（通信与信息系统专业论文）基于车载中继的高速移动宽带无线接入技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 随着国际范围内特别是我国铁路的大规模建设和列车速度的不断提高，高速移动 环境下的车地宽带无线通信引起了人们的关注。列车高速移动使车地宽带无线通信面 临一系列挑战：高速移动会导致严重的多普勒效应，不仅产生难以纠正的频率偏移还 会导致信道呈现快衰落影响信道估计；高速移动会导致切换频繁发生和重叠区不够用 等问题，严重影响切换性能。另外，封闭的高速列车导致的车体损耗以及铁路复杂的 运行环境等也对宽带无线通信产生严重的影响。因此，选择何种宽带无线通信技术， 并如何解决该技术应用于高速铁路环境时所面临的问题使其最终适用于高速移动的铁 路环境具有重要的意义。 在分析了现有的宽带无线通信系统后，本文选择研究基于l t e 的车地宽带无线通信 技术，在分析了铁路特定场景后发掘出铁路环境下一些有利于改善车地宽带无线通1 言 系统性能的信息，如列车速度信息，列车位置信息、列车运行方向等。经过详细分析 发现基于l t e 的高速车地宽带无线通信面临如下五个方面的问题：切换的问题、多普勒 效应的问题、车体损耗的问题、环境的问题和经济效益的问题。通过对现有解决方案 的研究以及对车载中继的研究发现其中的车体损耗问题、环境问题、经济效益问题、 切换中的大部分问题和多普勒效应中的部分问题都己经得到解决。多普勒效应中的信 道快衰落问题和切换问题中的重叠区不够用问题还有待进一步深入研究。 为了解决信道快衰落的问题，本文经过仔细的分析并结合铁路环境下列车速度和 位置等信息已知的特点，提出了一种新的基于列车速度和位置的信道估计方案，通过 多次测量获得特定位置下特定速度时的信道状态信息，并在基站和车载中继中存储这 些信息用于信道估计，并通过实施前的验证和修正保证信道估计方案的准确。该方案 有运算复杂度低，效率高，信道估计结果精确可靠等优点。 为了解决切换中重叠区不够用的问题，本文结合铁路环境下的列车位置信息已知 的特点，提出了一种新的基于位置和地面中继功率控制的切换优化方案。首先对l t e 网络传统切换策略进行了建模和性能分析。随后，分析了利用列车位置信息和中继功 率控制技术的切换优化方案，在该方案中，列车到达切换位置前，利用中继站获得分 集增益，提升信道容量和链路可靠性；处于切换位置时，通过中继的功率控制，保证 本小区的信号满足最低通信要求，变相扩大重叠区覆盖范围的同时有利于触发切换提 升切换成功率。仿真结果表明，本文提出的基于位置和地面中继功率控制的方案有效 地提升了切换成功概率和信道容量，明显改善了l t e 系统使用于高速车地通信环境的可 靠性和效率。 关键词：高速移动；车地通信；l t e ：列车速度；列车位置；车载中继；切换 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h el a r g e s c a l ec o n s t r u c t i o no fr a i l r o a d sa l lo v e rt h ew o r l de s p e c i a l l yo fc h i n aa n d c o n t i n u o u si n c r e a s eo ft r a i ns p e e d ，t h eb r o a d b a n dw i r e l e s sv e h i c l et ol a n dc o m m u n i c a t i o n s u n d e rf a s tm o v i n ge n v i r o n m e n ta t t r a c tt h ep u b l i ca t t e n t i o n t h eb r o a d b a n dw i r e l e s sv e h i c l e t ol a n dc o m m u n i c a t i o n sf a c e sas e r i e so fc h a l l e n g e sc a u s e db yt h eh i g hm o b i l i t yo ft r a i n s o n eo ft h e mi ss e v e r ed o p p l e re f f e c tw h i c hn o to n l yl e a d st of r e q u e n c ys h i f tt h a ti sh a r dt o c o r r e c tb u ta l s om a k e st h ec h a n n e lf a s tf a d i n gt oi n f l u e n c ec h a n n e le s t i m a t i o n o t h e r ss u c h a sf r e q u e n th a n d o v c ra n di n s u f f i c i e n to v e r l a p p i n gr e g i o na l s oh a v eb a de f f e c to nh a n d o v e r p e r f o r m a n c e m o r e o v e r , s e a l e dc a r r