（通信与信息系统专业论文）高速车地宽带无线通信comp及其分集技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着世界各国高速铁路的不断发展和列车速度的不断提高，高速车地宽带无线通 信的可靠性和高效性引起了人们的广泛关注。本文从高速车地宽带无线通信的特点出 发，分析发现高速铁路宽带无线通信面临的主要问题有：列车穿透损耗、多普勒效应 和频繁的越区切换等，这些问题都会导致车地通信系统通信质量的下降，从而严重影 响到车内用户的通信体验。其中越区切换问题和多普勒效应问题需要特别关注且有待 进一步深入研究。 目前l t e ( l o n g t e r me v o l u t i o n ) 仅支持传统的硬切换方式，不仅切换时延较大， 而且切换区处于两个小区的边界，受到阴影衰落、多径效应以及多普勒频偏的影响， 接收信号质量降低，会严重影响到系统的切换成功率。在此切换方式下，高速移动场 景下频繁的越区切换将带来频繁的掉话和数据中断，从而严重影响旅客的通信体验。 因此，必须对现有的l t e 硬切换机制进行优化，提高其越区切换的成功率。本文提出 了一种将l t e a ( l 1 卫a d v a n c e d ) 网络应用到高速铁路场景并基于协同多点传输接收 ( c o o r d i n a t e dm u l t i p o i n tt r a n s m i s s i o n r e c e p t i o n ，c o m p ) 技术的切换优化方案模型。文 章对系统切换成功率等作了性能分析，并与传统切换方案作了性能对比，性能分析表 明，基于c o m p 的切换方案可以有效提升高移动性场景下系统的切换成功概率，明显 改善系统的可靠性和效率。 另一方面，在高铁的时变信道环境下，分集技术能否像c o m p 技术一样也能获得 相应的增益? 这是本文分析研究的另一个问题。由于高铁的超高速移动性，受多普勒 效应的影响，不仅载波频率发生了偏移，且信道衰落变化快速，时延变化速度加快， 对现今广泛使用的分集技术中信号设计、信号合并及信号检测等都会带来很大的影响， 势必进一步影响到高速场景下分集技术的实现及分集增益的获得。本文基于正交频分 复用( 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 ，o f d m ) 通信系统，结合l t e 网络 的帧结构讨论了时间分集、空间发送分集和空间接收分集在高速车地宽带无线通信系 统中的适用条件，并给出了相应的性能评估。 关键词：l t e a ；切换；c o m p ；协作；切换成功率；分集 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第h 页 a b s t r a c t w i t ht h ee x p a n s i o no ft h eh i g h s p e e dr a i l w a yi n d u s t r ya n dt h ei m p r o v e m e n to fr a i l w a ys p e e d w o r l d w i d e ，t h er e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h eh i g hs p e e dt r a i nt og r o u n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，w h i c hi sd e d i c a t e dt or a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n ，a t t r a c tt h ep u b l i ca n e n f i o n b a s e do nt h ef e a t u r e so ft h eh i l g hs p e e dt r a i nt og r o u n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，t h i st h e s i s p o i n to u tt h a tt h eh i g t ls p e e dt r a i nt og r o u n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sf a c es e v e r a lp r o b l e m s ： t r a i np c n a t r a t i o nl o s s 。