容量的大小将随着列车的移动发生快速变化。基十列车控制系统(TCS),基站可以预测下一个时间点列车的位置,这使得沿着铁路线的功率分配方案成为可能。现有的高铁功率分配研究只考虑了系统时延或仅考虑了系统容量,本文则提出将时延和容量性能结合考虑的功率分配算法。不同的用户业务对系统的实时性要求不同,例如话音业务对实时性有较高要求但对容量要求并不高,而数据流量业务允许较大时延但需要较高的传输速率。为了能够满足不同业务类型的需求,达到时延和容量的折中,本文提出了在保证时延性能的条件下,使得平均容量最优的功率分配算法。分析和仿真结果表明,本文提出的功率分配算法比经典注水算法产生的时延小,与平均功率分配方案相比则具有更高的平均容量。接着,论文研究了基于车载中继以及地面分布式天线系统的RAU协作集合选择问题。在列车运行过程中,车载中继与各RAU之问的距离会发生变化,系统容量也会随之发生变化,参与协作的RAU个数对系统的平均容量具有重要影响。本文在车载中继安装大规模天线的场景下,推导了列车在任意位置处的系统瞬时容量以及一个小区内平均容量的表达式。根据分析结果,提出了两种RAU协作集选择方案。一种选择方案根据列车的位置改变RAU协作集的大小,使列车在任意位置时均达到系统容量最优。由于列车运行速度快,不断改变RAU协作集算法复杂度高。为了降低算法实施复杂度,本文提出了另一种固定RAU数量的协作方案,并提出了最优RAU数量的计算方法。仿真结果表明,论文所提出的RAU协作集选择方案可以显著提高系统的容量。最后,论文研究了车载中继的天线数目优化问题。在高铁无线通信系统中,包含多个车厢的列车具有一定长度,车载中继的天线可以集中放置在一节车厢上,也可以分布式地放置于多节车厢上。本文研究了车载中继分别采用集中式和分布式天线结构时,大尺度衰落、小尺度衰落以及天线端的射频损耗对系统容量的影响,推导出了不同列车位置下的系统瞬时容量和系统平均容量表达式。分析结果表明,与集中式天线结构相比,车载中继采用分布式天线结构时,在列车离基站较近的位置具有较低的系统容量,在小区边缘则具有较高的系统容量。所以分布式天线结构的车载中继可以提高通信服务质量的稳定性。在车载中继采用分布式天线结构时,本文研究了列车速度、大尺度衰落、小尺度衰落以及导频比例等因素对系统容量的影响,提出一种车载天线数目优化算法。分析和仿真结果表明,论文所提出的算法可以提高系统的平均容量。
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【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN92

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