i a g e sw h i c hr e s u l t i np e n e t r a t i o nl o s s 嬲w e l la st h e c o m p l i c a t e do p e r a t i n ge n v i r o n m e n to fr a i l w a yw i l li n f l u e n c et h ec o m m u n i c a t i o n ss e r i o u s l y t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tt oc h o o s ep r o p e rb r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s a n da d j u s tt h e mt om a t c ht h eh i g h s p e e dr m l w a ye n v i r o n m e n t a f t e ra n a l y z i n gt h ee x i s t i n gb r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h i st h e s i s c h o o s e st os t u d yt h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nl t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) s o m eh e l p f u li n f o m a t i o nw h i c hc a l li m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fb r o a d b a n dw i r e l e s sv e h i c l e t ol a n dc o m m u n i c a t i o n s ，s u c ha ss p e e do ft r a i n s ，p o s i t i o n i n gi n f o r m a t i o n ，m o v i n gd i r e c t i o n ， i se m p h a s i z e da f t e ra n a l y z i n gt h es p e c i f i cs c e n a r i o so fr a i l w a y i ti sd i s c o v e r e dt h a tt h e c o m m u n i c a t i o n sb a s e do nl t ef a c e sf i v ec h a l l e n g e sa sf o l l o w s ：h a n d o v e r , d o p p l e re f f e c t ， p e n e t r a t i o nl o s s ，c o m p l i c a t e de n v i r o n m e n ta n de c o n o m i cb e n e f i t m o s to ft h e mh a v eb e e n a l r e a d yw e l ls o l v e di ns o m ee x i s t i n gs o l u t i o n s h o w e v e r , t h ef a s tf a d i n gc h a n n e lc a u s e db y d o p p l e re f f e c ta n di n s u f f i c i e n to v e r l a p p i n gr e g i o ni nh a n d o v e r n e e dt ob es t u d i e df u r t h e r t os o l v et h ep r o b l e mo ff a s tf a d i n gc h a n n e lc a u s e db yd o p p l e re f f e c t ，an o v e ls p e e d a n dp o s i t i o n i n ga s s i s t e dc h a n n e le s t i m a t i o ns c h e m ei sp r o p o s e d t h ea c c u r a c yo ft h i ss c h e m e i sg u a r a n t e e db yv e r i f y i n ga n dr e v i s i n gt h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o ns t o r e di nb a s es t a t i o n s a n do n b o a r dr e l a ys t a t i o n sw h i c hi so b t a i n e db ym e a s u r i n gr e p e a t e d l ya tc e r t a i nl o c a t