高移動環(huán)境下的高性能切換和多天線技術(shù)研究.pdf

1、世界上大多數(shù)國家，高速公路汽車最高限速通常為120公里或70英里。時速200公里以上的地面移動速度稱為超高移動性，通常只有基于輪軌關(guān)系的地面軌道列車才能完成。對于時速200公里以上的列車，通常稱為高速列車、高速鐵路或簡稱高鐵。世界高鐵在最近幾年發(fā)展迅猛，高鐵運營速度一般為200-350km/h，試驗速度則高達(dá)574km/h。高速鐵路安全高效的運營，離不開各種現(xiàn)代有線通信、無線通信與信息處理技術(shù)的支撐。對于鐵路無線通信，通常可分為二大類:

2、用于鐵路調(diào)度與控制的專用無線通信系統(tǒng)和用于旅客信息服務(wù)的寬帶無線通信系統(tǒng)。由于GSM-R主要基于第二代全球移動通信系統(tǒng)GSM，通信速率受限（僅能提供數(shù)十到一百多千比特每秒速率），僅能滿足鐵路專用無線調(diào)度與控制需求，不能滿足旅客寬帶移動通信和其它增值服務(wù)需求。而乘客在乘坐高速列車期間，必須處在實時“信息在線”狀態(tài)。為避免高速列車成為“信息孤島”，高速列車須保證乘客能夠通過手機(jī)、筆記本等無線終端實時與外界保持聯(lián)系，即高速鐵路無線通信系統(tǒng)要為

3、乘客提供可靠有效的無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)?；诖耍疚难芯扛咭苿迎h(huán)境下的無線傳輸技術(shù)，包括如何實現(xiàn)高可靠快速切換和大容量低誤碼率多天線技術(shù)的設(shè)計研究。
　　高移動環(huán)境下，高速移動將造成切換頻繁，切換滯后，切換可靠性降低等特殊問題。另一方面，傳統(tǒng)CoMP協(xié)作多點傳輸技術(shù)主要用來降低小區(qū)間干擾，提高小區(qū)邊緣用戶的吞吐率。而對于高鐵特殊場景，鐵道旁的基站可以共享有關(guān)列車的位置和速度信息，并利用CoMP協(xié)作傳輸技術(shù)和雙車載臺協(xié)作機(jī)制對LTE系統(tǒng)傳統(tǒng)

4、硬切換方案進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，實現(xiàn)類似于軟切換的方法和技術(shù)，提高切換的可靠性。研究結(jié)果表明該策略使得列車在經(jīng)過重疊區(qū)時同時接受來自兩個基站的服務(wù)，克服了高速移動造成的不利因素，較好地提升了列車接受到的信號質(zhì)量，從而實現(xiàn)了無縫切換。
　　高移動環(huán)境下切換研究的另一個特殊問題是，切換重疊區(qū)中切換會與HARQ重傳產(chǎn)生沖突，即考慮當(dāng)列車高速駛過重疊區(qū)時，源基站HARQ還沒有來得及接收，列車就進(jìn)入了目標(biāo)基站，造成HARQ失敗。在高移動環(huán)境下，本

5、文對高可靠快速切換下的HARQ重傳機(jī)制進(jìn)行建模，提出基于位置和基站協(xié)作的差錯控制策略。在切換完成后，通過確認(rèn)最后一個分組來保證無損切換，避免了UE等候潛在的確認(rèn)信息以及UE接入目標(biāo)eNB之后由于源eNB數(shù)據(jù)分組得不到確認(rèn)不斷地丟失。研究結(jié)果表明，所提出的策略可以減少高速和切換同時并存時VoIP業(yè)務(wù)的誤包率，提高系統(tǒng)可靠性的同時，也提高了VoIP的容量。
　　多天線技術(shù)的研究應(yīng)用是高移動環(huán)境下另一個關(guān)鍵問題。本文對高鐵LTE系統(tǒng)視距

6、MIMO下的直線多天線陣列接收進(jìn)行三維建模，分析n×n多天線陣列的信道容量。在強(qiáng)視距場景中，由于缺少散射分量，改變多天線陣列參數(shù)（天線陣元個數(shù)、天線間距離及幾何形狀）或單純地增加天線陣元數(shù)n并不能獲得有效的容量增益;同時，列車高速經(jīng)過基站時接收角劇烈變化會使得波束成形的陣列增益也難以在高鐵場景中實現(xiàn)。基于此，在不改變LTE系統(tǒng)天線設(shè)計的條件下，提出對多組(N=2，3，4，5)多天線陣列進(jìn)行接收合并，適當(dāng)調(diào)整陣列間的權(quán)重差來獲得穩(wěn)定的容量

7、增益。權(quán)重差的選取與鐵路無線通信網(wǎng)絡(luò)的實際拓?fù)溆嘘P(guān)（如基站天線高度、車載臺天線高度、基站與鐵軌的垂直距離、小區(qū)大小等）。而且，在實際應(yīng)用中，天線陣列組數(shù)N的合理適用范圍為N＜6。若N≥6，調(diào)整N列列向量之間合適的權(quán)重差較困難，而且工程成本也相應(yīng)增加，實際使用中應(yīng)該考慮在容量性能和工程實現(xiàn)之間做出相應(yīng)的折中。
　　另外，高速移動帶來了一定的誤碼率平層，簡單地提高信噪比不能提高誤碼性能。在差分調(diào)制解調(diào)的信號模型下，本文提出高鐵場景下兩

8、種多天線分集接收模型:線性合并分集接收和統(tǒng)計合并分集接收，并通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，分別求出這兩種分集接收在不同速度下的誤碼率平層。數(shù)學(xué)分析和研究結(jié)果表明，所提出的線性合并分集和統(tǒng)計合并分集都可以通過增加分集數(shù)來降低高速移動帶來的誤碼率平層。另一方面，統(tǒng)計合并分集的性能要優(yōu)于線性合并分集，但是其接收機(jī)復(fù)雜度也比線性合并分集要高。在實際應(yīng)用中可以根據(jù)QoS的要求在性能和復(fù)雜度之間進(jìn)行折衷。
　　最后，在分析基于正交空時碼的開環(huán)和閉環(huán)MIMO系

9、統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文研究了速度對正交空時碼的影響:高速移動導(dǎo)致的快時變信道將會破環(huán)正交空時碼的正交結(jié)構(gòu)，降低由此獲得的分集增益，從而引起誤碼率性能的降低。在此基礎(chǔ)上，提出格型正交重構(gòu)算法，通過givens變換對正交空時碼進(jìn)行碼內(nèi)正交重構(gòu)。該算法在恢復(fù)碼內(nèi)正交性的同時，也改變了發(fā)射端波束成形方向。因此，在高速移動場景下，所提出的算法使得發(fā)射端獲得了波束成形的陣列增益以及與用戶靜止時相同的分集增益。從系統(tǒng)性能仿真中看出，所提出的算法提升了高鐵場