基于分布式天线的高速车地通信系统仿真与性能分析第一二章毕业设计论文(终稿.doc

西 南 交 通 大 学本科毕业设计（论文）基于分布式天线的高速车地通信系统仿真与性能分析THE SIMULATION AND PERFORMANCE ANALYSIS OF THE DISTRIBUTED ANTENNA BASED HIGH SPEED TRAIN-GROUND COMMUNICATION SYSTEM 年 级：200*级 学 号：200* 姓 名： 专 业：通信工程 指导老师： 2010年 06 月院 系 计算机与通信工程系 专 业 通信工程 年 级 200*级 姓 名 题 目 基于分布式天线的高速车地通信系统仿真与性能分析 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 2010年 6 月 26日 毕业设计（论文）任务书班 级 200*级 学生姓名 * 学 号 200* 发题日期： 2010 年 3月 1 日 完成日期： 6 月 22 日题 目 基于分布式天线的高速车地通信系统仿真与性能分析 1、本论文的目的、意义 高速铁路的移动通信覆盖是个世界性难题。要保持信号畅通，用户终端需要在不同的基站服务区域间进行切换。每小时超过300公里的时速将使用户在非常短的时间内穿过多个信号小区，会引起用户在通话过程中在不同的小区覆盖范围内频繁地切换，会导致掉话等诸多问题。为了满足向用户提供高速上下行数据业务，必须要求网络能够提供高质量的覆盖。一方面为了保证高速列车中用户的网络信号接收质量，抵御车厢的穿透损耗，基站间距需要尽可能缩短；而另一方面，为满足切换的需要，减少切换及小区重选的次数，基站间又要保持尽量长的距离。在现有铁路无线通信网络部署中，应用车载直放站的车厢内覆盖系统以及光纤直放站(或射频拉远)的铁路沿线覆盖系统是被证实的有效解决方案。然而，从目前的研究来看，在高速车地通信中，还面临许多挑战，本设计的目的在于对分布式天线高速车地通信系统容量、切换等性能进行分析研究，这不仅有着重要的研究意义，也具有重大的现实意义。 2、学生应完成的任务 （1）查找与毕业设计相关的文献资料，详细了解和学习本设计相关技术目前的发展情况，对本设计要做的工作作出规划； （2）学习国内外的学术论文、技术资料等。深入贯通高速车地通信方案的技术原理、工作原理和流程； （3）对各种典型方案进行对比分析，并对技术未来发展给出合理的建议和展望； （4）编写标准、合理、简洁明了的毕业设计论文文档并打印成稿。 （5）应完成不少于一万英文字符的翻译及将毕业设计(论文)的中文摘要翻译成英文。 3、论文各部分内容及时间分配：（共 16 周）第一部分对本设计领域内的学术发展情况和国内外工程应用情况以及本论文涉及的技术的发展前景作一个概括性的介绍； ( 1周) 第二部分对本设计所涉及的主要技术、实现原理和方法作一个介绍； (1周)第三部分对现有典型方案进行资料收集，总结，并据此确定研究方案 (4周)第四部分对典型方案进行仿真分析，并提出改进性的意见和建议 （6周）第五部分完成毕业设计文档撰写及英文翻译 ( 3周)评阅及答辩答辩 (1 周)备 注 指导教师： 2010年 2 月 25 日审 批 人： 2010年 2 月 25 日摘 要本论文主要讨论基于分布式天线高速车地通信系统的三种拓扑结构下的系统性能以及越区切换性能分析。针对包含路径损耗、快衰落和阴影衰落的信道模型，研究SISO，MISO和MIMO三种情况下系统性能。对MIMO信道容量的分析表明，基于分布式天线的MIMO系统具有良好的信道容量均匀覆盖特性。与SISO和MISO分布式天线系统相比，MIMO分布式系统可以获得更好的小区平均信道容量。首先，本文针对分布式天线通信系统的研究现状给出综述，然后针对上述问题进行研究。主要成果如下：第二章对分布式天线系统的概念及原理做了简要阐述，并对分布式天线系统的发展和研究现状进行了分析，为后文分布式天线系统用于高速车地通信时的性能仿真奠定了基础。第三章对分布式天线系统的三种信道模型进行了小区容量、路径损耗、信噪比等性能分析，对三种模型的容量等性能作出了对比，分析得出MIMO（22）模型条件下的信道容量等性能最优，并通过仿真进行验证。第四章则是在MIMO（22）模型的基础上，分析高速条件下的越区切换中的一些重要参数对切换性能的影响；对越区切换采用的算法进行优化，给出一种改进的切换算法。