i o na n d s p e e d t h ep r o p o s e ds c h e m ei sa d v a n t a g e o u sw i t hl o wc o m p l e x i t y , h i g he f f i c i e n c ya n d r e l i a b l ea c c u r a c y t os o l v et h ep r o b l e mo fi n s u f f i c i e n to v e r l a p p i n gr e g i o ni nh a n d o v e r , ah a n d o v e rs c h e m e b a s e do np o s i t i o n i n ga n dr e l a yp o w e rc o n t r o li sp r o p o s e d f i r s t l y , t h et r a d i t i o n a lh a n d o v e r s c h e m eo fl t en e t w o r k si sm o d e l e da n da n a l y z e d t h e nt h eo p t i m i z e ds t r a t e g i e sa s s i s t e db y p o s i t i o n i n ga n dr e l a yp o w e rc o n t r o li sd i s c u s s e d i nt h ep r o p o s a l ，d i v e r s i t yg a i ni so b t a i n e d t h r o u g hr e l a ys t a t i o n st oi m p r o v ec h a n n e lc a p a c i t ya n dl i n kr e l i a b i l i t yb e f o r e t h et r a i na r r i v e s a th a n d o v e r1 0 c 撕o n w h e nt h et r a i na r r i v e sa tt h eh a n d o v e rl o c a t i o n ，t h em l n l m u n l c o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n ti ss a t i s f i e db yr e l a yp o w e rc o n t r o lw h i c ha l s om e a n st h a tt h e o v e r l a p p i n gr e g i o ni sw i d e n e da n dt h e h a n d o v e ri se a s yt ot r i g g e rt ol m p r o v es u c o e s s p r o b a b i l i t y t h es i m u l a t i o nr e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h eh a n d o v e rs u c c e s sp r o b a b i l i t y a n d c h a n n e lc a p a c i t yr r ci n c r e a s e de f f e c t i v e l yb yt h ep r o p o s e ds c h e m e t h er e l i a b i l i t y a n d e 伍c i e n c vo fl t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m si nh i g hs p e e dr a i l w a yi si m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y k e yw o r d s ：h i g hs p e e dm o b i l e ；v e h i c l et ol a n dc o m m u n i c a t i o n s ；l t e ；v e l o c i t y o ft r a i n ； p o s i t i o n i n go f t r a i n ；o n b o a r d r e l a y ；h a n d o v e r 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 研究课题背景意义 第1 章绪论 目前，通信产业中最热门的技术无疑是w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o r m i c r o w a v ea c c e s s ，全球互通微波存取) 和l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ，长期演进) 。 