高移動(dòng)環(huán)境下的高性能切換和多天線技術(shù)研究.pdf

1、世界上大多數(shù)國(guó)家，高速公路汽車最高限速通常為120公里或70英里。時(shí)速200公里以上的地面移動(dòng)速度稱為超高移動(dòng)性，通常只有基于輪軌關(guān)系的地面軌道列車才能完成。對(duì)于時(shí)速200公里以上的列車，通常稱為高速列車、高速鐵路或簡(jiǎn)稱高鐵。世界高鐵在最近幾年發(fā)展迅猛，高鐵運(yùn)營(yíng)速度一般為200-350km/h，試驗(yàn)速度則高達(dá)574km/h。高速鐵路安全高效的運(yùn)營(yíng)，離不開(kāi)各種現(xiàn)代有線通信、無(wú)線通信與信息處理技術(shù)的支撐。對(duì)于鐵路無(wú)線通信，通?？煞譃槎箢?

2、用于鐵路調(diào)度與控制的專用無(wú)線通信系統(tǒng)和用于旅客信息服務(wù)的寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)。由于GSM-R主要基于第二代全球移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM，通信速率受限（僅能提供數(shù)十到一百多千比特每秒速率），僅能滿足鐵路專用無(wú)線調(diào)度與控制需求，不能滿足旅客寬帶移動(dòng)通信和其它增值服務(wù)需求。而乘客在乘坐高速列車期間，必須處在實(shí)時(shí)“信息在線”狀態(tài)。為避免高速列車成為“信息孤島”，高速列車須保證乘客能夠通過(guò)手機(jī)、筆記本等無(wú)線終端實(shí)時(shí)與外界保持聯(lián)系，即高速鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)要為

3、乘客提供可靠有效的無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)?；诖?，本文研究高移動(dòng)環(huán)境下的無(wú)線傳輸技術(shù)，包括如何實(shí)現(xiàn)高可靠快速切換和大容量低誤碼率多天線技術(shù)的設(shè)計(jì)研究。
　　高移動(dòng)環(huán)境下，高速移動(dòng)將造成切換頻繁，切換滯后，切換可靠性降低等特殊問(wèn)題。另一方面，傳統(tǒng)CoMP協(xié)作多點(diǎn)傳輸技術(shù)主要用來(lái)降低小區(qū)間干擾，提高小區(qū)邊緣用戶的吞吐率。而對(duì)于高鐵特殊場(chǎng)景，鐵道旁的基站可以共享有關(guān)列車的位置和速度信息，并利用CoMP協(xié)作傳輸技術(shù)和雙車載臺(tái)協(xié)作機(jī)制對(duì)LTE系統(tǒng)傳統(tǒng)

4、硬切換方案進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)類似于軟切換的方法和技術(shù)，提高切換的可靠性。研究結(jié)果表明該策略使得列車在經(jīng)過(guò)重疊區(qū)時(shí)同時(shí)接受來(lái)自兩個(gè)基站的服務(wù)，克服了高速移動(dòng)造成的不利因素，較好地提升了列車接受到的信號(hào)質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫切換。
　　高移動(dòng)環(huán)境下切換研究的另一個(gè)特殊問(wèn)題是，切換重疊區(qū)中切換會(huì)與HARQ重傳產(chǎn)生沖突，即考慮當(dāng)列車高速駛過(guò)重疊區(qū)時(shí)，源基站HARQ還沒(méi)有來(lái)得及接收，列車就進(jìn)入了目標(biāo)基站，造成HARQ失敗。在高移動(dòng)環(huán)境下，本

