高鐵場(chǎng)景下無線信道特性與系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究.pdf

1、中國(guó)高速鐵路(High-Speed Railway—HSR)的發(fā)展舉世矚目，推動(dòng)了其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)的崛起和發(fā)展，例如通信、機(jī)械制造以及電力等，進(jìn)而產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益。隨著中國(guó)邁入4G時(shí)代，寬帶移動(dòng)通信已經(jīng)成為高鐵服務(wù)中不可缺少的一部分，旅客希望在高速列車上通過寬帶接入來體驗(yàn)音頻、視頻、高速上傳及下載等服務(wù)。本論文以高速鐵路寬帶無線接入為研究對(duì)象，著重研究了高速鐵路寬帶無線接入條件下的信道特性以及系統(tǒng)性能優(yōu)化的方法，主要內(nèi)容包括:
　　對(duì)

2、高鐵場(chǎng)景下信道測(cè)量方法和分析方法進(jìn)行了研究。從測(cè)量原理出發(fā)總結(jié)了常用的信道測(cè)量方法，比較了業(yè)內(nèi)常用的三種測(cè)量設(shè)備(包括德國(guó)RUSK，芬蘭PropSound和芬蘭的TKK Sounder)的參數(shù)和特點(diǎn)。驗(yàn)證了基于WCDMA(WidebandCode Division Multiple Access)的信道測(cè)量與基于PropSound的信道測(cè)量的可行性，包括實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)以及實(shí)際測(cè)量驗(yàn)證，并對(duì)測(cè)量的基本參數(shù)進(jìn)行分析。在測(cè)量數(shù)據(jù)的提取方法中，根據(jù)

3、不同測(cè)試帶寬的需求，本文提出了局部最大化法，門限限定法和分簇識(shí)別法三種多徑搜索方法，通過實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)比較了三種搜索方法的不同。最后總結(jié)了常用的建模方法，分析了抽頭延遲線模型(Tap Delay Line—TDL)，簇延遲線模型(Cluster Delay Line—CDL)和非平穩(wěn)狀態(tài)下基于馬爾科夫鏈的TDL信道模型的原理。
　　為了深入研究高鐵場(chǎng)景下無線信道衰落特性，在鄭西線開展了基于2.35 GHz頻點(diǎn)，帶寬為50 MHz的信

4、道測(cè)量。根據(jù)列車穿越基站過程中可分辨多徑的變化，將整個(gè)測(cè)量過程分為RA(Remote Area)、TA(Toward Area)、CA(Close Area)和AA(Arrival Area)四個(gè)區(qū)域。通過對(duì)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的分析可得，高鐵場(chǎng)景下的信道特性受兩個(gè)因素影響:由列車兩側(cè)的電桿產(chǎn)生的規(guī)律性散射以及由周圍其他散射體產(chǎn)生的不規(guī)律性散射。根據(jù)這兩種不同的散射，本文提出一種聯(lián)合理論模型和統(tǒng)計(jì)模型的混合簇模型。該模型包含不同區(qū)域中的簇?cái)?shù)量，

5、平均簇增益以及每一簇中的平均多徑分量(Multipath Component—MPC)數(shù)量和平均MPC衰落系數(shù)等參數(shù)。同時(shí)本文利用測(cè)試數(shù)據(jù)分析了高鐵高架橋場(chǎng)景下信道的時(shí)域特性、頻域特性以及列車穿越基站過程中多普勒的變化特性。通過與其他信道模型以及測(cè)量數(shù)據(jù)的比對(duì)，發(fā)現(xiàn)其中的相似性。最后為評(píng)估所提出信道模型的準(zhǔn)確性，利用Matlab根據(jù)信道模型參數(shù)產(chǎn)生大量隨機(jī)的信道沖激響應(yīng)(Channel Impulse Response—CIR)，并進(jìn)行

6、統(tǒng)計(jì)分析，將仿真的信道特性參數(shù)與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的信道特性參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證其一致性。
　　作為L(zhǎng)TE（Long Term Evolution）的下行調(diào)制技術(shù)，正交頻分復(fù)用(OrthogonalFrequency Division multiplex—OFDM)容易受到頻率偏差的影響。由于OFDM系統(tǒng)子載波之間頻譜相互重疊，要求子載波之間相互正交，而高速條件下產(chǎn)生的多普勒會(huì)破壞OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性，產(chǎn)生載波間干擾(Inter

7、-carrierInterference—ICI)。本文研究了高鐵環(huán)境中基于兩跳通信架構(gòu)的OFDMA系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)資源分配，該架構(gòu)中車頂?shù)囊苿?dòng)基站(Moving Base Station—MBS)將地面基站(Base Station—BS)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)至車廂內(nèi)部用戶(User Equipment—UE)。文中以最大化系統(tǒng)容量為目標(biāo)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，通過子載波分配，載波配對(duì)以及功率分配對(duì)抗由多普勒產(chǎn)生的ICI影響。由于ICI的復(fù)雜表達(dá)式，目標(biāo)函數(shù)的聯(lián)

8、合優(yōu)化問題被分解為三個(gè)次優(yōu)的問題。在優(yōu)化問題中，受載波間干擾的影響，功率的優(yōu)化問題是一個(gè)非凸問題，因此采用移動(dòng)基站端和基站端的迭代功率優(yōu)化。為了降低基于單個(gè)子載波的功率分配的復(fù)雜度，本文利用了相鄰子載波間的相關(guān)性，采用基于資源塊的資源分配可降低系統(tǒng)復(fù)雜度。仿真結(jié)果表明，功率迭代優(yōu)化具有收斂性，且采用提出的優(yōu)化方式可以有效的改善系統(tǒng)容量。
　　最后分析了高速移動(dòng)條件下寬帶無線接入的信道特性，高速移動(dòng)帶來的多普勒頻偏擴(kuò)展較大，導(dǎo)致信道

9、快速衰落。本文以高速條件下信道的時(shí)變特性為基礎(chǔ)，對(duì)OFDM在高速條件下所受干擾進(jìn)行推導(dǎo)，得到OFDM在傳輸過程中的頻域信道矩陣，通過仿真驗(yàn)證多普勒越大，其所受ICI越嚴(yán)重。文中提出一種聯(lián)合符號(hào)時(shí)域插值的信道估計(jì)方法，建立時(shí)域的時(shí)變沖激響應(yīng)矩陣，從而轉(zhuǎn)換為等效的信道頻域響應(yīng)矩陣，該矩陣中對(duì)角線元素為信道抽頭衰落增益，而非對(duì)角線元素則為ICI干擾系數(shù)。采用連續(xù)干擾消除的方法，根據(jù)信干比(Signal to Interference Rati