w i m a x 从固定宽带接入( 8 0 2 1 6 d ) 演进到支持中低速移动的宽带接入( 8 0 2 1 6 e ) ，并 将进一步演进为支持高速移动的宽带无线接入( 8 0 2 1 6 m ) ；l t e 是从传统的移动通信 经“宽带化 、“数据化”、“分组化 演进而来。从w i m a x 和l t e 的演进过程，可以发 现移动通信与宽带无线接入技术的融合成为必然趋势【l j 。移动互联网的快速发展直接印 证了宽带移动通信是发展趋势。 在我国，国家科技重大专项“新一代宽带无线移动通信网的重要组成部分 宽带无线接入组提出了“宽带多媒体集群系统 的概念，其中面向行业应用的宽带多 媒体集群是宽带无线接入的主要方向。宽带无线移动通信技术是基于o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，正交频分复用) 和m i m o ( m u l t i p l e i n p u t a n dm u l t i p l e o u t p u t ，多输入多输出) 的技术，是对3 g ( 3 r d - g e n e r a t i o n ，第三代移动 通信) 技术的一项革命。但是宽带无线移动通信不可能突然得到大规模的商用，面向 行业应用的宽带无线移动通信已被确认为目前研究和应用的重点。 “十二五期间我国铁路运输需求增长空间很大，特别是大运量、中长途跨区域 旅客运输需求将大幅增长，城际客运市场需求潜力巨大，能源、原材料等大宗货物运 输需求保持快速增长。这一期间是加快铁路发展的战略机遇期，铁路发展具备良好的 外部环境和有利条件。目前投入运营的京津城际等列车行驶速度可以达到3 5 0 k m h 以 上，而且在未来的5 至1 5 年，我国高速铁路仍将有很大的发展空间，列车行驶速度可 能达到5 0 0 k m h 。伴随着高速铁路和铁路通信的不断发展，高速移动环境下车地通信系 统引起了人们越来越多的关注。未来几年随着我国高速客运专线的不断修建，铁路运 力紧张的局面将会被大大缓解。高速铁路具有安全便捷等特性，将会有越来越多的人 将其作为出行的重要选择，与此同时，高速列车上的旅客的通信需求以及列车控制信 息的高效可靠传输的需求激增，对现有的铁路无线通信系统提出了严峻的挑战。g s m r ( g s mf o rr a i l w a y s ，铁路专用g s m ) 技术是在现有g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n $ ，全球移动通信系统) 蜂窝系统基础上增加了调度通信功能等适合铁 路环境下使用的要素组成，能满足国际铁路联盟提出的铁路专用调度通信的要求。但 是g s m r 主要是用来保障铁路行车安全，无法为旅客提供互联网接入服务。而且 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 g s m r 系统容量有限，无法满足大数据传输速率的铁路监控服务的需求。 从通信行业的发展趋势以及国家高速铁路通信的发展需求来看，高速车地宽带无 线通信具有重要的研究意义，不仅符合通信行业移动与宽带融合的发展趋势，还符合 铁路特定行业的发展需求。但是目前对宽带无线通信的研究主要是针对传统蜂窝网络， 针对高速移动环境下的宽带无线通信技术的研究还较少，而且高速铁路无线通信系统 有其特殊性，必须予以特别考虑【z 叫。 中继技术是当前无线通信领域的一个研究热点1 4 叫。其主要思想是通过在发送端和 接收端之间增加一个或者多个中继站，将原来的一条距离长、信道条件差的无线链路， 分解成多条距离短、信道条件较好的链路。中继站可用于提升通信系统容量、扩大网 络覆盖范围、改善弱场强区性能以及减少系统能源消耗，因此得到了人们的关注。早 在2 0 0 7 年，德国联邦铁路就在i c e 列车使用了a n d r e w 公司的中继技术，并取得了较 好的效果。但a n d r e w 公司使用的是最简单的放大转发中继，中继技术的很多优势还没 能得到发挥。因此，基于车载中继的高速移动宽带无线接入技术具有重要的研究意义 和实用价值。 1 2国内外研究现状 在高速车地宽带无线通信的研究方面，从国内公开的资料看，中南大学的蒋新华 2 0 0 7 年介绍了旅客列车因特网应用的现状及研究进展 i o l 。邹复明在博士论文中分析了 第一代旅客列车因特网应用的研究成果并指出其不足之处，分析得出第二代旅客列车 因特网应用的研究方向应该是o f d m m i m o 技术，但其论文主要研究基于w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ，无线保真) 的旅客列车因特网应用1 1 1 1 。朱廷武2 0 0 8 年分析了高速 铁路宽带无线接入的几种技术方案：卫星通信系统，蜂窝无线通信系统和r o f ( r a d i o o v e rf i b e r ，光载无线通信) ，文章指出o f d m m i m o 技术是未来车地无线通信的发展 方向1 1 2 1 ，并指出高速移动环境下优化切换机制迫在眉睫，但文中并未提出可行的解决 方案。北京交通大学的陈霞2 0 0 8 年介绍了基于o f d m 的铁路移动通信系统及越区切 换方法，设计了一种基于o f d m 的铁路移动通信系统，并提出利用软时隙切换和宏分 集切换改善切换性能【1 3 1 ，该文献很有借鉴意义，但文中的系统相对简略，切换方案有 待进一步改善。