支持高移动性的增强型切换机制设计

论文摘要

高速铁路的发展对地面高速移动环境下车地无线通信系统提出了更高的要求。受到理论和技术限制,现有的车地无线通信技术均无法解决未来350km/h以上高速列车中旅客的宽带移动通信需求。高速移动场景下的车地无线通信网络面临着频繁的越区切换、多普勒频移、信道快速变化等一系列的技术问题。本文主要解决其中的频繁越区切换问题。在高速铁路场景下,越区切换的成功率对行车安全有着至关重要的影响。对高速列车的越区切换而言,要求更短的切换时间和更高的切换成功率,以保证系统的可靠性和有效性,但现有的系统中较难实现。要解决高速铁路中越区切换的问题,关键是设计支持高移动性的切换机制,以减小切换的复杂度,从而提高切换成功率。本文分别采用分布式无线通信系统和中继站技术为高速移动环境下车地无线通信提出了相应的解决方案。主要的研究内容和贡献如下：第一,未来的无线通信网络结构趋向于Internet一样的网状结构,而不再是传统的分层树型结构,Mesh、Relay等现有分布式无线通信技术逐渐成为了未来无线通信技术的重要支撑。这类系统的特点在于利用大量的分布式天线单元在整个系统内提供高质量的、无缝的无线电信号覆盖。一方面通过合理地选择天线单元为不同的用户提供覆盖,并获得空间分集,提高系统容量以及用户的通信质量；另一方面通过采用灵活的切换方式,为移动用户提供可靠的高质量的通信链路。本文所设计的方案利用分布式无线通信系统为高速铁路提供无缝的无线电信号覆盖,利用多车载台通信系统设计了多车载台协作小区切换方法,以解决高速移动中越区切换的问题,减小切换的复杂度,提高切换的成功率。分析和仿真结果表明,该方案能够合适的提前切换,保证列车有足够的时间完成切换,从而提高切换成功率,并使系统容量提升50%。第二,目前我国所采用的高速铁路车地无线通信系统为GSM-R,并非分布式无线通信系统。因此本文基于分布式无线通信技术提出了一种共享中继辅助的切换机制以改善现有GSM-R系统的切换质量。该机制中共享中继可以改善相邻基站重叠区内来自目标基站信号的质量,减少由于信号波动导致的切换误判。分析和仿真结果表明,该机制将列车的切换的触发地点提前约500m,从而保证列车在重叠区内有足够的距离完成切换,并且由于信号质量的改善,减少了乒乓效应,将切换失败概率降低到了10-6,从而提高了切换成功率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究意义
• 1.2 国内外行业应用及研究现状
• 1.3 本文主要研究内容与结构安排
• 第2章 高速移动场景下宽带通信网络系统结构
• 2.1 现有高速移动场景下宽带通信网络系统结构
• 2.1.1 基于OFDMA技术的移动WiMAX网络结构
• 2.1.2 ROF分布式天线技术
• 2.2 高速移动场景下宽带通信网络系统结构
• 2.2.1 车厢侧网络结构
• 2.2.2 道旁无线接入网络
• 2.3 现有切换技术
• 2.4 本章小结
• 第3章 支持高移动性的增强型切换机制设计
• 3.1 支持高移动性的通信网络结构
• 3.1.1 分布式无线通信系统
• 3.1.2 多车载台通信系统
• 3.2 多车载台协作小区切换方法
• 3.3 数学建模
• 3.4 性能分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 GSM-R网络中一种基于共享中继的切换机制设计
• 4.1 GSM-R网络中的切换
• 4.1.1 基本原理
• 4.1.2 GSM-R切换准则
• 4.1.3 GSM-R越区切换过程的控制策略
• 4.1.4 GSM-R网络中高速列车越区切换面临的问题
• 4.2 GSM-R网络中一种基于共享中继的增强型切换机制
• 4.2.1 系统拓扑
• 4.2.2 共享中继
• 4.2.3 基于移动性预测的切换策略
• 4.3 性能分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果