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原文传递高铁下一代无线通信系统的波束赋形与大规模多天线传输技术研究

论文题名：	高铁下一代无线通信系统的波束赋形与大规模多天线传输技术研究
关键词：	高速铁路;下一代无线通信系统;波束赋形技术;多天线技术
摘要：	铁路运输尤其是高速铁路运输由于其速度快、运输能力大、环境污染轻、能耗低、安全性高、舒适度好等诸多优点而在世界各国得到了广泛的关注与建设。高速铁路，是一个综合概念，既包括路轨和供电网也包括高速列车和通信与信号系统等，通常简称高铁，运营速度一般为200到350km/h，试验峰值速度高达574km/h。高速铁路安全高效的运营，离不开各种现代有线通信、无线通信与信息处理技术的支撑。高铁无线通信主要分为用于列车调度控制的专用无线通信和用于旅客信息服务的宽带无线通信两部分。现有的高铁无线通信系统为满足列车调度控制的通信需求，采用了基于第二代全球移动通信系统并专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统GSM-R。在中国，目前暂时没有专门用于高铁旅客信息服务的无线通信系统，旅客仍然使用公网运营商提供的基于第三代移动通信(3G)系统的UMTS网络或准第四代移动通信系统(LTE)。为了满足高铁下一代无线通信系统的高可靠性和大容量的需求，GSM-R将向LTE-R演进，而用于旅客信息服务的宽带无线通信系统也需要一套更有效的解决方案。基于此，本文研究高速铁路场景下的无线传输技术，包括波束赋形技术和大规模多天线技术研究。　　首先，传统的波束赋形技术主要用来在传输的过程中降低干扰，增加理想用户的信干噪比。本文研究高铁场景波束赋形应用问题，道旁基站可以共享有关列车的位置和速度信息，对即将实行切换的列车进行波束赋形辅助切换，通过调整波束增益，提高切换的可靠性。研究结果表明该策略使得列车在经过重叠区时同时接受源基站和目标基站的波束服务，有利于改善切换触发过程，减小中断的风险，较好地提升了列车接收到的信号质量，从而实现了可靠切换。　　接着，由于基于智能天线的波束赋形技术对信道估计要求较高，而基于非智能天线的机会波束赋形技术则只需要信道的信噪比(SNR)报告，通过将列车顶部的单个车载台扩展为多个单天线车载台，可以实现机会波束赋形，即为每个车载台天线乘以随机复权重，以增加基站与车载台收发天线之间随机信道波动的动态范围，再利用可预知的列车位置信息干预复权重的随机相位取值，进一步获取更高的多用户分集增益。研究结果表明，所提出的策略可以提高系统吞吐率，使传统机会波束赋形算法的性能进一步接近基于智能天线的相干波束赋形算法。　　其次，波束赋形要求天线阵列的阵元间距小于载波的半波长，而空间分集技术如Alamouti空时分组编码(STBC)要求天线间距为载波波长的5-10倍，要将这两种技术进行结合以同时获得阵列增益与分集增益，需要对收发端的天线阵列结构进行设计。本文将这两种技术的结合机制引入到高铁场景下，分为STBC与波束赋形同在发端和STBC与波束赋形分别在发收两端两种情况，前一种细化为STBC-TxBFⅠ型结构和STBC-TxBFⅡ型结构，后一种细化为STBC-RxBFⅠ型结构和STBC-RxBFⅡ型结构，其中STBC-RxBFⅡ型结构是本文提出的改进算法，用基于到达方向的权重生成方法取代了基于信道协方差矩阵特征值分解的权重生成方法，产生两个波束接收在发端经过了STBC的两个空间流，降低了算法开销，并同时获取了分集增益与阵列增益，提高了STBC与波束赋形结合算法的BER性能。　　虽然波束赋形技术可以与空间分集技术相结合，但是与空间复用技术的结合面临着高铁场景下强视距带来的信道相关性高的问题。本文利用大规模多天线(LSMA)技术所特有的高角度分辨率的多波束来同时服务分别位于列车首尾的车载台获取阵列增益与空间复用增益。由于指向列车首尾的两个波束间的模糊度随着列车驶向小区边缘而升高，同时波束的分辨率由基站的激活阵元个数决定，本文提出随着列车的位置变化而自适应地采取不同的传输策略，包括激活不同个数的基站天线阵元，生成单波束或是双波束来服务车载台。研究结果说明所提出的基于自适应天线激活(AAA)的波束赋形算法突破了高速场景下复用增益难以获得的限制，令列车在驶过全小区的过程中始终具有较好且稳定的频谱效率和BER性能。　　最后，大规模多天线可以集中式布置也可以分布式布置。在高铁场景下，采用集中式布置可以通过激活全部天线阵元产生高分辨率的波束进行传输，但是采用分布式布置时，将所有天线激活用来传输将遭受不必要的路径损耗，因此需要进行天线选择。本文设计了这一系统中的天线选择方案，推导了高铁场景下分布式大规模多天线的天线选择算法的性能上限，以及平均频谱效率与天线数之间的关系，提出了一种时变信道的权重预处理的方法，提高了传统的天线选择算法在这一场景下的频谱效率。
作者：	程梦
专业：	通信与信息系统
导师：	方旭明
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文