文献 1 4 1 总结了一些已商用的高速列车无线接入技术。国外对车地宽带 无线通信的研究开展的比较早，成果也比较多。文献1 1 5 - 1 6 综合分析了一些可用于旅 客列车因特网应用的无线通信技术，包括卫星通信、蜂窝通信、f l a s h o f d m ( f a s t l o w l a t e n c ya c c e s sw i t hs e a m l e s sh a n d o f f - o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ， 快速低时延接入无缝切换的正交频分复用) 、w i - f i 和w i m a x 等，但都没有提出具体 设计方案。由欧盟资助的第六框架项目f i f t h ( f a s ti n t e r n e tf o rf a s tt r a i nh o s t s ) 获得 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 了比较成功的实践和应用，该项目基于卫星通信技术和蜂窝通信技术，能为快速移动 的旅客提供窄带因特网接入1 1 7 1 。由欧盟资助的第六框架项目c a p a n i n a ( c o m m u n i c a t i o n s f r o ma e r i a lp l a t f o r mn e t w o r k sd e l i v e r i n g b r o a d b a n df o ra l l ) 在f i f t h 的基础上进一步 研究宽带i n t e m e t 接入，提出将w i m a x 基站建在2 2 k m 高的平流层，为地面快速移动 的旅客提供无线宽带连接，但是该方案受环境的影响很大j 系统不具备鲁棒性b s 。文 献 19 2 2 1 讨论了f l a s h o f d m 、w i m a x 和8 0 2 1 1 在铁路通信中的应用，主要研究了应 用的可行性和可能的技术方案，都未提出具体的设计方案。文献 2 3 - 2 4 1 提出了射频拉 远的网络中种移动扩展小区的概念。另外一些设备制造厂商在高速车地宽带无线通 信领域已经有了较好的解决方案。得力风根公司采用私有的t f k o f d m a t d m a 技术 为超高速列车开发了t r a i n c o m 系统，系统通过牺牲频谱效率换取了抗多普勒效应和 多径效应的鲁棒性。该系统已经成功用于上海磁悬浮列车的车地无线通信。r u n c o m 作为w i m a x 技术的全球先驱，在高速车地宽带通信上也提出了自己的方案。华为公司 在2 0 1 0 年德国柏林国际轨道交通技术展览会上推出了基于l t e 技术的h r c ( h i g h s p e e dr a i l w a yc o m m u n i c a t i o n ，高速铁路通信) 端到端解决方案，能够在 3 5 0 k m h 甚至更高的时速下提供高达3 0 m b s 的稳定带宽。通过对高速车地宽带无线通 信相关领域的研究文献的分析【2 2 1 ，可以明显看出未来高速车地宽带无线通信系统将 基于o f d m m i m o 技术体制。 在中继技术的研究方面，p a b s t 在2 0 0 4 年对无线网络中的中继协作传输技术作了 全面的总结，y a n gy a n g 在2 0 0 9 对w i m a x 和l t e a d v a n c e d 中的中继技术做了全面的 总结，文献【3 3 】总结了w i m a x 中的中继技术。但是以上文献中的研究均是基于传统蜂 窝网络，主要研究内容是资源分配，干扰消除，目标是扩展基站的覆盖区域，提高网 络的系统容量。除了a n d r e w 的放大转发外，鲜有文献针对高速移动环境下的车载中继 技术进行研究。 此外，专为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统g s m r 在研究、开发以及 实践中遇到的问题及解决办法也能为本文的研究提供一些有价值的参考1 3 。 1 3论文主要工作和内容安排 本文主要对基于车载中继的高速移动宽带无线接入技术进行了广泛和深入的研 究。分析了基于车载中继的车地宽带无线通信系统及其所面临的问题，并针对其中还 未能解决的一些问题进行了深入的研究。提出了基于列车运行速度和位置的信道估计 方案，用于缓解高速移动环境下多普勒效应对通信系统造成的不利影响，以改善l t e 系统中信道估计方案的不足。同时提出了基于列车位置和地面中继功率控制的切换优 化方案用于改善切换中的重叠区不够用的问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 本文的主要内容安排如下： 第二章主要介绍了基于车载中继的宽带无线通信系统相关概念，首先对宽带无线 通信系统的特点进行分析，证明了基于l t e 的宽带无线通信系统是最适用于高速移动 环境的车地无线通信系统；然后分析了铁路无线通信系统，指出铁路无线通信系统中 列车速度和位置等已知信息可被用来改善无线通信系统性能，并分析了车地宽带无线 通信系统遇到的问题及其中一些问题现有的解决方法，最后分析了车载中继技术及其 能解决的问题。 第三章提出了基于列车速度和位置的信道估计方案。