高速鐵路場(chǎng)景下無(wú)線中繼通信系統(tǒng)信息傳輸可靠性與安全性研究.pdf

1、截至2016年底，中國(guó)高速鐵路的運(yùn)營(yíng)總里程已達(dá)2.2萬(wàn)公里，成為全世界高速鐵路運(yùn)營(yíng)總里程最長(zhǎng)的國(guó)家。高速鐵路已經(jīng)成為中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新引擎，具有重要的戰(zhàn)略意義。面向高速鐵路場(chǎng)景的移動(dòng)通信系統(tǒng)是保障列車(chē)運(yùn)行安全，承載列車(chē)與地面監(jiān)控中心信息交互的重要橋梁。高速鐵路場(chǎng)景下的無(wú)線通信系統(tǒng)不僅為高速鐵路的安全運(yùn)行提供監(jiān)控服務(wù)，還將為旅客提供豐富的多媒體娛樂(lè)服務(wù)。然而現(xiàn)有的窄帶鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)GSM-R（Global System of Mobile

2、 for Railway）已經(jīng)不能滿(mǎn)足這些需求。因此，如何設(shè)計(jì)無(wú)線通信系統(tǒng)以保證信息高速可靠安全地傳輸，已經(jīng)成為了下一代高速鐵路移動(dòng)通信的重要研究課題。
　　本論文針對(duì)高速鐵路場(chǎng)景中無(wú)線中繼通信系統(tǒng)信息傳輸可靠性與信息安全性的需求，特別考慮到高速鐵路特有的車(chē)體穿透損耗高與快速時(shí)變信道估計(jì)存在誤差的特點(diǎn)，對(duì)高速鐵路場(chǎng)景下半雙工中繼系統(tǒng)、多中繼系統(tǒng)、全雙工中繼系統(tǒng)和云無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)中的信息傳輸可靠性與安全性開(kāi)展研究。論文的主要貢獻(xiàn)包括:

3、
　　(1)針對(duì)協(xié)作中繼系統(tǒng)中無(wú)線通信信息傳輸可靠性與安全性之間關(guān)系的問(wèn)題，在信道估計(jì)存在誤差情況下，研究了中繼系統(tǒng)信息傳輸可靠性指標(biāo)（系統(tǒng)中斷概率）以及信息傳輸安全性指標(biāo)（監(jiān)聽(tīng)者監(jiān)聽(tīng)概率），運(yùn)用多中繼選擇算法在保證信息傳輸可靠性的同時(shí)提高了信息傳輸安全性，并分析推導(dǎo)得到描述信息傳輸安全性與可靠性之間關(guān)系的閉合數(shù)學(xué)表達(dá)式。分析和仿真結(jié)果一致表明，多中繼算法隨著中繼數(shù)目的增加可以有效降低中斷概率和信息被監(jiān)聽(tīng)的概率，同時(shí)提高信息傳輸?shù)?/p>

4、可靠性和安全性。
　　(2)針對(duì)高速鐵路場(chǎng)景下無(wú)線中繼通信系統(tǒng)傳輸性能的問(wèn)題，對(duì)比研究了高速鐵路場(chǎng)景下的直接傳輸方案和移動(dòng)中繼方案的系統(tǒng)容量，建立了雙跳中繼模型，在考慮了車(chē)體穿透損耗的影響下，推導(dǎo)出兩種傳輸方案的閉合遍歷通信容量表達(dá)式。仿真結(jié)果表明，在高車(chē)體穿透損耗（超過(guò)15dB）的情況下，移動(dòng)中繼傳輸方案相比于直接傳輸方案能夠提供更高的通信系統(tǒng)容量。
　　(3)針對(duì)高速鐵路場(chǎng)景下分布式中繼無(wú)線通信系統(tǒng)信息傳輸性能的問(wèn)題，研

5、究了高速鐵路場(chǎng)景下多移動(dòng)中繼選擇通信傳輸方案，推導(dǎo)了該場(chǎng)景下無(wú)線通信直接傳輸方案和移動(dòng)中繼選擇方案中斷概率的閉合表達(dá)式。結(jié)果表明，高速鐵路場(chǎng)景下多中繼選擇無(wú)線通信系統(tǒng)信息傳輸?shù)闹袛喔怕孰S著移動(dòng)中繼數(shù)目的增加逐步降低。
　　(4)對(duì)比分析高速鐵路場(chǎng)景下無(wú)線移動(dòng)全雙工與半雙工中繼通信系統(tǒng)的信息傳輸性能，研究了全雙工中繼信息傳輸?shù)挠行耘c可靠性，同時(shí)考慮了放大轉(zhuǎn)發(fā)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)兩種轉(zhuǎn)發(fā)模式，以及車(chē)體穿透損耗和自干擾消除因子的影響。推導(dǎo)出了無(wú)

6、線全雙工中繼通信系統(tǒng)容量、中斷概率和中斷容量的閉合表達(dá)式，并分析了不同車(chē)體穿透損耗和自干擾消除技術(shù)對(duì)高速移動(dòng)全雙工中繼無(wú)線通信系統(tǒng)信息傳輸性能的影響。理論分析結(jié)果表明，在高車(chē)體穿透損耗（超過(guò)15dB）的情況下，全雙工移動(dòng)中繼方案比半雙工移動(dòng)中繼方案具有更高的系統(tǒng)容量和更低的信息傳輸中斷概率。
　　(5)針對(duì)高速鐵路場(chǎng)景下無(wú)線分布式中繼通信系統(tǒng)中的信息傳輸安全性和可靠性問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于云無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的三階段傳輸方案，并考慮了信道