d o p p l e re f f e c ta n df r e q u e n th a n d o f f , e t c a i lt h e s ep r o b l e m sm a yl e a d t ot h et r a i nt og r o u n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sd r o p ，w h i c hs e r i o u s l ya f f e c t st h eu s e r s c o m m u n i c a t i o n se x p e r i e n c e t h e r e f o r et h eh a n d o f ra n dd o p p l e re f f e c tr e q u i r es p e c i a l i n v e s t i g a t i o n c u r r e n tl t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) t e c h n o l o g yo n l ys u p p o r t sh a r dh a n d o f f , w h i c hh a v e l o n gt i m e - d e l a y d u et ot h es h a d o wf a d i n g ，m u l t i p a t ha n dd o p p l e re f f e c t ，t h eh a n d o f f s u c c e s sr a t eo ft h es y s t e mw o u l db es e r i o u s l ya f f e c t e dw i t ht h eq u a l i t yo ft h er e c e i v e ds i g n a l r e d u c e d i nt h a th a n d o f fm o d e ，m o r ef r e q u e n th a n d o v e ro fh i g hs p e e dt r a i nt og r o u n d c o m m u n i c a t i o n b r i n g sa b o u t m o r ef r e q u e n td a t a d r o p w h i c hs e r i o u s l ya f f e c t st h e c o m m u n i c a t i o ne x p e r i e n c eo ft r a v e l e r s t h e r e f o r e ，w em u s to p t i m i z et h ee x i s t i n gl t eh a r d h a n d o f rs c h e m et oi m p r o v et h es u c c e s sr a t eo ft h eh a n d o f f i nt h i st h e s i s ah i g hs p e e d r a i l w a y c o m m u n i c a t i o ns c h e m eb a s e do nt h e c o m p ( c o o r d i n a t e dm u l t i p o i n t t r a n s m i s s i o n r e c e p t i o n ) w h i c hi so n eo ft h ei m p o r t a n tt e c h n o l o g i e so fi t e a ( l o n gt e r m e v o l u t i o n a d v a n c e d ) i sp r o p o s e dt oo p t i m i z et h es y s t e r nh a n d o v e rp e r f o r m a n c e a n dt h e n t h eh a n d o v e rp e r f o r m a n c ei s a n a l y z e da n dt h ec o m p a r i s o nw i t ht h et r a d i t i o n a lh a n d o f f s c h e m ei sm a d e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e ds c h e m ec o u l di n c r e a s et h eh a n d o v e r s u c c e s sp r o b a b i l i t ye f f e c t i v e l yw i m1 1 i g hm o b i l i t y t h e r e f o r ei to b v i o u s l yi m p r o v e st h e r e l i a b i l i t ya n de 衔c i e n c yo ft r a i nt og r o u n dc o m m u n i c a t i o n s o nt h eo t h e rh a n d ，a n o t h e rp r o b l e mi nt h i st h e s i ss t u d i e di st h a tw h e t h e rt h ed i v e r s i t y t