通过分析l t e 中的参考信号 设计方案并讨论高速移动对信道估计的影响，发现现有的信道估计方案无法解决高速 移动导致的多普勒效应，无法实时反映信道状况。因此提出了一种适用于铁路无线通 信环境的新的信道估计方案来解决多普勒频移大和信道快衰落等问题。 第四章首先介绍了传统切换方案并进行了数学建模与分析，然后提出了基于列车 位置和地面中继功率控制的切换优化方案并进行了仿真和建模分析，最后对切换优化 方案的下一步研究方向进行了初步探讨。 最后为本文的结论和对未来工作的展望 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 第2 章基于车载中继的车地宽带无线通信系统 高速车地宽带无线通信系统涉及宽带无线通信系统和铁路专有通信系统。通过详 细评估高移动场景下宽带无线通信所面临的关键问题，结合已有的解决方案，我们才 能有的放矢地分析车载中继技术在高移动性场景下应用的前景及优势。本章首先介绍 宽带无线通信系统，通过分析指出基于l t e 的宽带无线通信系统最适用于高速移动环 境。其次介绍铁路无线通信系统，指出铁路无线通信场景中一些能被用来改善系统性 能的有利条件。然后介绍车地宽带无线通信系统遇到的问题及其中一些问题现有的解 决方案。最后说明车载中继技术及其在高速车地通信场景下的优势。 2 1宽带无线通信系统 无线通信技术在过去的2 5 年时间内经历了快速的发展，如图2 1 所示，从最初的 1 g ( f i r s tg e n e r a t i o n ，第一代移动通信) 一直发展到目前火热的4 g ( f o u r t hg e n e r a t i o n ， 第四代移动通信) ，在不断提升数据传输速率的同时对移动性的支持也在不断提升。 移动性 高 中 低 1 0 k b p s 2 0 0 k b p s3 0 0 k b p s - 1 0 m b p s 1 0 0 5 i b p s1 0 0 m - 1 g k b p s 图2 - 1 无线通信技术标准演进趋势 2 0 1 0 年1 0 月在中国重庆召开的i m t - a d v a n c e ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n s a d v a n c e ，高级国际移动通信) w p 5 d ( w o r k i n gp a r t y5 d ，5 d 工 作组) 会议确定了无线通信技术4 g 标准的候选方案。此次会议在参考了来自不同国家 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 和地区的1 4 个独立评估小组的技术评估结果后，对来自不同国家和组织的6 个候选技 术方案进行了融合。六个技术方案分别为：日本的l t e a d v a n c e d 和8 0 2 1 6 m ；中国的 t d l t e a d v a n c e d ( t i m ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc d m al o n gt e r me v o l u t i o n ，时分同步 c d m a 长期演进) ：韩国的8 0 2 1 6 m ；i e e e ( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s e n g i n e e r s ，电气和电子工程师协会) 的8 0 2 1 6 m ：3 g p p ( 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i p p r o j e c t ，第三代合作伙伴计划) 的l t e a d v a n c e d 。最后融合成两个技术，一个是3 g p p 主导的l t e a d v a n c e d ，另一个是i e e e 主导的w i r e l e s s m a n a d v a n c d ( w i r e l e s s m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k a d v a n c e d ，高级无线城域网) ，即8 0 2 1 6 m 。 图2 - 2 体现的是移动通信与宽带无线接入技术融合的趋势。从图中也可以看出l t e 与w i m a x 的不同之处：l t e 是从传统的移动通信( 3 g ) 演进而来，在对移动性的支持 上有先天的优势，而w i m a x 是从提供固定接入的w i f i 演进而来，需要对w i m a x 进 行较大的改进才能使其满足高速移动场景下的无线通信接入需求。 u i c ( i n t e r n a t i o n a lu n i o no f r a i l w a y s ，国际铁路联盟) 的研究报告得出结论：基于 l t e 的列车专用通信系统才是g s m r 的演进方向【4 1 1 。另外，l t e 技术得到了大部分运 营商、设备厂商和研究机构的支持，比w i m a x 更具发展潜力。基于以上两点考虑，本 文将基于l t e 讨论高速车地宽带无线通信技术。 传统 移动通信 ( 3 g ) 话音为主 高速移动 5 m h z 带宽 移动终端 、 l t e 。 