关键词：分布式天线系统 系统容量 信噪比 越区切换 高速车地通信AbstractThis dissertation mainly discusses the capacity performance and the handoff performance under three kinds of topologies of the distributed antenna based high speed train-ground communication system. The distributed MIMO system combining the characteristics of MIMO channel and distributed antenna system is provided. The innovative characteristics of this thesis is that the channel model considers the influences of path loss. fast fading and lognormal shadowing. The performance Analysis of MIMO channel capacity indicates that the channel capacity based on distributed MIMO system has a good uniform coverage property. Compared with SISO and MISO distributional antenna system.MIMO distributional antenna system can gets better the average channel capacity of the system.Firstly, we give an overview of current state que of research in DAS. The followings are the main contributions of this thesis.In chapter 2. the distributed antenna system concepts and principles are briefly described. then the development of a distributed antenna system and the current research are introduced.In chapter 3. we analysis the performance of three kinds of the distributed antenna system channel models, including path loss. SNR performance. the results show that.the MIMO (2 2) model can get the maximum capacity compared with the SISO and MISO model, and be verified by simulation with high practical value.In chapter 4. we analye some key parameters under the high speed condition.and proposed a handoff scheme.key words：distributed antenna system; system capacity; handoff目 录第1章 绪论11.1 本论文的研究背景及意义11.2 论文的主要工作和内容安排2第2章 分布式天线系统的概念及原理分析42.1 分布式天线系统的概念及特点42.2 分布式天线系统的研究现状52.2.1 传统的分布式天线系统（DAS）研究62.2.2 蜂窝环境下的分布式天线系统的研究62.2.3 单用户分布式多天线系统的研究72.2.4 多用户分布式天线系统82.4 分布式天线应用于高速铁路通信关键问题分析92.5 本章小结9第3章 