高铁场景下无线信道特性与系统性能优化的研究

发布时间：2017-04-22 18:12

  本文关键词：高铁场景下无线信道特性与系统性能优化的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：中国高速铁路(High-Speed Railway—HSR)的发展举世瞩目,推动了其他相关产业的崛起和发展,例如通信、机械制造以及电力等,进而产生巨大经济效益。随着中国迈入4G时代,宽带移动通信已经成为高铁服务中不可缺少的一部分,旅客希望在高速列车上通过宽带接入来体验音频、视频、高速上传及下载等服务。本论文以高速铁路宽带无线接入为研究对象,着重研究了高速铁路宽带无线接入条件下的信道特性以及系统性能优化的方法,主要内容包括： 对高铁场景下信道测量方法和分析方法进行了研究。从测量原理出发总结了常用的信道测量方法,比较了业内常用的三种测量设备(包括德国RUSK,芬兰PropSound和芬兰的TKK Sounder)的参数和特点。验证了基于WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)的信道测量与基于PropSound的信道测量的可行性,包括实验室校准以及实际测量验证,并对测量的基本参数进行分析。在测量数据的提取方法中,根据不同测试带宽的需求,本文提出了局部最大化法,门限限定法和分簇识别法三种多径搜索方法,通过实际测量数据比较了三种搜索方法的不同。最后总结了常用的建模方法,分析了抽头延迟线模型(Tap Delay Line—TDL),簇延迟线模型(Cluster Delay Line—CDL)和非平稳状态下基于马尔科夫链的TDL信道模型的原理。 为了深入研究高铁场景下无线信道衰落特性,在郑西线开展了基于2.35GHz频点,带宽为50MHz的信道测量。根据列车穿越基站过程中可分辨多径的变化,将整个测量过程分为RA (Remote Area)、TA (Toward Area)、CA (Close Area)和AA (Arrival Area)四个区域。通过对实际测量数据的分析可得,高铁场景下的信道特性受两个因素影响：由列车两侧的电杆产生的规律性散射以及由周围其他散射体产生的不规律性散射。根据这两种不同的散射,本文提出一种联合理论模型和统计模型的混合簇模型。该模型包含不同区域中的簇数量,平均簇增益以及每一簇中的平均多径分量(Multipath Component—MPC)数量和平均MPC衰落系数等参数。同时本文利用测试数据分析了高铁高架桥场景下信道的时域特性、频域特性以及列车穿越基站过程中多普勒的变化特性。通过与其他信道模型以及测量数据的比对,发现其中的相似性。最后为评估所提出信道模型的准确性,利用Matlab根据信道模型参数产生大量随机的信道冲激响应(Channel Impulse Response—CIR),并进行统计分析,将仿真的信道特性参数与实际测量数据的信道特性参数进行对比,验证其一致性。 作为LTE (Long Term Evolution)的下行调制技术,正交频分复用(Orthogonal Frequency Division multiplex—OFDM)容易受到频率偏差的影响。由于OFDM系统子载波之间频谱相互重叠,要求子载波之间相互正交,而高速条件下产生的多普勒会破坏OFDM系统子载波之间的正交性,产生载波间干扰(Inter-carrier Interference—ICI)。本文研究了高铁环境中基于两跳通信架构的OFDMA系统的动态资源分配,该架构中车顶的移动基站(Moving Base Station—MBS)将地面基站(Base Station—BS)信号转发至车厢内部用户(User Equipment—UE)。文中以最大化系统容量为目标构建目标函数,通过子载波分配,载波配对以及功率分配对抗由多普勒产生的ICI影响。由于ICI的复杂表达式,目标函数的联合优化问题被分解为三个次优的问题。在优化问题中,受载波间干扰的影响,功率的优化问题是一个非凸问题,因此采用移动基站端和基站端的迭代功率优化。为了降低基于单个子载波的功率分配的复杂度,本文利用了相邻子载波间的相关性,采用基于资源块的资源分配可降低系统复杂度。仿真结果表明,功率迭代优化具有收敛性,且采用提出的优化方式可以有效的改善系统容量。 最后分析了高速移动条件下宽带无线接入的信道特性,高速移动带来的多普勒频偏扩展较大,导致信道快速衰落。本文以高速条件下信道的时变特性为基础,对OFDM在高速条件下所受干扰进行推导,得到OFDM在传输过程中的频域信道矩阵,通过仿真验证多普勒越大,其所受ICI越严重。文中提出一种联合符号时域插值的信道估计方法,建立时域的时变冲激响应矩阵,从而转换为等效的信道频域响应矩阵,该矩阵中对角线元素为信道抽头衰落增益,而非对角线元素则为ICI干扰系数。采用连续干扰消除的方法,根据信干比(Signal to Interference Ratio—SIR)的大小对子载波逐一进行解调,同时消除该子载波对其他子载波的影响,与并行干扰消除相比,采用连续干扰消除可进一步提高系统性能。