秽 2 0 m h z 带宽 i 注重低速移动 全分组域 全l p 网络 热点覆盖 ；支持便携终端 委竺季褒曹、 | 7 传统宽带。 l 黧专黥恩轰簇 | 凳菱豢叉 霹漂秀i 黧燃嬲：鞭w x 、臻瓣? 凳茎翼菱：j j ：；爹： 、 囊囊霾銮 甏：位v 置业务、萝 。 覆簇粪菇o i p 等毪、。圹- m 1 殳俏跫炯 。 ，沪 可变带宽 蹴澎矿 中低速移动 支持话音 大规模组网 小区切换 支持移动终端 图2 - 2 移动通信和宽带接入的融合 2 2 铁路无线通信系统 与传统蜂窝无线通信系统相比，铁路无线通信隶属于如图2 3 所示的c b t c 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 ( c o m m u n i c a t i o n b a s e dt r a i nc o n t r o ls y s t e m ，基于通信的列车自动控制系统) 。c b t c 主要包括线状覆盖的双向无线通信系统、列车定位系统及列车完整性检测系统等1 4 3 1 ， 其中列车定位系统可以通过车轮速度传感器、雷达速度传感器等获得列车准确的速度 信息，加上应答器等的辅助就可以获得列车准确的位置信息。c b t c 不仅实现列车运 行控制，而且可以综合成为运行管理，因为双向无线通信系统，既可以有安全类信息 双向传输，也可以双向传输非安全类信息，例如车次号、车辆号、运转时分、机车状 态等等大量信息【删。因此在c b t c 的控制下，铁路无线通信系统可以利用列车相关信 息来提升无线通信系统性能，特别是列车的运行方向、列车准确的速度信息、列车准 确的位置信息以及列车运行环境的信息，利用好这些信息将有助于提升车地无线通信 的信道估计性能和切换性能。 图2 3c b t c 示意图 2 3车地宽带无线通信面临的问题及现有解决方案 上文讨论了宽带无线通信系统和铁路无线通信系统，通过分析指出基于l t e 的宽 带无线通信系统是铁路无线通信的发展趋势并介绍了铁路专有无线通信的主要特点。 接下来本文将探讨基于l t e 的车地宽带无线通信系统所面临的主要问题及部分问题的 现有解决方案。图2 4 总结了基于l t e 的车地宽带无线通信主要面临的5 个方面的问 题：切换、多普勒效应、车体穿透损耗、环境以及经济效益。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 图2 - 4 车地宽带无线通信问题总结 2 3 1 切换方面问题及现有解决方案 车地通信需要在铁路沿线线状覆盖e n o d e b ( e v o l v e dn o d eb ，增强型基站) ，可以 简化为如图2 5 所示的拓扑结构。图中每个基站的覆盖半径为r ，基站布置在一条直线 上。相邻基站间具有跨度为a 的重叠区。而列车就在离圆心氏。的轨道上向某一方向 移动。f 、厂，、疋和万分别表示对应基站所使用的频率，他们的取值需要结合具体问 题讨论，可能相同也可能不同。m s ( m o b i l es t a t i o n ，移动终端) 在小区f 内沿铁轨向 右移动，小区j 为相邻小区，也是切换的目标小区。当列车朝小区，移动并且检测到接 收到的来自小区，的信号强度大于接收到的来自小区f 的信号强度一定的阈值时，列车 就会从小区f 切换到相邻小区，一引。 图2 5 系统拓扑图 高速移动环境下切换首先遇到的问题是频繁的切换。基站受到固定位置和最大发 射功率的限制，有固定的覆盖范围，列车运行速度越快穿越小区的时间就越短，导致 一个通话过程中需要穿越多个小区，造成切换的频繁发生，导致单次通话过程掉话率 高，影响用户的通信体验。对于该问题，现有解决方案的主要思路是利用分布式基站 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 ( 分布式天线) 扩大单个基站的覆盖范围【5 0 l 。如图2 - 6 所示：将基站分为b b u ( b u i l d i n g b a s eb a n du n i t ，基带处理单元) 和r r u ( r a d i or e m o t eu n i t ，无线远端单元) ，一个 b b u 可以同时管理多个r r u ，而且r r u 间还可以级联。该方案可以灵活的改变基站 的覆盖范围，用该方案对铁路环境进行覆盖可以有效的减少切换的次数； 图2 - 6 分布式基站不恿图 高速移动环境下切换遇到的第二个问题是小区重叠区不够用。一般来说，无线通 信网络的越区切换过程由网络发现、切换判决、链路重新建立和高层应用链接重新建 立过程组成。基站根据测量上报的结果才能触发切换，故随着列车运行速度的增加， 切换触发的位置将延后。同时整个信令交互过程所需的时间相对不变，所以随着列车 速度的增加，切换过程所需时间相对应的列车运行距离将增加。以上两点最终导致小 区重叠区不能满足切换的需求。关于这个问题，目前没有较好的解决方案，也是本文 第四章的研究重点； 第三个问题是群切换的问题。列车是人员相对集中的环境，当列车经过重叠区时， 车内所有的用户同时发送切换请求，而切换需要消耗大量资源，所有用户同时切换会 造成信令风暴，导致阻塞甚至系统的瘫痪【5 。现有解决方案的主要思路是：在列车内 将这些用户的信息用车项天线和车载设备进行汇聚，然后再通过车载天线与地面基站 进行交互，如图2 7 所示。