基于分布式天线的高速车地通信系统性能分析113.1 引言113.2 分布式天线系统（DAS）信道模型123.3 单入单出（SISO）分布式天线系统性能分析153.3.1 SISO（11）信道容量分析153.3.2 SISO（11）信噪比（SNR）分析163.4 多入单出MISO（21）分布式天线系统性能分析173.4.1 多入单出（MISO）分布式天线系统信道容量性能分析183.4.2 信噪比性能分析193.5 多入多出MIMO（22）分布式天线系统性能分析203.5.1 信道容量性能分析213.5.2 信噪比性能分析223.6 三种方案的容量和信噪比对比分析233.7 本章小结25第4章 高速车地通信系统越区切换原理分析264.1 切换的目的和意义264.2 切换过程264.3越区切换失效过程分析284.3.1 移动台不能发起切换284.3.2 未设置邻区关系284.3.3 切换统计时间N与切换持续时间P设置不合理294.3.4 数据设置不合理导致切换异常294.3.5 无线覆盖导致的切换异常314.3.6 传输闪断导致的切换异常334.4 针对铁路无线覆盖特点的越区切换334.4.1 越区切换参数的分析344.4.2 越区切换的相关算法354.4.3 越区切换仿真分析374.5 铁路沿线MIMO系统越区切换分析394.5.1 铁路沿线分布式天线系统的架构394.5.2 越区切换策略分析404.5.3 算法的实施过程414.5.4 切换策略性能分析444.6 本章小结45结论与展望46致谢48参考文献49附录51第1章 绪论1.1 本论文的研究背景及意义无线传播损耗按指数律衰减，导致当采用高天线实现大面积覆盖时，天线信号覆盖边缘与中心的信号功率差别很大。由于设备不可能实现边缘信号和中心信号的完全正交，这就必然导致了远近效应问题。为解决这个问题，提出了功率控制的思想，这导致了系统的复杂性提高。上述问题的出现是由无线电波传输特性所造成的。传统的小区概念其小区范围与信号覆盖是紧密耦合在一起的，即一个小区的范围由小区内单天线所辐射的信号覆盖所决定。由于信号覆盖与小区覆盖两者的耦合和统一，为了提供对移动用户的连续服务，相邻小区的边缘在地域上需要重叠，因此当一个用户从一个小区移动到另一个小区时，必须进行通信资源的重分配。为增加系统容量，当采用微小区，逐渐减小小区半径来提高重用密度的同时，必然导致频繁的切换。考虑到市区环境中，业务集中并且平均业务量大、密度高，因此需要采用微小区甚至微微小区来实现热点覆盖。由于微小区的天线发射功率相对较低，其覆盖半径一般只有几百米或更小，这样市区内需要布置大量的微小区基站来实现全城区的覆盖，如果像传统的小区一个天线配备一个处理单元，必将导致成本(网络建设成本、基站房屋租金等运维成本)的上涨，同时很难在密集的楼群中每几百米就找到合适的地点安置一个基站。因此，人们考虑将基站(BS) 处理单元和天线分开，天线保留有最少的硬件单元，而将信号处理部分集中在基站公寓(BSH)。BSH的资源可供几个天线共享，即一个BSH同时为多个远端天线服务。由此人们引入了分布式天线系统(DAS：distributed antenna system)的概念。为适应人们日益增长的业务需求，各国学者提出了许多技术来提高信号质量、增加系统容量、扩大信号覆盖。DAS就是其中一项主要的技术，并有望成为解决下一代高速数据传输的方案之一。刚开始所提出的DAS主要是用于给远端的用户提供服务，扩大覆盖区域；或者用于无线电信号难以达到的地点，抵抗阴影衰落。例如直放站、室内或者隧道的覆盖方案。直放站收发同频，如果施主天线和覆盖天线的隔离不好，极易造成自激，从而对网络造成干扰。直放站上行噪声、互调干扰对网络的性能有负面影响，直放站的下行各项指标也要满足严格的要求。虽然直放站方法比重新布设基站覆盖盲区的方法要好，但是实现中为了不影响整个网络的性能，并保证很好地为用户服务，必须进行极细的网络规划，并且要选用性能好的射频器件。而高速铁路的移动通信覆盖一直是个世界性难题。要保持信号畅通，用户终端需要在不同的基站服务区域间进行切换。每小时超过300公里的时速将使用户在非常短的时间内穿过多个信号小区，会引起用户在通话过程中在不同的小区覆盖范围内频繁地切换，会导致掉话等诸多问题。为了满足向用户提供高速上下行数据业务，必须要求网络能够提供高质量的覆盖。