e c h n i q u ec a no b t a i nc o r r e s p o n d i n gg a i n l i k ec o m pt e c h n o l o g yi nt h e h i l g hs p e e d t i m e - v a r y i n gc h a n n e le n v i r o n m e n t d u et ot h eh i g hs p e e dm o b i l i t y , d o p p l e re f f e c ti n f l u e n c e s t ot h es i g n a ld e s i g n ，s i g n a lj o i n ta n ds i g n a ld e t e c t i o no ft o d a yw i d e l yu s e dd i v e r s i t y t e c h n o l o g y , c e r t a i n l yw i l lf u r t h e ri n f l u e n c et h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ed i v e r s i t yt e c h n i q u e s t l l i st h e s i sd i s c u s s c st h es u i t a b l ec o n d i t i o no ft h et i m ed i v e r s i t y , s p a c et r a n s m i td i v e r s i t ya n d s p a c er e c e i v ed i v e r s i t yi nl l i g l ls p e e dt r a i n t og r o u n dc o m m u n i c a t i o nb a s e do nt h e o n h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) s y s t e m ，a n dt h e np r e s e n t st h e c o r r e s p o n d i n gp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n k e yw o r d s ：l t e a ；h a n d o v e r ；c o m p ；c o o p e r a t i o n ；h a n d o f fs u c c e s sr a t e ；d i v e r s i t y 西南交通大学硕士研究生学位论文 。 第1 页 1 1 研究背景和意义 第l 章绪论 对于世界上大多数国家而言，高速公路汽车最高限速通常为1 2 0 公里或7 0 英里。 时速2 0 0 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2 0 0 公里以上的列车，通常称为高速列车。 随着我国国民经济的迅速发展，人们对当前交通工具的时速性、便利性以及舒适 性的追求越来越高，飞机虽然可以满足人们对时速性和舒适性的追求，但是乘坐费用 昂贵，而且机场距离市区较远，使得其不具有普遍性和便利性；而乘坐普通的火车速 度又太慢，使得旅客耗费大量的时间在车上，并且普通火车车内空间狭窄、生活设施 简陋，给旅客造成许多旅行中的不便。高速列车既可以极大的降低出行耗费的时间， 又可以解决费用昂贵的问题，且车内工作、生活设施齐全，座椅宽敞舒适，行走方便， 给旅客带来愉快的旅行享受，因此将逐步成为人们出行的最佳选择。鉴于此，高速铁 路及轨道交通的发展受到了国家的高度重视，地面交通正朝着高速度和高流量密度的 趋势发展。“十一五”期间，我国铁路运输市场的需求量大幅度增长，铁路事业的发展 拥有良好的外部环境和有利条件，此时是加快我国铁路发展的战略机遇期【m 】。因此， 我国把铁路和城市轨道交通的发展放在了更加突出的地位，以满足国民经济和社会发 展需要。 。 武广高速铁路以后，各大铁路专线重点项目陆续通车投入运营，截止2 0 0 9 年底， 我国铁路营业里程已达到8 6 万公里，跃居世界第二位【7 】。根据2 0 0 7 年制订的综合 交通网中长期发展规划，我国还将相继开通沿海通道铁路、沿长江通道铁路、兰州至 重庆铁路、天津至秦皇岛客运专线、石家庄至太原客运专线等，这些线路最高时速达 3 0 0 千米每小时【8 l 。计划在2 0 2 0 年，我国铁路运营里程达到1 2 万公里以上，客运专线 运营里程达到1 6 万公里以上，其中时速超过2 0 0 公里的高速客运专线达1 8 万公里【2 1 。 高速铁路的快速发展和列车速度的提高无疑使得人们的出行更加方便快捷，但速度的 提高也带来许多技术上的挑战：如高速列车需要更加结实的车身设计、高速铁路需要 更加精密的列车信号控制系统、以及更加完善的提前预报警装置等。只有各个方面技 术都能匹配高速列车的速度，才能全方位保证列车运营的安全性。 