基于车载中继的高速移动宽带无线接入技术研究

论文摘要

随着国际范围内特别是我国铁路的大规模建设和列车速度的不断提高,高速移动环境下的车地宽带无线通信引起了人们的关注。列车高速移动使车地宽带无线通信面临一系列挑战：高速移动会导致严重的多普勒效应,不仅产生难以纠正的频率偏移还会导致信道呈现快衰落影响信道估计；高速移动会导致切换频繁发生和重叠区不够用等问题,严重影响切换性能。另外,封闭的高速列车导致的车体损耗以及铁路复杂的运行环境等也对宽带无线通信产生严重的影响。因此,选择何种宽带无线通信技术,并如何解决该技术应用于高速铁路环境时所面临的问题使其最终适用于高速移动的铁路环境具有重要的意义。在分析了现有的宽带无线通信系统后,本文选择研究基于LTE的车地宽带无线通信技术,在分析了铁路特定场景后发掘出铁路环境下一些有利于改善车地宽带无线通信系统性能的信息,如列车速度信息,列车位置信息、列车运行方向等。经过详细分析发现基于LTE的高速车地宽带无线通信面临如下五个方面的问题：切换的问题、多普勒效应的问题、车体损耗的问题、环境的问题和经济效益的问题。通过对现有解决方案的研究以及对车载中继的研究发现其中的车体损耗问题、环境问题、经济效益问题、切换中的大部分问题和多普勒效应中的部分问题都已经得到解决。多普勒效应中的信道快衰落问题和切换问题中的重叠区不够用问题还有待进一步深入研究。为了解决信道快衰落的问题,本文经过仔细的分析并结合铁路环境下列车速度和位置等信息已知的特点,提出了一种新的基于列车速度和位置的信道估计方案,通过多次测量获得特定位置下特定速度时的信道状态信息,并在基站和车载中继中存储这些信息用于信道估计,并通过实施前的验证和修正保证信道估计方案的准确。该方案有运算复杂度低,效率高,信道估计结果精确可靠等优点。为了解决切换中重叠区不够用的问题,本文结合铁路环境下的列车位置信息已知的特点,提出了一种新的基于位置和地面中继功率控制的切换优化方案。首先对LTE网络传统切换策略进行了建模和性能分析。随后,分析了利用列车位置信息和中继功率控制技术的切换优化方案,在该方案中,列车到达切换位置前,利用中继站获得分集增益,提升信道容量和链路可靠性；处于切换位置时,通过中继的功率控制,保证本小区的信号满足最低通信要求,变相扩大重叠区覆盖范围的同时有利于触发切换提升切换成功率。仿真结果表明,本文提出的基于位置和地面中继功率控制的方案有效地提升了切换成功概率和信道容量,明显改善了LTE系统使用于高速车地通信环境的可靠性和效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究课题背景意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文主要工作和内容安排
• 第2章 基于车载中继的车地宽带无线通信系统
• 2.1 宽带无线通信系统
• 2.2 铁路无线通信系统
• 2.3 车地宽带无线通信面临的问题及现有解决方案
• 2.3.1 切换方面问题及现有解决方案
• 2.3.2 多普勒效应方面问题及现有解决方案
• 2.3.3 车体损耗问题及现有解决方案
• 2.3.4 环境问题及现有解决方案
• 2.3.5 经济效益问题
• 2.4 车载中继技术
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于列车速度和位置的信道估计
• 3.1 LTE中参考信号的设计
• 3.2 高速移动对信道估计的影响
• 3.3 基于列车速度和位置的信道估计
• 3.4 本章小结
• 第4章 高速车地宽带无线通信切换优化方案
• 4.1 传统切换方案的建模与性能分析
• 4.2 基于位置和地面中继功率控制的切换优化方案
• 4.3 切换优化方案下一步研究初探
• 4.3.1 基于CoMP的切换优化方案
• 4.3.2 基于地面中继波束赋型的切换优化方案
• 4.3.3 基于波束赋型的切换优化方案
• 4.4 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文及科研成果