一方面为了保证高速列车中用户的网络信号接收质量，抵御车厢的穿透损耗，基站间距需要尽可能缩短；而另一方面，为满足切换的需要，减少切换及小区重选的次数，基站间又要保持尽量长的距离。在现有铁路无线通信网络部署中，应用车载直放站的车厢内覆盖系统以及光纤直放站(或射频拉远)的铁路沿线覆盖系统是被证实的有效解决方案。然而，从目前的研究来看，在高速车地通信中，还面临许多挑战。本设计的目的在于对分布式天线高速车地通信系统容量、信噪比等性能进行分析，此外对其越区切换性能进行分析，并给出一种越区切换方案。本设计的研究成果，这不仅有着重要的研究意义，也具有重大的现实意义。1.2 论文的主要工作和内容安排本论文以基于分布式天线系统的高速车地通信性能仿真作为研究课题，对分布式天线系统用于铁路通信三种信道模型下的信道容量、路径损耗以及信噪比等性能进行仿真分析，如分布式SISO、MIMO、MIMO系统的下的容量等性能分析，以比较并确定在三种模型条件下的容量最优方案。并且简单仿真分析了分布式天线系统中相邻小区之间高速通信的切换问题。本论文的主要研究成果如下：第二章对分布式天线系统的概念及原理做了简要阐述，并对分布式天线系统的发展和研究现状进行了分析，为后文分布式天线系统用于高速车地通信时的性能仿真奠定了基础。第三章对分布式天线系统的三种信道模型进行了小区容量、路径损耗、信噪比等性能分析，对三种模型的容量等性能作出了对比，分析得出MIMO（22）模型条件下的信道容量等性能最优，并通过仿真进行验证，具有较高的实用价值。第四章则是在MIMO（22）模型的基础上，分析高速条件下的越区切换中的一些重要参数对切换性能的影响，并通过仿真试验验证结论；对越区切换采用的算法进行优化，提出了一种改进的切换算法。该算法具有上下阈值，并采用了动态调整的平均窗口和超时机制。最后，对全文进行了总结，并对分布式无线通信系统的未来研究方向给出了几点建议。第2章 分布式天线系统的概念及原理分析2.1 分布式天线系统的概念及特点分布式天线系统（DAS）指的是在一个“逻辑小区”(群)内布置一个或多个天线，同时为用户服务，下行同时发射相同的信号给用户，上行多个天线同时接收，送回处理中心进行处理。天线端尽量简化以减少成本，除了基本的部分，对信号的处理集中在处理中心。远端天线单元与BSH的连接采用同轴线、光纤链路，无线微波和毫米波链路，自由空间光链路等。同轴线缆的衰减较大，不适合远距连接；高频段微波和毫米波的传输特性差，有雨衰现象，要求存在视距(LOS：line of sight) 路径；自由空间光链路传输性能好，但要求必须存在LOS路径，在密集楼群环境中不容易实现；光纤虽然初期建设成本高一点，但是其传输特性好，也没有LOS要求123。在DAS工作中，由于中心站(CS：central station)集中控制许多天线，CS可以根据情况通过软件激活多个天线为用户服务，而不管这些天线实际中物理连接形式。其优点如下：1）远端射频端口简单、成本低，远端射频端口低功率发射，可以减小互信道干扰；2）适应各种不同的多址方式(FDMA、TDMA、CDMA)、不同技术标准(2G、3G、Wi2Fi、WiMAX)；3）共享基础的投资设施，如CS、RAU(remote antenna unit，远端元件单元)，同一标准的多个RAU共享中心处理单元，多个不同标准的网络同时架设在这些RAU上；4）DAS对服务区域实现了较好的均匀覆盖，性能得到提高，特别是提高了切换的性能，当用户在同一个服务区域内移动时，尽管使用了不同的天线为其服务，但不需要进行切换；5）通过多个不同地点天线的接收，可以实现宏分集以抵抗阴影衰落；6）资源管理更加灵活，处理中心可以实现统一动态地分配资源，优化资源使用，极大地提高频谱效率，并且通过软件配置、管理的小区结构能更好地适应不同时段、不同地点的业务变化；7）集中控制中心可以根据业务热点和业务变化动态地调整群中射频端口的连接方式和资源配置，不同的天线组合可以组成不同形状的服务区域；8）采用了DAS 后，由于DAS 实现了小区与信号覆盖的良好分离，天线的架设完成后，通过软件灵活的配置、调整小区结构，可以满足不同形式的业务需求，使繁重的网络规划工作变得更容易；9）集中的CS、简单的RAU 都使得维护更加方便，同时采用CS 集中管理的多天线结构，使得网络的可靠性得到提高，节省了维护成本。