高速鐵路寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與性能分析研究.pdf

1、無線通信的發(fā)展始終朝著一個(gè)目標(biāo)演進(jìn)，那就是讓人們能夠在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)與任何人進(jìn)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(guān)。在長達(dá)數(shù)小時(shí)的旅程中，乘客所需的通信服務(wù)一般包括語音、電子郵件、上網(wǎng)瀏覽和流媒體等多種業(yè)務(wù)。為高速移動(dòng)中的乘客提供信息化服務(wù)，已成為移動(dòng)通信發(fā)展中新的熱點(diǎn)。高速鐵路寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)存在信道快變、多普勒頻譜擴(kuò)展大、切換頻繁、頻譜受限、電波干擾復(fù)雜、可靠性要求高等特點(diǎn)。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(dòng)環(huán)境相適應(yīng)的新一代高速鐵路寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其性能。
　　本文利用概率論和隨機(jī)矩陣等理論工具，對(duì)高速鐵路寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究。針對(duì)高速鐵路場景，分析信道特性，提出適用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，研究高鐵網(wǎng)絡(luò)中的各項(xiàng)性能指標(biāo)?；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(cuò)指數(shù)、截止速率、刪除指數(shù)和有效速率等數(shù)學(xué)表達(dá)式。研究成果能夠解析地評(píng)估高鐵網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能，揭示高鐵網(wǎng)絡(luò)的性能受

3、限規(guī)律，把握影響網(wǎng)絡(luò)性能的系統(tǒng)參數(shù)，為今后高速鐵路寬帶網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃和優(yōu)化提供理論依據(jù)，具有現(xiàn)實(shí)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(gòu)方面，本文首先根據(jù)實(shí)際測量數(shù)據(jù)，分析了高鐵信道的大尺度和小尺度衰落參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特性。針對(duì)高鐵信道的復(fù)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(hào)包絡(luò)和功率的概率密度表達(dá)式，為后文的性能分析提供了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。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(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案（例如衛(wèi)星通信、漏泄電纜和WiMAX等）的優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，提出了基于車載基站和RoF的高鐵網(wǎng)絡(luò)方案。通過在列車頂部架設(shè)天線，車載基站直接與軌邊射頻

5、拉遠(yuǎn)單元進(jìn)行通信，并將接收信號(hào)進(jìn)行處理后，通過分布于車廂內(nèi)部的天線，覆蓋車廂內(nèi)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(shí)現(xiàn)平滑切換，降低切換時(shí)延，切換成功率高，減小對(duì)其他網(wǎng)絡(luò)的干擾。更重要的是，該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠把復(fù)雜的時(shí)變信道估計(jì)算法和抗多普勒效應(yīng)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(wǎng)絡(luò)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(jīng)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(chǔ)上，提出一種一般的η-μ/Gamma復(fù)合信道模型。根據(jù)這種混合信道的瞬時(shí)接收功率的概率密度函數(shù)和累積分布函數(shù)解析表達(dá)式，給出了中斷概率和誤碼率的準(zhǔn)確表達(dá)式。進(jìn)一步，推導(dǎo)了不同發(fā)送機(jī)制下η-μ/Gamma復(fù)合衰落模型的信道容量表達(dá)式。然后，本文還分析了高鐵網(wǎng)絡(luò)的差錯(cuò)指數(shù)和有效速率兩個(gè)性能指標(biāo)。通過研究MIMO STBC系統(tǒng)在η-μ和κ-μ信道下的差錯(cuò)指數(shù)，分析收發(fā)天線數(shù)、相干時(shí)間、編碼長度、陰影衰落及小

7、尺度信道參數(shù)對(duì)差錯(cuò)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(zhǔn)確和高信噪比下漸進(jìn)的解析表達(dá)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(zhǔn)確和漸進(jìn)表達(dá)式，將物理層的信道傳輸速率與數(shù)據(jù)鏈路層的QoS要求結(jié)合起來。本文得到的各種表達(dá)式包括和驗(yàn)證了前人對(duì)于Nakagami-m、Rician和Raileigh等信道模型的研究結(jié)果，具有一般性。
　　3.針對(duì)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(dá)到最大信道容量的收發(fā)天線間距準(zhǔn)則。在具有強(qiáng)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(dǎo)致信道相關(guān)矩陣不滿秩，降低了系統(tǒng)容量。為了使相關(guān)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(zhǔn)則，推導(dǎo)得到收發(fā)天線間距之積s1s2與載波頻率、收發(fā)信機(jī)距離以及天線傾斜角度有關(guān)，而與收發(fā)天線的高度差無關(guān)。然后，將該準(zhǔn)則推廣到任意收發(fā)天線個(gè)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(jī)制在高鐵場景具