伴随着高速铁路及铁路通信的不断发展，高速车地宽带无线通信系统逐渐成为人 们关注的焦点之一。目前我国铁路运输力量紧张的局面将随着我国高速客运专线的不 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 断修建完成而得到极大的缓解。由于高速铁路的安全便捷，将会有愈来愈多的旅客选 择高速列车作为出行的交通工具，从而导致高速列车上旅客的通信需求以及列控信息 的高效传输需求激增，使得现有的车地宽带无线通信系统g s m r 面临严峻的挑战 3 - 6 。由于g s m r 主要基于第二代全球移动通信系统g s m ，主要用于保障列车的行车 安全，无法为车内旅客提供良好的互联网服务。而且g s m r 系统通信速率受限( 只能 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，无法满 足旅客宽带移动通信和其它增值服务大数据传输速率的需求。尽管全球首个采用 w c d m a ( w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 新技术的高铁专网已在温福高速铁 路建段( 时速2 5 0 公里) 中得到应用，试验网最高速率可达4 m b p s ，但该系统仍然主 要用作列车专用调度通信，离数十兆甚至上百兆通信速率的宽带高速移动通信需求仍 然有很大差距。显然，现有的移动通信技术还不能解决未来时速达到3 5 0 千米以上的 高速列车宽带无线通信系统的需求。当用户超高速运动时，现有的移动通信相关技术 将面临严重的挑战。 综上所述，高速车地宽带无线通信系统的研究不仅符合铁路通信系统的发展趋势， 而且还符合国家铁路通信系统的发展需求，因此具有极其深远的意义。但由于高速的 影响，车地通信系统面临着一系列的技术问题：如频繁的越区切换、多普勒频移以及 多普勒导致的信道快速变化等【2 1 。这些因高速引起的问题使得蜂窝网中相对成熟的通信 技术无法直接运用在高速车地宽带无线通信系统中，其中，越区切换的成功率对行车 安全以及旅客的宽带无线通信体验都有着极其重要的影响，为了保证车地通信系统的 有效性和可靠性，更短的切换时间和更高的切换成功率是高速列车越区切换追求的目 标。这些都使得多普勒频率偏移消除与分集、高速m i m o ( m u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ) 与协作、高速切换控制等都需要新的理论和技术来支撑，而且移动速 度越高，影响越大，解决难度也越大，对技术要求也越高【9 1 。其次，以中国主导的t d d 。 ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g ) 制式的t d l t e 系统在高速移动条件下的性能等也需要进 一步提高，因此，需要开展上述问题的创新研究工作。 传输分集技术作为一种广泛应用于当前无线通信网络中比较成熟的技术，其主要 思想是通过多个数据信道接收到含有相同信息的多个副本，由于各个传输信道的信道 响应不尽相同，信号多个副本的信号衰落也不尽相同，从而接收机便能从这些包含相 同信息的多个副本中较为准确的恢复出原始发送信号i l o 】。众所周知，在移动通信环境 中，终端设备的电池容量极其有限，因而导致其获得的功率也极其有限，而采用分集 传输技术可以极大地降低发射功率，这一特点使得分集技术在移动通信中起着至关重 要的作用【1 1 1 。分集技术广泛使用于蜂窝网中，并能够获得很好的分集增益，但是在超 高速移动环境下，由于信道衰落变化非常快，对分集技术的信号设计、信号合并、信 号检测等带来很大的影响，从而进一步影响到高速场景下分集技术的实现及分集增益 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 的获得。因此，分集技术在高速移动环境下能否获得蜂窝网络中相当的分集性能值得 我们加以探讨研究，基于分集技术的高速移动性能研究具有很好的研究意义和实际使 用价值【9 1 。 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，2 0 0 7 年，s j e o n 等介绍了一种应用于多跳 蜂窝网络中的基于中继协作传输技术的切换方案。在所提方案中，处于小区边缘重叠 区准备切换的移动台不仅能够接收到来自本基站的信息，还能获得设置在小区边缘重 叠区中的中继站提前转发的相邻基站的切换控制信息，从而使得移动台的切换过程更 快、更可靠【1 2 1 。其中，文章利用了网络编码技术来辅助移动台进行快速切换，从而极 大地减少了切换控制信息的转发次数和时延，保证了移动台安全、快速地进行切换。 文献 1 3 1 4 】中利用多用户的协作形成虚拟天线阵列来获得分集增益，文章指出多用户 协作分集系统中现有的中继选择战略只适用于静止或低速的用户，而不适用于高速移 动的用户，因此文章提出了一种新的中继选择方案，即将小区内的用户按照其运动速 度及运行方向分为沿线路向左、沿线路向右和准静止三组，对于高速移动的用户而言， 只从它的同一组用户中选择协作中继而不是从整个小区中选择用户，在理论上减少了 协作用户间的速度差，从而延长了协作周期，减少了分区切换的时间，并降低了相同 能量增益条件下不成功协作中继选择的概率。