当DAS 采用光纤连接CS 和RAU时，带来一些问题，主要包括：中心节点的处理复杂度要比以前的基站处理单元复杂得多；使用多个发射天线同时发射会引入多径，导致短期衰落的加剧；时延扩展的问题，即多径的时延扩展和光纤传输所引入时延不同；上行多个天线接收时由于多个天线热噪声的叠加会导致SNR(信噪比) 的降低；初期的建设成本、铺设光纤的成本较高。2.2 分布式天线系统的研究现状现有的蜂窝状无线接入网的设计目标是承载语音业务，对带宽要求不高，可同时接入网络的用户数有限。当大量的移动用户需要获取无线接入网的服务时，现有蜂窝状无线接入网络在覆盖和容量方面均无法满足需要。随着多媒体技术的发展，无线接入网络需要支持数据传输、视频播放等占用更高带宽的业务类型。同时在市区环境中，业务集中并且平均业务量大、密度高，为了能够同时接入更多的用户，并为每位用户提供足够的带宽，需要采用微小区甚至微微小区来实现覆盖。由于微小区甚至微微小区的覆盖半径大大减小，需要布设大量的微小区或微微小区基站来实现覆盖，这必将导致无线接入网的建设和维护成本大大提高，同时很难在密集的楼群中每几百米就找到合适的站址安置基站和天线设备。分布式天线系统改变传统基站中基带与射频信号集中处理的方式，将基站的无线信号和基带信号在不同的地理位置上处理。使基站和天线由传统的集中放置改变为分开放置。传统的基站系统被分拆为基带处理与射频传输两部分，二者放置在不同的物理位置上，基站的无线覆盖小区可由多个分散放置的天线组成。2.2.1 传统的分布式天线系统（DAS）研究首先，针对分布式天线系统的研究做一个回顾。传统的分布式天线系统的概念最先是作为一种提高室内覆盖的手段提出来的，该方法是利用一种泄漏馈线(leaky feeder)构建室内分布系统，测量结果表明采用室内分布系统使得信号强度和信道时延扩展都得到了改善。基于传统意义的小区概念，又提出一种分布式无线接入系统，该系统内多个天线分散在小区内，通过光纤或同轴电缆与中心的基站连接。该方法采用了联播(simulcast)的技术，即多个天线发送相同的信号，通过分析表明SIR和SNR的性能相对于小区分裂方法有了很大的提高，同时也能降低切换率。在集中式天线系统中，CDMA系统的功率控制在比较恶劣的情况下要求非常大的动态范围，由于实际的功率控制动态范围受到限制，所以很难实现完美的功率控制。然而在分布式系统下，随着天线数目的增多，功率控制动态范围降低，从而相比集中式天线系统，容量有很大提高。对于CDMA来说，分布式天线系统能够减少单小区和多小区间的干扰问题，是一种理想的结构。而扇区化CDMA的分布式天线系统中，针对上行采用最大比和并技术，采用扇区化的结构，分布式天线系统的SIR能够随着天线数目线性增加。在“simulcast”系统中又可以通过控制离移动台比较远的端口的功率来降低干扰。总结传统的DAS系统的带来的好处如下：地理上的分布式天线，减少了平均接入距离，降低了发射功率，提高了信号强度从而改善覆盖。由于多个分布的天线共享同一个小区的资源，所以天线之间不存在切换问题。同微蜂窝系统相比，切换率降低。分布式天线系统下的宏分集特性，不仅能够用于对抗多径衰落，也能利用宏分集对抗阴影衰落。CDMA分布式天线系统的功率控制动态范围比集中式天线相比减小。2.2.2 蜂窝环境下的分布式天线系统的研究为了与传统的蜂窝系统保持兼容，针对有蜂窝结构的分布式天线系统的研究是有重大意义的。传统的分布式天线系统（DAS）的研究就属于这一范围，而且中国的B3G项目FuTURE计划实验系统采用的就是这种模型。主要的特点如下：保留了蜂窝的小区结构，将传统的NodeB基站按照功能分成处理节点以及天线节点两部分，一个处理节点负责处理一个小区，同一小区内有多个天线端口，所有的天线的接收和发送信号都可以独立的控制。2.2.3 单用户分布式多天线系统的研究关于单用户分布式多天线环境下的研究主要集中在对于容量性能的分析、分布式环境下空时编码的研究。主要研究成果如下：单用户分布式天线系统可以看作为一种MIMO系统的特例，在随机的天线拓扑下，分析其下行容量，并针对分布式天线系统的特点提出了一种低复杂度次优的功率分配方式，结果表明分布式多天线系统比集中式的多天线系统在平均容量和中断容量上都有较大优势，而且分布式天线系统与集中式天线系统比起来，容量变化对于位置更不敏感。文献4从信息理论的角度分析了下行分布式天线系统的容量。由于分布式天线系统下的功率控制策略有多种可能，该文采用的功率控制原则只能对抗与用户最近的天线的路径损耗。