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文檔簡介
1、無線通信的發(fā)展始終朝著一個目標演進,那就是讓人們能夠在任何時間、任何地點與任何人進行通信。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)。在長達數(shù)小時的旅程中,乘客所需的通信服務(wù)一般包括語音、電子郵件、上網(wǎng)瀏覽和流媒體等多種業(yè)務(wù)。為高速移動中的乘客提供信息化服務(wù),已成為移動通信發(fā)展中新的熱點。高速鐵路寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)存在信道快變、多普勒頻譜擴展大、切換頻繁、頻譜受限、電波干擾復(fù)雜、可靠性要求高等特點。然而,現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)均無法很好
2、地解決這些問題。因此,需要研究和分析與高速移動環(huán)境相適應(yīng)的新一代高速鐵路寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其性能。
本文利用概率論和隨機矩陣等理論工具,對高速鐵路寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)進行研究。針對高速鐵路場景,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)中的各項性能指標?;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、差錯指數(shù)、截止速率、刪除指數(shù)和有效速率等數(shù)學表達式。研究成果能夠解析地評估高鐵網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能,揭示高鐵網(wǎng)絡(luò)的性能受
3、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、規(guī)劃和優(yōu)化提供理論依據(jù),具有現(xiàn)實意義。具體來說,本文的主要工作有:
1.在高鐵場景信道特性和系統(tǒng)架構(gòu)方面,本文首先根據(jù)實際測量數(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)計特性。針對高鐵信道的復(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,并分別給出其信號包絡(luò)和功率的概率密度表達式,為后文的性能分析提供了數(shù)學基礎(chǔ)。通過改變它們的參數(shù)能夠較
4、好地描述高鐵各種場景中的小尺度衰落特性,具有一般性。具體來說,η-μ分布包括Hoyt、 Rayleigh和Nakagami-m分布;κ-μ分布包括Ricean、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。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。通過在列車頂部架設(shè)天線,車載基站直接與軌邊射頻
5、拉遠單元進行通信,并將接收信號進行處理后,通過分布于車廂內(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,切換管理簡單,實現(xiàn)平滑切換,降低切換時延,切換成功率高,減小對其他網(wǎng)絡(luò)的干擾。更重要的是,該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠把復(fù)雜的時變信道估計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與車載基站之間無線鏈路的經(jīng)典性能。在綜合考
6、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接收功率的概率密度函數(shù)和累積分布函數(shù)解析表達式,給出了中斷概率和誤碼率的準確表達式。進一步,推導(dǎo)了不同發(fā)送機制下η-μ/Gamma復(fù)合衰落模型的信道容量表達式。然后,本文還分析了高鐵網(wǎng)絡(luò)的差錯指數(shù)和有效速率兩個性能指標。通過研究MIMO STBC系統(tǒng)在η-μ和κ-μ信道下的差錯指數(shù),分析收發(fā)天線數(shù)、相干時間、編碼長度、陰影衰落及小
7、尺度信道參數(shù)對差錯指數(shù)的影響。另外,還給出了信道容量、截止速率和刪除指數(shù)等準確和高信噪比下漸進的解析表達式。最后,通過研究MISO系統(tǒng)在η-μ和κ-μ信道下的有效速率準確和漸進表達式,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。本文得到的各種表達式包括和驗證了前人對于Nakagami-m、Rician和Raileigh等信道模型的研究結(jié)果,具有一般性。
3.針對高速鐵路中占主要部分的高架橋場景,提出了一種使MIMO
8、系統(tǒng)達到最大信道容量的收發(fā)天線間距準則。在具有強直射路徑的場景中,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)的天線間距準則,推導(dǎo)得到收發(fā)天線間距之積s1s2與載波頻率、收發(fā)信機距離以及天線傾斜角度有關(guān),而與收發(fā)天線的高度差無關(guān)。然后,將該準則推廣到任意收發(fā)天線個數(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機制在高鐵場景具
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