【摘要】：摘要：無(wú)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(zhǎng)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(yǔ)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(wú)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(wú)線通信系統(tǒng)均無(wú)法很好地解決這些問(wèn)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(wú)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(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究。針對(duì)高速鐵路場(chǎng)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(lái)說(shuō),本文的主要工作有： 1.在高鐵場(chǎng)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(cè)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(guò)改變它們的參數(shù)能夠較好地描述高鐵各種場(chǎng)景中的小尺度衰落特性,具有一般性。具體來(lái)說(shuō),η-μ分布包括Hoyt、Rayleigh和Nakagami-m分布；κ-μ分布包括Ricea、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(guò)在列車頂部架設(shè)天線,車載基站直接與軌邊射頻拉遠(yuǎn)單元進(jìn)行通信,并將接收信號(hào)進(jìn)行處理后,通過(guò)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(jiǎn)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(wú)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(wú)線鏈路的經(jīng)典性能。在綜合考慮路徑損耗、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(guò)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(zhǎng)度、陰影衰落及小尺度信道參數(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(guò)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(lái)。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(chǎng)景,提出了一種使MIMO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(chǎng)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sls2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(wú)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(chǎng)景具有很大優(yōu)勢(shì),這是由于與傳統(tǒng)用戶終端(如手機(jī)等)不同,高速列車頂部面積較大,不受尺寸限制,可以安裝間距較遠(yuǎn)的多根微型天線。另外,本文還探討了該準(zhǔn)則在實(shí)際高鐵Rician信道和彎道處的性能。仿真結(jié)果表明,本文提出的最優(yōu)容量MIMO準(zhǔn)則不僅能夠在直線場(chǎng)景中獲得較大的速率,而且適用于彎道場(chǎng)景。
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【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TN92

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2468080