得到结论如下，分布式系统下的用户位置对容量的影响很大，当用户位于接近边界的时候容量接近最大，在离某个天线很近的时候容量比较小，原因就是在边界的时候，离各个天线的路径损耗大约相等，功率控制对容量的影响很小。由于功率控制的特点，不同的位置下的得到的容量不是基于相同的发射总功率，因此有失公平性。文献5的作者提出了一般的分布式天线系统(GDAS)的概念，对GDAS与集中式MIMO系统的信道容量作了比较，虽然作者提出的模型里面含有路径损耗，但最后的仿真分析里面设定了路径损耗为0dB，意味着用户到天线等距离，所以仿真的结果没有考虑不同用户的路径损耗对于容量分布影响。在此假设条件下得到的结论是由于多个端口的阴影平均效应，所以相同的分集度下，多个端口下的容量要优于采用相同数目微分集天线的容量。文献6文分析了分布式MIMO系统信道容量，该文定义了相对路径损耗的概念，即隐含采用了类似文献5的功率控制策略，结论与文献5类似。文献7提出了一种基于大尺度衰落的空间复用技术，并与传统的V-BLAST进行了性能比较。文献8作者研究了分布式无线通信系统中基于SER的STBC下行发送功率的分配的问题，主要包括分簇分布式天线上STBC的传输，基于SER的次优功率分配方案，分析了分布式STBC分集阶数，并提出了次优功率分配方案以及SER近似表达式的仿真。通过对上述工作的总结，可以看出已有研究主要集中在单用户单链路的分布式天线系统的容量优势以及与分布式多天线发送技术的研究。2.2.4 多用户分布式天线系统清华大学和北京邮电大学在国家自然科学基金立项时提出了一种全新的无线通信体系，即分布式无线通信系统DWCS(Distributed Wireless Communication system)，它打破了传统小区以基站为中心的结构，采用以用户为中心的结构，引入了虚拟小区等新的概念。基于分布式天线，以虚拟小区、虚拟基站取代传统的小区和基站，大大提升了系统容量，同时系统结构简单，充分考虑了将来全IP化的趋势，具有良好的兼容性。分布式无线通信系统是基于分布式天线、分布式光纤、分布式处理和分布式网络的一种新型的无线信息系统，该系统逻辑图如图2-1所示1。图2-1 分布式天线系统逻辑图在该系统中，分布式天线分布在系统覆盖区域的不同位置，用以发送和接收来自用户终端的无线射频信号。由于在未来移动通信中，往往会采用比较高的频段，这使得无线信号的传播距离很短，因此要实现区域的全覆盖就需要很多天线。此外，为提高系统容量，也需要采用多天线结构。这就要求天线结构简单、成本低廉、适于大规模使用。在此情况下，若在天线端增加复杂的信号处理功能，既会造成信息量损失，又抬高了天线成本。因此，在DWCS的系统设计中，分布式天线只完成无线信号的功率放大、光电转换等基本功能，以降低系统成本，便于大规模、低代价地实现分布式天线在所服务区域中的全覆盖。但是这种体系结构的各个层次具有很好的分布式特性，提高了整体系统的健壮性。用软件无线电方法实现分布式处理功能，提高了系统的灵活性，能够与其它系统很好的兼容，还具有良好的可伸缩性和可扩展性。2.4 分布式天线应用于高速铁路通信关键问题分析高速铁路已成为我国现阶段铁路建设的一道极其靓丽的风景线，不仅在国内不断掀起建设热潮，也吸引了国际同行的关注。事实上，高速铁路也确实体现了我国铁路在建设能力、技术创新方面所取得的巨大成就。2008年8月开通的京津城际铁路更是成为我国高铁发展的里程碑，为后续的高铁建设提供了样本和技术标准。近年来，国家为应对金融危机，计划投巨额完善铁路设施，为高铁大面积修建提供了难得的机遇。从现有情况来看，无论是已成功运行的京津城际铁路，还是以京沪高铁为代表的在建铁路，都已在技术上达到国际领先水平，并受到国际上的肯定和赞誉。近年来，我国铁路通信科学技术水平不断提高，通信科技进步在推动我国铁路发展，提高劳动生产率，降低运输成本，保障行车安全，改善运输服务质量等方面，成效显著。随着科学技术的飞速发展，铁路通信在铁路运营过程中的地位和作用越来越重要，铁路通信必将对我国铁路现代化、高速化发挥更大的作用。铁路通信是实现铁路现代化、高速化、信息化的基础设施；铁路通信所在行业处于世界新技术、新经济的前沿，其自身的发展也要顺应世界信息产业的发展潮流15。但是，现有的铁路无线通信系统还存在许多问题，例如，在投资方面：系统分散建设，投资浪费。