这样对地面基站来说相当于只有一个用户发送切换请求， 极大的减少了信令交互负荷，有效避免了信令风暴带来的不利影响，关于这一点在后 面的车载中继技术中也会有涉及； 第四是切换中的乒乓效应。切换发生在两个小区的边缘，当列车处于小区边缘时， 所接收到的来自相邻两小区的信号质量都比较差，很容易受到周围环境的影响以及各 种电磁干扰的影响。在切换发生并且完成后，如果新的服务小区的信号质量因周围环 境的影响或电磁干扰的影响而突然下降导致信号质量太差或者比原服务小区差了一定 阈值，就有用户再切换回原小区的可能，如此往复形成乒乓效应p 2 j 。乒乓效应会导致 系统性能下降甚至切换中断。目前解决该问题的方法相对简单，在配置邻居关系等基 站参数时设置一些参数使用户切换到目标小区后不能再切回去。因为铁路环境比较特 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 殊，列车进行越区切换时的目标基站具有确定性和唯一性，所以该方法应该是简单有 效的。 图2 7 群切换解决方法示意图 2 3 2 多普勒效应方面问题及现有解决方案 图2 8 为多普勒频移示意图。频移以与列车速度1 ，和载波频率成正比，与入射角 0 的余弦成正比，上行的频偏更大，是下行的两倍。 谌七，d，谌一 a 彳+ 2 厶z 一2 兀 一 ， 图2 8 多普勒频移示意图 假设列车的运行速度v - 5 0 0 k m h ，载波频率f = 2 5 g h z ，由图2 - 8 中多普勒频移公 式可得下行最大多普勒频偏m a x c f a ) - 1 1 5 7 h z ，上行最大多普勒频偏m a x ( f d ) - 2 3 1 4 h z 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 目前解决多普勒频偏的方法为a f c ( a u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n t r o l ，自适应频偏纠 正) 方案，高通公司和华为公司分别在他们的关于a f c 的专利中指出他们分别能够纠 正最大1 4 0 0 h z 和1 8 0 0 h z 的频偏5 3 一i 。但从上例中的频偏数据可以看出，这两个公司 的a f c 方案都无法解决上行频偏过大的问题。 图2 9 多普勒扩展示意图 在实际场景中，因为周围物体的反射、折射等会造成多径效应，多径效应除了导 致不同路径信号到达时间不同之外还会导致接收到的来自不同路径的信号的入射角度 发生变化。因此最终接收到的信号为多条频偏不同的信号组合而成，形成多普勒扩展。 图2 9 所示为最常见的多普勒扩展谱。但目前，由于高速铁路运行环境较为复杂，很 难获知较为准确的多普勒扩展谱。关于该问题，目前没有合适的解决方案，本文第三 章提出的新的信道估计方案尝试解决频偏过大和多普勒扩展的问题。 8 f 抽 窘 p 当 图2 1 0 多普勒频偏对信道的影响 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 皇詈詈詈詈詈暑鼍置曹皇! 詈置置量墨曼鼍詈詈鲁量舅暑詈毫詈皇曼詈詈! ! 詈! 曼阜鼍曼詈詈詈詈詈詈曼詈毫量皇詈皇曼詈詈詈! 置皇! 曼詈曼富寡量量詈詈鲁! 詈墨皇皇詈詈皇墨皇置暑詈鼍皇詈詈暑i i 以上皆是从频域角度分析多普勒效应，如果从时域角度进行分析，可得如图2 - 1 0 所示结果：随着多普勒频移不断增大，信道响应随时间变化不断加快，导致列车在高 速运行时信道呈现快衰落，信道相干时间与最大多普勒频移关系如式2 1 所示【5 5 1 。 r l 一 ( 2 1 ) m a x ( 力) 信道若呈现快衰落，将对信道估计将产生严重的影响。现有的信道估计方案都无 法解决该问题，这也是本文第三章的研究重点。 2 3 3 车体损耗问题及现有解决方案 用户都在高速移动的列车中，而高速列车都采用封闭金属车体。来自道旁基站的 信号穿透封闭的金属车体会造成较大的损耗，表2 1 给出了中国现有高速列车的材质 和车体穿透损耗值【5 6 1 。 表2 - ! 车体损耗 目前，解决该问题的基本思路是通过在车项安装车载中继等车载设备，利用车载 设备转发来自地面基站和车内用户的信号，从而克服封闭金属车体对信号产生的严重 损耗。 2 3 4 环境问题及现有解决方案 夏心 炭 、 、z - 、r 专 7 q 晨 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 中国幅员辽阔，所以铁路沿线环境呈现多样性，条铁路可能会经过郊区、山区、 隧道、市区以及高架桥等等。不同区域无线传播特性差异很大，且实际应用中往往在 区域交界处容易出现信号中断问题。对于该问题，业内主要通过细致的网络规划再利 用分布式基站灵活布置r r u 来解决。我们无法对所有场景进行细致的分析和研究，所 以本文将铁路无线通信环境简化为农村开阔地环境，如图2 1 1 所示。 2 3 5 经济效益问题 如果运营商建设专网为乘客服务，由于铁路沿线没有高楼等建筑，必须大量建设 铁塔进行布网，需要巨额的投资，运营时设备维护成本也较高。但相比于建设成本和 运维支出，由于用户密度很低，其收益较少。但是与此同时，高铁中的高端用户比例 较高，不对高铁进行很好的覆盖会严重