2 0 0 7 年，中南大学的蒋新华等对国内外 旅客列车因特网应用的现状及研究进展作了详细的介绍，文章首先介绍了第一代旅客 列车因特网应用的相关研究成果，并就其不足之处作了分析点评，之后分析得出 o f d m m i m o 技术是第二代旅客列车因特网应用的主要发展方向【l5 1 。文章以介绍国内 外研究现状为主，指出高速移动环境下急需对现有的切换机制进行优化，但文章未能 提出可行的切换优化方案【4 j 。2 0 0 8 年，北京交通大学的陈霞等设计了一种基于o f d m 技术的铁路移动通信系统，并提出了利用软时隙切换和宏分集切换来提升系统的切换 性能【l 酬。文章首先介绍了一种基于o f d m 技术的同步网架构，在此架构中，系统将整 个网络划分为多个子网，且同一子网内使用相同的载频。在时分模式下，移动台采用 一种软时隙切换的方式达到o f d m 宏分集切换的目的，从而有效提升系统的切换性能。 为了解决列车频繁越区切换的问题，许多研究人员提出利用光纤拉远( r a d i oo v e r f i b e r ，r o f ) 技术，把基站中的无线信号与基带信号在地理位置上分开女e 理，从而提升 系统切换性能【1 7 艺o j 。然而，现阶段的b b u ( b a s eb a n du n i t ) + r r iy ( r a d i or e m o t eu n i t ) 仅仅是解决了无线覆盖方式，而多个射频单元天线之间并没有协同，例如，当高速列 车穿越小区切换区域时，就会导致列车和当前基站通信质量急剧下降。然而此时相邻 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 基站如果采用协作多点传输接收( c o o r d i n a t e dm u l t i p o i n tt r a n s m i s s i o n r e e e p t i o n ， c o m p ) 的多基站协同通信技术，则可以让当前小区的切换转化为相邻协作小区之间的 不切换通信。l t e a 提出的c o m p 技术主要是想通过协作集中基站协同向用户传输相 同的信息，来解决小区边缘用户吞吐率及传输速率低的问题【2 1 2 2 1 ，因此，目前关于c o m p 技术的研究主要针对蜂窝网络中，以提高小区边缘用户的吞吐率及数据传输速率1 2 3 2 6 】。 c o m p 技术在移动通信系统中切换方面的研究很少，文献 2 7 】虽然给出了蜂窝网络中基 于c o m p 的简易切换流程，但没有给出具体的分析及仿真结果。鉴于c o m p 技术协同 及其分集的特点，本文把c o m p 技术引入高速车地宽带无线通信中，旨在提升高速铁 路场景下系统的性能。 在分集传输技术的研究方面，文献【2 8 引入了分集技术合并接收的概念，归纳了分 集传输技术的六种方式，并详细地分析了分集合并技术的三种方法【2 8 】。文献 2 9 基于 o f d m 系统，对比分析了协作分集中解码转发和放大转发的优缺点，并评估了循环码 和卷积码在o f d m 系统下的性能，仿真结果表明，加入协作分集的o f d m 系统能够获 得显著的分集增益，从而极大地提升系统性能【2 9 】。文献 3 0 基于o f d m 系统，提出了 一种分集度为2 的最大比合并改进方案，文章通过对系统均衡器硬件的改进，使得系 统有利于分集信号合并的实现，且该最大比合并方案通过减少一个数据支路的精同步 模块极大地节省了系统的开销。分集技术的高铁应用方面，文献 3 1 中，介绍了一种基 于阵列天线的多普勒补偿方法，通过在列车上安装阵列天线，采用插值算法，在一个 不随地面变化的特定点估计接收到的信号值，从而实现多普勒补偿。文献 3 2 3 3 给出 了阵列天线插值多普勒补偿的基本步骤，但是没有从分集方面加以考虑。文中给出了 最小二乘( l e a s ts q u a r e ，l s ) 和最小均方差误差( m i n i m e n t a ls t a t ee x a m i n a t i o n ，m m s e ) 两种方法来估计信道。关于阵列天线补偿多普勒频移的研究很多，但是从分集方面来 考虑的研究很少，而文献e 3 4 贝j j 基于阵列天线的特点，从时间分集和空间分集的角度来 考虑用阵列天线的多天线特点来获得分集增益，从而提升系统性能。 1 3 论文主要工作和内容安排 本文主要就高速车地宽带无线通信系统中的协作切换及分集性能进行了深入研 究。在分析了现阶段车地宽带无线通信系统所面临的问题后，提出了基于c o m p 多点 协作传输技术的切换优化方案，以提升系统的切换成功率。鉴于c o m p 的多天线技术 特点，在蜂窝网中常通过发射端或接收端的分集获得增益，进而提升系统容量，而在 高铁场景中，c o m p 技术能否和分集技术相结合值得我们作进一步的研究。因此本文 结合高速铁路场景，分析了各种分集技术在高铁场景下的适用条件，并进一步分析了 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页。 