【关键词】：高速铁路 信道测量与建模 LTE 资源分配 多普勒 子载波间干扰消除
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U285.2;TN929.5
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-9
• ABSTRACT9-11
• 序言11-12
• 缩略语说明12-17
• 1 引言17-25
• 1.1 研究背景和意义17-19
• 1.2 高铁场景下的通信架构19
• 1.3 高铁场景下通信的特点19-21
• 1.4 国内外研究现状21-23
• 1.4.1 高铁场景下信道测量与建模研究现状21-22
• 1.4.2 高铁场景下系统优化研究现状22-23
• 1.5 本文的主要工作及内容安排23-25
• 2 高铁场景下信道测量方法和分析方法的研究25-51
• 2.1 高速铁路场景下信道测量的难点25-26
• 2.2 信道测量原理及方法26-32
• 2.2.1 周期性脉冲测试方法27
• 2.2.2 伪随机序列无线信道探测方法27-28
• 2.2.3 频域信道探测方法28-29
• 2.2.4 多天线信道探测方法29-31
• 2.2.5 基于无线蜂窝的高铁信道测量方法31-32
• 2.3 基于WCDMA的信道测量可行性验证32-40
• 2.3.1 实验室校准33-34
• 2.3.2 郑西线现场测试34-38
• 2.3.3 京津线现场测试38-40
• 2.4 基于PROPSOUND的信道测量可行性验证40-41
• 2.5 数据提取方法41-45
• 2.5.1 选取噪底42
• 2.5.2 多径搜索方法42-45
• 2.6 建模方法45-49
• 2.6.1 TDL模型45-46
• 2.6.2 CDL模型46-48
• 2.6.3 非平稳状态下基于马尔科夫链的TDL模型48-49
• 2.7 本章小结49-51
• 3 基于实际测量数据的高铁无线信道模型51-75
• 3.1 测试场景和参数描述51-53
• 3.2 数据处理53-54
• 3.3 参数提取54-60
• 3.3.1 理论模型参数提取57-59
• 3.3.2 簇模型参数59-60
• 3.4 参数分析60-67
• 3.4.1 频域相关性61-63
• 3.4.2 时域特性63-66
• 3.4.3 高速条件下的信道非平稳特性66
• 3.4.4 基于位置的多普勒衰落特征66-67
• 3.5 混合多径传播模型67-69
• 3.6 信道模型的对比与验证69-74
• 3.6.1 测量结果对比69-70
• 3.6.2 统计模型验证70-72
• 3.6.3 理论模型的验证72-74
• 3.7 本章小结74-75
• 4 高铁环境下LTE系统基于车载基站的资源分配75-97
• 4.1 系统模型75-78
• 4.2 资源分配算法78-88
• 4.2.1 已知子载波分配和载波配对时的功率优化分配78-85
• 4.2.2 已知功率分配和子载波分配条件下的子载波配对85-86
• 4.2.3 已知功率分配和子载波配对条件下的子载波分配86-87
• 4.2.4 算法总结87-88
• 4.3 基于资源块的资源分配88-90
• 4.4 复杂度分析90
• 4.5 仿真结果90-96
• 4.5.1 收敛性90-92
• 4.5.2 容量性能92-94
• 4.5.3 高铁场景下的性能测试94-96
• 4.6 本章小结96-97
• 5 LTE在高速移动条件下的载波间干扰消除97-117
• 5.1 高速条件下的无线信道特性97-100
• 5.1.1 信道的频率选择性衰落97-98
• 5.1.2 信道的时间选择性衰落98-99
• 5.1.3 多普勒功率谱99-100
• 5.2 信道的时变性分析100-102
• 5.3 OFDM在高速移动条件下的干扰分析102-106
• 5.4 信道估计106-110
• 5.4.1 频域信道估计107-108
• 5.4.2 时域信道估计108-109
• 5.4.3 联合符号时域差值信道估计109-110
• 5.5 载波间干扰消除技术110-111
• 5.6 子载波连续迭代消除ICI111-112
• 5.7 仿真结果112-116
• 5.8 本章小结116-117
• 6 总结与展望117-121
• 6.1 本文主要贡献117-118
• 6.2 下一步研究工作展望118-121
• 参考文献121-129
• 作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果129-133
• 学位论文数据集133

【参考文献】

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1 秦文;OFDM系统中子载波间干扰的产生因素及消除研究[D];电子科技大学;2008年

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本文编号：320993