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原文传递高速铁路无线信道传播特性、建模与测量方法研究

论文题名：	高速铁路无线信道传播特性、建模与测量方法研究
关键词：	高速铁路通信;无线通信系统;宽带信道传播;信道测量;频率色散
摘要：	高速铁路作为适应现代文明和社会进步的高科技产品，是以高速度、大容量、低污染、安全可靠著称的先进的交通工具。高速铁路自诞生起即伴随着车地无线通信的承载需求，其中一部分业务承载需求来源于高速列车的列车控制，这是高速列车必不可少的重要组成部分，另一部分业务来源于车上的旅客，这些是满足旅客服务质量需求的重要标志之一。随着高速铁路的快速发展，未来的高速铁路无线通信系统要求同时支持列车控制、面向运行安全的在途检测数据传输以及旅客信息服务。　　无线信道是无线通信系统设计的基础，准确认知无线信道的传播特性是设计无线通信系统的前提条件。无线信道的传播特性一般通过信道测量手段直接获取，并利用信道模型加以描述，进而为无线通信系统的关键技术评估、系统和链路级仿真、原型机搭建以及网络部署提供理论基础。尽管近年来国内外学者已对高速铁路无线信道开展了大量研究，但仍然存在下述局限: 　　1)从传播特性看，现有高速铁路窄带信道传播特性的研究无法为未来高速铁路宽带通信系统的设计提供足够参考。高速铁路典型场景如高架桥和U型槽的宽带小尺度衰落特征存在一定空白。　　2)从信道建模看，由于测试条件的限制，现有基于测量的高速铁路信道模型并未覆盖MIMO（Multiple Input Multiple Output）信道特性。高速铁路典型场景下的MIMO性能评估缺少真实信道模型的支持。　　3)从信道测量方法看，现有基于信道探测仪的信道测量方法并不适合面向未来高速铁路无线通信系统的信道冲激响应数据库构建。高速铁路无线信道数据获取需要高效信道测量方法的支撑。　　针对以上问题，本文对高速铁路典型场景下宽带信道传播特性、MIMO信道建模以及高效信道测量方法进行深入研究。本文主要工作如下: 　　1)基于标准信道探测仪获取的测量数据，研究了高速铁路高架桥和U型槽场景信道大尺度和小尺度衰落特性。统计了路径损耗和阴影衰落参数，建立了高速铁路典型场景的大尺度传播模型。从窄带、宽带、时延角度分析了莱斯K因子参数，抽象了窄带和宽带K因子统计模型。根据提取的多径时延和多普勒相关参数，探讨了高架桥和U型槽场景的时间色散和频率色散特征。　　2)基于时频随机散射理论，研究了高速铁路高架桥和U型槽场景MIMO信道建模。基于几何随机散射理论提出了高架桥场景的参考模型，推导了相关函数和多普勒功率谱的理论表达式，并根据理论多普勒功率谱与实测多普勒功率谱的非线性拟合结果确定了参考模型的环境参数，构建了半经验的MIMO信道模型，评估了高架桥场景的MIMO性能。基于随机传播图理论提出了U型槽场景的传播图模型，生成了虚拟的信道冲激响应数据，并完成实测数据与仿真数据的对比验证后将传播图模型扩展至MIMO情况，评估了U型槽场景的MIMO性能。　　3)针对高速铁路场景下信道测量限制和测量效率问题，研究了基于铁路专网的高效信道测量方法。提出了基于WCDMA(Wideband Code Division MultipleAccess)的高速铁路信道测量方法，阐述了利用WCDMA信号中的CPICH(CommonPilot Channel)实现滑动相关信道探测的原理，并构建半实物仿真平台对所提出的方法进行了验证。提出了基于LTE(Long Term Evolution)的高速铁路信道测量方法，详细介绍了利用LTE信号中的CRS(Cell-specific Reference Signal)实现频域信道探测的原理，分析了信道冲激响应的测量性能，提出了一种算法来补偿定时偏差对测量性能的影响，最后采用MATLAB平台对该方法进行了验证。　　4)为了实现基于LTE的高速铁路信道测量方法，研究了一种新型的高速铁路信道测量系统。该系统由LTE铁路专网与自主研发的LTE信道探测仪构成。通过硬件模块搭建了LTE信道探测仪的硬件平台，并设计了相应配套软件实现测量数据的读取、存储、处理显示和位置标记四大功能。利用标准矢量信号发生器对LTE信道探测仪进行了校准与验证。基于新型的信道测量系统，开展了高速铁路平原高架桥场景下的信道测量活动，分析了带状覆盖、小区合并、移动中继、MIMO和CoMP(Coordinated Multiple Points Transmission/Reception)的测量结果。
作者：	周涛
专业：	通信与信息系统
导师：	谈振辉
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文