c o m p 基础上能实现的分集技术应用。 本文的主要内容安排如下： 第二章首先介绍了高速车地宽带无线通信系统的特点，接着分析由这些特点所带 来的主要问题及其现有解决方案，其中重点分析了高速引起的频繁切换问题及多普勒 效应问题，最后简单介绍了c o m p 技术与分集传输技术的相关知识，并就分集技术能 否应用于高速车地通信提出了质疑。 第三章首先对l t e 传统硬切换方案和基于c o m p 的切换方案进行了切换过程的简 单比较，接着建立了基于c o m p 的切换优化方案模型及其信令交互流程，并重点分析 了协作集的加入过程。最后对传统切换方案和基于c o m p 的切换优化方案进行了相关 性能的分析及比较，并结合仿真结果讨论了基于c o m p 的切换方案对高铁系统性能的 改善。 第四章首先介绍分集传输技术的原理、分集传输技术的分类及其各类的优缺点比 较，接着分析了分集技术在高速宽带无线通信系统中的应用，其中重点分析了时间分 集、空间发射分集和空间接收分集在高速场景下的应用，并结合相应的仿真结果对空 间接收分集的性能作了比较。最后分析了能结合应用在c o m p 技术基础上以获得分集 增益的分集技术。 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6 页 第2 章高速车地宽带无线通信关键问题 随着高速铁路在各个国家的不断兴起，高铁通信成为人们研究的一个热门课题。 但高速铁路无线通信系统有其特殊性，因此蜂窝网技术不能直接应用于高速车地通信 系统中，我们只有详细的分析高速车地通信的特点，再结合已有的解决方案，才能更 好的解决高速车地通信中存在的问题。本章中，首先分析高速车地通信系统的特点， 接着详细分析由这些特点所导致的主要问题，其中重点描述高速引起的多普勒效应及 频繁切换问题，并结合高速车地无线通信系统的特点，对部分问题的现有解决方案加 以探讨分析，最后简单介绍了分集技术的相关应用。 2 1 高速车地宽带无线通信的特点 高铁线路纵贯全国各地，因此实际场景比较复杂，可能在繁华的市区，也可能在 开阔的农村，可能穿越隧道，也可能周围是大山，高楼，甚至两边有隔音墙。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。 我们无法对所有场景进行细致的分析和研究，因此为了便于研究，一般将铁路无线通 信环境简化为农村开阔地环境，如图2 1 所示。随着高速铁路的发展，列车的运行速 度也在逐步提升，最高时速达到3 5 0 5 0 0 k m h ，而列车的高速移动将导致严重的多普勒 效应、频繁的小区切换以及小区重选等一系列问题。另外高速列车采用全封闭车厢构 造，因而造成极大的信号车体穿透损耗，严重影响车内用户的数据传输。其次考虑到 安全和控制的因素，高铁通信对列车控制系统的可靠性要求非常高。最后，众所周知， 列车沿着设定的轨道作单方向的运动，在速度已知的情况下，可以得到列车的位置信 息，因此可以利用列车的位置信息来辅助改善车地通信系统的性能。高铁通信的这些 特点使其面临着许多不同于蜂窝网络的技术难题，因此必须针对高速移动场景下的特 点，研究如何解决高速车地宽带无线通信网络中存在的问题。 图2 - 1 铁路无线通信环境 。西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2 高速车地宽带无线通信主要问题及解决方案 上文描述了高速车地宽带无线通信的特点，因为这些特点，使得高铁通信面临着 许多亟待得到解决的问题。接下来本文将对这些问题加以详细的分析总结，并探讨部 分问题的现有解决方案。图2 2 总结了车地宽带无线通信的特点及面临的主要问题。 特点同题 暖纂丽瓣鞲瓣 ： ，耗大 衡孚鬻爱褥- 高铁鬻韬溺颥 s o 蚴 巾通信荽韧曩。 氡黼弗 。霹鞠琴黼 犀 。 2 2 1 车体损耗问题及现有解决方案 高速列车采用全密闭车厢腔体，造成极大的信号车体穿透损耗，从而导致车内用 户接收到的信号衰落变大。一些公司和研究机构对车体损耗进行了专门研究，并得出 了不同材质下的信号车体穿透损耗值，如表2 一l 所示f 3 5 】。从表中可以看出2 g h z 时信 号的车体穿透损耗值比9 0 0 m h z 下的小2 d b 左右，不同车型穿透损耗差异比较大。 表2 1 车体损耗 解决信号车体穿透损耗的主要思想是通过车顶车载设备作为一个中继站来转发基 站侧和车内用户侧的信号，从而降低无线信号的金属腔体穿透损耗。 2 2 2 切换问题及现有解决方案 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 为了使得高速车内用户在保持通信链路不中断的前提下，保证不同业务的服务质 量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) ，必须解决高速列车的越区切换问题。目前l t e 仅支持传 统的硬切换方式，不仅切换时延较大，而且切换区处于两个小区的边界，受到阴影衰 落、多径效应以及多普勒频偏的影响，接收信号质量降低，会严重影响到系统的切换 成功率。