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原文传递高移动环境下的高性能切换和多天线技术研究

论文题名：	高移动环境下的高性能切换和多天线技术研究
关键词：	高速铁路;无线通信;切换成功率;多组多天线技术
摘要：	世界上大多数国家，高速公路汽车最高限速通常为120公里或70英里。时速200公里以上的地面移动速度称为超高移动性，通常只有基于轮轨关系的地面轨道列车才能完成。对于时速200公里以上的列车，通常称为高速列车、高速铁路或简称高铁。世界高铁在最近几年发展迅猛，高铁运营速度一般为200-350km/h，试验速度则高达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。对于铁路无线通信，通常可分为二大类:用于铁路调度与控制的专用无线通信系统和用于旅客信息服务的宽带无线通信系统。由于GSM-R主要基于第二代全球移动通信系统GSM，通信速率受限（仅能提供数十到一百多千比特每秒速率），仅能满足铁路专用无线调度与控制需求，不能满足旅客宽带移动通信和其它增值服务需求。而乘客在乘坐高速列车期间，必须处在实时“信息在线”状态。为避免高速列车成为“信息孤岛”，高速列车须保证乘客能够通过手机、笔记本等无线终端实时与外界保持联系，即高速铁路无线通信系统要为乘客提供可靠有效的无线数据业务。基于此，本文研究高移动环境下的无线传输技术，包括如何实现高可靠快速切换和大容量低误码率多天线技术的设计研究。　　高移动环境下，高速移动将造成切换频繁，切换滞后，切换可靠性降低等特殊问题。另一方面，传统CoMP协作多点传输技术主要用来降低小区间干扰，提高小区边缘用户的吞吐率。而对于高铁特殊场景，铁道旁的基站可以共享有关列车的位置和速度信息，并利用CoMP协作传输技术和双车载台协作机制对LTE系统传统硬切换方案进行改进和优化，实现类似于软切换的方法和技术，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来自两个基站的服务，克服了高速移动造成的不利因素，较好地提升了列车接受到的信号质量，从而实现了无缝切换。　　高移动环境下切换研究的另一个特殊问题是，切换重叠区中切换会与HARQ重传产生冲突，即考虑当列车高速驶过重叠区时，源基站HARQ还没有来得及接收，列车就进入了目标基站，造成HARQ失败。在高移动环境下，本文对高可靠快速切换下的HARQ重传机制进行建模，提出基于位置和基站协作的差错控制策略。在切换完成后，通过确认最后一个分组来保证无损切换，避免了UE等候潜在的确认信息以及UE接入目标eNB之后由于源eNB数据分组得不到确认不断地丢失。研究结果表明，所提出的策略可以减少高速和切换同时并存时VoIP业务的误包率，提高系统可靠性的同时，也提高了VoIP的容量。　　多天线技术的研究应用是高移动环境下另一个关键问题。本文对高铁LTE系统视距MIMO下的直线多天线阵列接收进行三维建模，分析n×n多天线阵列的信道容量。在强视距场景中，由于缺少散射分量，改变多天线阵列参数（天线阵元个数、天线间距离及几何形状）或单纯地增加天线阵元数n并不能获得有效的容量增益;同时，列车高速经过基站时接收角剧烈变化会使得波束成形的阵列增益也难以在高铁场景中实现。基于此，在不改变LTE系统天线设计的条件下，提出对多组(N=2，3，4，5)多天线阵列进行接收合并，适当调整阵列间的权重差来获得稳定的容量增益。权重差的选取与铁路无线通信网络的实际拓扑有关（如基站天线高度、车载台天线高度、基站与铁轨的垂直距离、小区大小等）。而且，在实际应用中，天线阵列组数N的合理适用范围为N＜6。若N≥6，调整N列列向量之间合适的权重差较困难，而且工程成本也相应增加，实际使用中应该考虑在容量性能和工程实现之间做出相应的折中。　　另外，高速移动带来了一定的误码率平层，简单地提高信噪比不能提高误码性能。在差分调制解调的信号模型下，本文提出高铁场景下两种多天线分集接收模型:线性合并分集接收和统计合并分集接收，并通过数学推导，分别求出这两种分集接收在不同速度下的误码率平层。数学分析和研究结果表明，所提出的线性合并分集和统计合并分集都可以通过增加分集数来降低高速移动带来的误码率平层。另一方面，统计合并分集的性能要优于线性合并分集，但是其接收机复杂度也比线性合并分集要高。在实际应用中可以根据QoS的要求在性能和复杂度之间进行折衷。　　最后，在分析基于正交空时码的开环和闭环MIMO系统的基础上，本文研究了速度对正交空时码的影响:高速移动导致的快时变信道将会破环正交空时码的正交结构，降低由此获得的分集增益，从而引起误码率性能的降低。在此基础上，提出格型正交重构算法，通过givens变换对正交空时码进行码内正交重构。该算法在恢复码内正交性的同时，也改变了发射端波束成形方向。因此，在高速移动场景下，所提出的算法使得发射端获得了波束成形的阵列增益以及与用户静止时相同的分集增益。从系统性能仿真中看出，所提出的算法提升了高铁场景下基于正交空时码MIMO系统的误码性能。
作者：	罗万团
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：	2013
正文语种：	中文