在系统功能方面：功能单一，不具备网络能力；频率利用率低，容量有限；话音、数据业务争抢信道，传输可靠性低，数据传输能力差。并且枢纽地区干扰严重；是开放系统，不具保密性。本论文研究将分布式天线系统用于高速车地通信系统也只是一种理论研究，主要研究分布式天线系统用于高速车地通信的关键技术，比如容量、信噪比等性能以及越区切换。所以，本论文分布式天线系统用于高速车地通信的关键问题如下：（1） 不同拓扑结构下的容量分析对比；（2） 相应信道模型下的信噪比分析对比；（3） 高速环境下的越区切换简单分析。2.5 本章小结本章对分布式天线系统的概念及原理做了简要阐述，并对分布式天线系统的发展和研究现状进行了分析，通过现有的研究资料初步分析了分布式天线系统用于高速铁路通信所需要研究的一些关键技术，为后文分布式天线系统用于高速车地通信时的性能仿真奠定了基础。第3章 基于分布式天线的高速车地通信系统性能分析3.1 引言通信的有效性、可靠性和安全性是移动通信系统的主要技术性指标，其中决定有效性的数量指标主要用通信容量来度量。由于移动通信信道的复杂性以及时变性，其信道容量是一个时变的过程，这导致了信道的实际吞吐量受到信道质量的制约。这和有线信道是鲜明的对比，有线信道的信道容量是恒定的数值。目前，随着移动通信的飞速发展，移动用户数量迅猛增长，需要支持高速的多媒体业务，这意味着对容量需求越来越高，因此未来的移动通信系统的核心问题就是解决如何提升容量的问题。通信系统中的容量有多种不同的定义，有基于信息量的信息理论容量，基于话务量的定义。在实际通信系统中，用户数或者信道数则成为了系统容量衡量的准则，这是偏工程化的容量的定义。由于移动通信的飞速发展，对无线链路的传输速率要求越来越高，传统的时频域的信号设计已经不能满足要求，这就推动了多天线容量的理论研究。多天线技术不是一个新的领域，传统的发射分集技术就是多天线技术应用的实例。目前，关于MIMO系统的信息理论容量已经得到深入研究，Foschni和Gans的工作以及Telatar的工作表明：在一定条件下，采用多个天线发送、接收MIMO系统可以成倍的提高系统容量，信道容量的增长与天线数目成线性关系。单用户MIMO系统带来的巨大容量优势及其潜力，引发了将MIMO技术与分布式天线系统(DAS)结合的想法，由此分布式MIMO系统单用户链路容量的分析引起了研究者的关注间，主要针对链路一侧是间隔较大的多个分布式天线，而另一侧是相邻多天线的特殊的MIMO链路进行了容量的分析，主要有意义的研究结论如下：文献11的作者把分布式天线系统作为一种MIMO系统的特例，在随机的天线拓扑下，分析其下行容量。分析结果表明分布式多天线系统比集中式多天线系统在平均容量和中断容量上都有较大优势，而且分布式天线系统与集中式天线系统相比，容量变化对于位置更不敏感，该作者还针对分布式天线系统的特点提出了一种基于大尺度信道衰减的低复杂度次优功率分配方法。文献4从信息理论的角度分析了下行分布式天线系统的容量。由于分布式天线系统下的功率控制策略有多种可能，该文采用的功率控制原则只能对抗与用户最近的天线的路径损耗。得到结论如下，分布式系统下的用户位置对容量的影响很大，当用户位于接近边界的时候容量接近最大，在离某个天线很近的时候容量比较小，原因就是在边界的时候，离各个天线的路径损耗大约相等，功率控制对容量的影响很小。由于功率控制的特点，不同的位置下的得到的容量不是基于相同的发射总功率，因此有失公平性。关于多用户情形下的系统容量分析，主要包括了上行的多址容量分析和下行广播方式的容量分析两种。针对固定带宽为W和AWGN信道下的不同多址方式下的系统容量进行简单分析结果表明，FDMA、TDMA系统速率限制相同，而CDMA系统在所有用户速率相同的情形下，跟TDMA、FDMA系统容量相同。然而在某些情形下，CDMA系统具有容量优势。如前面所说，偏工程化的系统容量定义常常以用户数作为衡量准则，以往对CDMA系统容量分析主要在SIR分析的基础上，求解理论上容量(即用户数)。目前的通信系统为了提供更高速率的业务，对于容量的需求越来越高。蜂窝系统采用的增加系统容量的方法主要包括采用扇区、小区、微微小区的方法，然而这些方法都有其局限性，比如导致了切换的开销加剧，路由更新等等问题。如何通过合理的网络拓扑设计，提高频谱效率，从而达到提高网络系统容量的目的成为研究的热点。分布式天线系统的提出，成为从系统架构上解决上述问题的一种有效途径。3.2 分布式天线系