在此切换方式下，车内用户可能在一个通话过程中因列车的高速移动而穿越 多个小区，从而造成切换的频繁发生，而频繁的越区切换将带来频繁的掉话和数据中 断，从而严重影响旅客的通信体验。因此，必须对现有的l t e 硬切换机制进行优化， 提高其越区切换的成功率。 对于该问题，目前有利用分布式天线来扩大单个基站覆盖范围的解决办法。分布 式天线的原理是将基站分为基带处理单元( b u i l d i n gb a s eb a n du n i t ，b b u ) 和无线远 端单元( r a d i or e m o t eu n i t ，i 氓u ) 两个单元，其高铁组网如图2 3 所示。其中b b u 集中放置和维护，降低了站址获取难度，r r u 光纤拉远的方式实现也适合于高铁的线 状覆盖，一个b b u 可以同时管理多个r r u ，且r r u 间还可以级联。由于信号通过光 纤传输时损耗很小，整体降低了系统的馈线损耗，因此减少了对干线放大器的依赖。 逻辑小| x 图2 - 3 分布式天线的高铁组网简图 经中兴通讯公司验证，此方案在同等条件下可提高2 - 3 d b 的天线口输出功率，大 大增强了基站的覆盖能力【3 引。在高速覆盖组网时，为了增加单个r r u 的覆盖范围，减 少r r u 数目，可采用一个r r u 功分双向发射的方式来增加单r r u 的覆盖距离。如图 2 - 4 所示，铁路沿线小区下行数据信号经扇区天线同时向两个不同的扇区发射，相当于 单个小区分裂成两个小区，从而提升系统的切换性能。 图2 4 单r r u 功分双向发射示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 _ i nt tb i ll 量皇鼍舅置曼皇舅量量量冒| 鲁量量皇曼置皇量量置量| 鲁量量皇_ 采用分布式方案使得基站的覆盖范围能够按照系统需求而作相对灵活的改变，极 大地减少列车穿越小区的的次数，从而有效的减少用户通话过程中的越区切换次数。 分布式天线模式虽然能够减少列车的越区切换次数，但先断后连的硬切换方式仍 然会造成切换时通话的中断。如何保证列车在高速环境下的无缝切换是本文研究的重 点之一，此部分内容将在第三章中加以详细介绍。 2 2 3 多普勒效应及现有解决方案 在无线传输环境中，收发终端之间因为相对运动而导致传输频率的变化，称之为 多普勒效应【3 7 】，频移值疋可以表示为： ，一 1 ， 五= 厶c o s = + c o s 谚= 卫c o s 谚 ( 2 一1 ) 几c 很明显，它与移动速度v 成正比例关系，与载波波长名成反比例关系。如果相对运 动的速度很慢，则多普勒频移很小，此时多普勒效应的影响可以等效为对信噪比的影 响。但是在高速车地环境中，高速行驶的列车和地面基站之间存在着非常大的相对运 动，使得信号产生极大的多普勒频移，在此条件下就不得不考虑多普勒效应在频域及 时域的影响【37 1 。另外，从公式( 2 1 ) 可以看出，多普勒频移与入射角谚也有关系，入 射角谚越小，频移越大。而列车运行中大部分时候与基站的距离远远大于基站和轨道 的距离，所以入射角度都很小，这就造成列车运行中长时间处于大多普勒频移时期。 多普勒表达式( 2 1 ) 中，到达角是随着列车的行进时间变化而变化的，因此，频 移公式对时间t 求导便可得出频率变化率： 铲粤c 南2 2 ，、l ( 2 2 ) 其中，最大频率变化率如下所示： 2 ， l 蜕一l = 丛 ( 2 3 ) c r 从以上公式可以看出，多普勒频移变化率是速度的2 次方关系，因此对速度更为 敏感，当列车行进方向垂直于电波传播方向时，此时入射角达到9 0 度，多普勒频移为 0 ，但是频率变化率却最大。 图2 5 为多普勒频移变化率随距离的变化情况，x 轴中点是基站所处位置，左图中 不同颜色线条表示的是基站与轨道的垂直距离。从图中可以看出，当铁轨与基站的距 离比较远时，频偏保持在最大频偏周围，变化率比较小，当铁轨与基站的距离越来越 近时，频偏变化率也随之逐步增大。因此从降低频偏变化率的角度出发，我们应该让 基站和轨道间的距离比较大。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 - 5 多晋勒频翠变化翠随距离变化情况 多普勒效应的另一个重要体现为多普勒频谱扩展，因为在移动通信环境中，信号 因传播路径中物体的折射、反射等造成多径效应，多径效应直接导致信号通过不同路 径传播时出现时间上的延迟和角度上的变化。最终导致接收端的信号因各路径频偏不 同而形成多普勒扩展【4 】。图2 - 6 为多普勒频谱扩展情况，假设电磁波的传播发生在二维 平面，且均匀入射，即到达角度在0 2 冗上服从均匀分布，则在全向天线覆盖下，接收 信号的多普勒功率谱表现为如图所示的u 型图。 图2 - 6 多普勒频谱扩展 西南交通大学硕士l 研究生学位论文第1 1 页 多普勒效应除了以上分析的频域变化外，在时域上还表现为信道的快速变化。文 献 3 8 】中介绍了基本的多普勒频移，算出相干时间和最大多普勒频移的关系如下： 丝：等= 芋。瓦 ( 2 4 ) 址= 一= 一。，： ( z 一4 ) l 九 m 。