5、文對(duì)高可靠快速切換下的HARQ重傳機(jī)制進(jìn)行建模，提出基于位置和基站協(xié)作的差錯(cuò)控制策略。在切換完成后，通過(guò)確認(rèn)最后一個(gè)分組來(lái)保證無(wú)損切換，避免了UE等候潛在的確認(rèn)信息以及UE接入目標(biāo)eNB之后由于源eNB數(shù)據(jù)分組得不到確認(rèn)不斷地丟失。研究結(jié)果表明，所提出的策略可以減少高速和切換同時(shí)并存時(shí)VoIP業(yè)務(wù)的誤包率，提高系統(tǒng)可靠性的同時(shí)，也提高了VoIP的容量。
　　多天線技術(shù)的研究應(yīng)用是高移動(dòng)環(huán)境下另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。本文對(duì)高鐵LTE系統(tǒng)視距

6、MIMO下的直線多天線陣列接收進(jìn)行三維建模，分析n×n多天線陣列的信道容量。在強(qiáng)視距場(chǎng)景中，由于缺少散射分量，改變多天線陣列參數(shù)（天線陣元個(gè)數(shù)、天線間距離及幾何形狀）或單純地增加天線陣元數(shù)n并不能獲得有效的容量增益;同時(shí)，列車高速經(jīng)過(guò)基站時(shí)接收角劇烈變化會(huì)使得波束成形的陣列增益也難以在高鐵場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)?；诖?，在不改變LTE系統(tǒng)天線設(shè)計(jì)的條件下，提出對(duì)多組(N=2，3，4，5)多天線陣列進(jìn)行接收合并，適當(dāng)調(diào)整陣列間的權(quán)重差來(lái)獲得穩(wěn)定的容量

7、增益。權(quán)重差的選取與鐵路無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際拓?fù)溆嘘P(guān)（如基站天線高度、車載臺(tái)天線高度、基站與鐵軌的垂直距離、小區(qū)大小等）。而且，在實(shí)際應(yīng)用中，天線陣列組數(shù)N的合理適用范圍為N＜6。若N≥6，調(diào)整N列列向量之間合適的權(quán)重差較困難，而且工程成本也相應(yīng)增加，實(shí)際使用中應(yīng)該考慮在容量性能和工程實(shí)現(xiàn)之間做出相應(yīng)的折中。
　　另外，高速移動(dòng)帶來(lái)了一定的誤碼率平層，簡(jiǎn)單地提高信噪比不能提高誤碼性能。在差分調(diào)制解調(diào)的信號(hào)模型下，本文提出高鐵場(chǎng)景下兩

8、種多天線分集接收模型:線性合并分集接收和統(tǒng)計(jì)合并分集接收，并通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，分別求出這兩種分集接收在不同速度下的誤碼率平層。數(shù)學(xué)分析和研究結(jié)果表明，所提出的線性合并分集和統(tǒng)計(jì)合并分集都可以通過(guò)增加分集數(shù)來(lái)降低高速移動(dòng)帶來(lái)的誤碼率平層。另一方面，統(tǒng)計(jì)合并分集的性能要優(yōu)于線性合并分集，但是其接收機(jī)復(fù)雜度也比線性合并分集要高。在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)QoS的要求在性能和復(fù)雜度之間進(jìn)行折衷。
　　最后，在分析基于正交空時(shí)碼的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)MIMO系

9、統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文研究了速度對(duì)正交空時(shí)碼的影響:高速移動(dòng)導(dǎo)致的快時(shí)變信道將會(huì)破環(huán)正交空時(shí)碼的正交結(jié)構(gòu)，降低由此獲得的分集增益，從而引起誤碼率性能的降低。在此基礎(chǔ)上，提出格型正交重構(gòu)算法，通過(guò)givens變換對(duì)正交空時(shí)碼進(jìn)行碼內(nèi)正交重構(gòu)。該算法在恢復(fù)碼內(nèi)正交性的同時(shí)，也改變了發(fā)射端波束成形方向。因此，在高速移動(dòng)場(chǎng)景下，所提出的算法使得發(fā)射端獲得了波束成形的陣列增益以及與用戶靜止時(shí)相同的分集增益。從系統(tǒng)性能仿真中看出，所提出的算法提升了高鐵場(chǎng)