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原文传递高速铁路场景下无线中继通信系统信息传输可靠性与安全性研究

论文题名：	高速铁路场景下无线中继通信系统信息传输可靠性与安全性研究
关键词：	高速铁路;无线中继通信系统;信息传输;可靠性;安全性
摘要：	截至2016年底，中国高速铁路的运营总里程已达2.2万公里，成为全世界高速铁路运营总里程最长的国家。高速铁路已经成为中国经济发展的新引擎，具有重要的战略意义。面向高速铁路场景的移动通信系统是保障列车运行安全，承载列车与地面监控中心信息交互的重要桥梁。高速铁路场景下的无线通信系统不仅为高速铁路的安全运行提供监控服务，还将为旅客提供丰富的多媒体娱乐服务。然而现有的窄带铁路无线通信系统GSM-R（Global System of Mobile for Railway）已经不能满足这些需求。因此，如何设计无线通信系统以保证信息高速可靠安全地传输，已经成为了下一代高速铁路移动通信的重要研究课题。　　本论文针对高速铁路场景中无线中继通信系统信息传输可靠性与信息安全性的需求，特别考虑到高速铁路特有的车体穿透损耗高与快速时变信道估计存在误差的特点，对高速铁路场景下半双工中继系统、多中继系统、全双工中继系统和云无线接入网络中的信息传输可靠性与安全性开展研究。论文的主要贡献包括: 　　(1)针对协作中继系统中无线通信信息传输可靠性与安全性之间关系的问题，在信道估计存在误差情况下，研究了中继系统信息传输可靠性指标（系统中断概率）以及信息传输安全性指标（监听者监听概率），运用多中继选择算法在保证信息传输可靠性的同时提高了信息传输安全性，并分析推导得到描述信息传输安全性与可靠性之间关系的闭合数学表达式。分析和仿真结果一致表明，多中继算法随着中继数目的增加可以有效降低中断概率和信息被监听的概率，同时提高信息传输的可靠性和安全性。　　(2)针对高速铁路场景下无线中继通信系统传输性能的问题，对比研究了高速铁路场景下的直接传输方案和移动中继方案的系统容量，建立了双跳中继模型，在考虑了车体穿透损耗的影响下，推导出两种传输方案的闭合遍历通信容量表达式。仿真结果表明，在高车体穿透损耗（超过15dB）的情况下，移动中继传输方案相比于直接传输方案能够提供更高的通信系统容量。　　(3)针对高速铁路场景下分布式中继无线通信系统信息传输性能的问题，研究了高速铁路场景下多移动中继选择通信传输方案，推导了该场景下无线通信直接传输方案和移动中继选择方案中断概率的闭合表达式。结果表明，高速铁路场景下多中继选择无线通信系统信息传输的中断概率随着移动中继数目的增加逐步降低。　　(4)对比分析高速铁路场景下无线移动全双工与半双工中继通信系统的信息传输性能，研究了全双工中继信息传输的有效性与可靠性，同时考虑了放大转发和解码转发两种转发模式，以及车体穿透损耗和自干扰消除因子的影响。推导出了无线全双工中继通信系统容量、中断概率和中断容量的闭合表达式，并分析了不同车体穿透损耗和自干扰消除技术对高速移动全双工中继无线通信系统信息传输性能的影响。理论分析结果表明，在高车体穿透损耗（超过15dB）的情况下，全双工移动中继方案比半双工移动中继方案具有更高的系统容量和更低的信息传输中断概率。　　(5)针对高速铁路场景下无线分布式中继通信系统中的信息传输安全性和可靠性问题，设计了基于云无线接入网络架构的三阶段传输方案，并考虑了信道估计误差和训练符号数目对于系统容量和信息安全性的影响，推导出了中继无线通信系统信息传输中断概率与监听者监听概率的闭合表达式，进而获得了系统信息传输的中断概率与被监听概率之间的数学关系。仿真结果表明，提出的三阶段传输方案可以在保证一定信息中断概率的情况下，有效地降低系统信息被监听的概率。此外随着移动中继数目的提高，设计的方案还可以同时降低系统信息传输的中断概率和被监听的概率，从而在保证系统传输可靠性的同时，提高系统信息传输的安全性。
作者：	尤嘉
专业：	通信与信息系统
导师：	钟章队
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文