、 假设载波频率z _ 2 5 g h z ，移动速度v = 2 5 0 k m h ，由式( 2 - 4 ) 可知相干时间约为 0 8 6 4 m s 左右，多普勒扩展厶= 5 7 8 7 h z 。在g s m 系统下，多普勒扩展值远远小于数据 的比特率2 7 0 k b i t s ，且信道相干时间远远大于数据比特的持续时间3 7 s ，因此，在 g s m 系统下，多普勒效应的影响可以等效为对系统信噪比的影响，其对频域和时域的 影响都可以忽略不计，可认为信道表现为慢衰落特性鲫。 但当今的l t e 及l t e a 系统采用的是正交频分复用( o f d m ) 的高速率传输技术， 该技术的主要思想是将一路高速率串行数据通过反向快速傅立叶变换( i n v e r s e f a s t - f o u r i e r - t r a n s f o r m a t i o n ，环f t ) 变换成为多路并行的低速率数据，从而提高系统性 能。o f d m 技术的优点很多，其中之一为它极大地扩展了数据符号的脉冲宽度，从而 提高了系统抗多径衰落的能力。但此时数据符号脉冲宽度的增宽也使得系统在高速移 动时不能满足相干时间r o 远远大于数据比特率互，因此无线信道呈现快衰落特性，此 时多普勒效应引起的信号频域和时域变化显著，其对系统性能的影响达到不可忽略的 地步【3 8 - 3 9 。如图2 7 所示，在o f d m 系统中，最大多普勒频移越大，信道的时变特性 就越明显。从图中可以看出，当频偏达到1 0 0 0 h z 时，从时域上看，信道差不多l m s 就会剧烈变化一次，且变化的幅度很大。 8 抽 窘 图2 - 7 多普勒效应导致信道的快速变化 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 从上述分析可知，多普勒效应是高铁通信必须解决的关键问题，已有相关人士就 这一问题提出了很多解决方案。其中可以在高铁覆盖的链路预算时，预留一定的解调 门限性能恶化余量；在基站部署上，基站到铁轨的垂直距离控制在2 0 0 米以上；在信 道上，采用判决反馈干扰消除方法、循环延迟分集和多普勒分集等技术克服o f d m 符 号的信道变化。高通公司和华为公司分别提出了自适应频偏纠正( a u t o m a t i cf r e q u e n c y c o n t r o l ，a f c ) 方案以纠正多普勒频偏1 4 0 训】。 德国不莱梅大学2 0 0 8 年6 月2 0 1 0 年6 月的项目“h i 曲m o b i l i t ym i m o o f d m t r a n s m i s s i o nw i t l lr e a l i s t i cp r o p a g a t i o ns c e n a r i o s ，【4 2 删和北京交大的陶成重点研究基于 多天线的多普勒补偿方法，其中一种为基于列车线性阵列天线( u i f o r ml i n e a r a n t e n n a ，u l a ) 的空间差值补偿方案。 k a n t e n n a 一 图2 8 多普勒差值补偿模型 其具体模型如图2 8 所示，列车上均匀的部署k 个天线阵元，形成k 天线阵列， 这些天线均会接收到来自基站的信号，用这一系列信号通过m m s e 或l s 信道估计方 法来获取虚拟点p 的信道参数，因此可以认为虚拟点p 接收到的信号没有多普勒频移， 从而有效地实现多普勒频移的补偿。 以上的这些多普勒效应解决方案大多从频偏角度出发，而关于信道的快时变特性 目前还没有可行的解决办法，因此，成熟应用于蜂窝网中的技术能否在快时变信道下 达到预期的效果值得我们作进一步的研究。 2 3c o m p 技术及分集技术简介 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 l t e 系统使用o f d m a 多址接入技术，通过正交的子载波区分不同的用户，因此 基本不存在小区内的干扰，但是在频率复用因子为“l 的系统中，小区边缘用户发送 接收信号时所采用的功率较高，有可能造成强烈的小区间干扰，从而影响系统性能【4 5 】。 因此，l t e a 系统提出了c o m p 技术来解决蜂窝小区中小区边缘用户干扰大、吞吐率 低等问题。c o m p 技术的主要思想是利用多个天线站点协同为一个终端设备发送下行 数据或者联合接收一个终端设备的上行数据，以使得小区边缘用户获得较高容量，实 现小区边缘处无线链路的可靠传输，其中参与协作的多个天线站点通常指不同的小区 基站【4 】。c o m p 技术通过协作集中基站的协同作用，向用户传输相同的信息，从而提高 小区边缘用户的吞吐率。 c o m p 技术按协作的范围可以分为两大类：一是小区内c o m p ( i n t r a s i t ec o m p ) ， 小区内c o m p 是指同一个小区内的多个天线参与协作，主要表现为分布式天线技术 ( d i s t r i b u t e da n t e n n as y s t e m ，d a s ) ，即第二章介绍过的b b u + r r u 的分布式覆盖系 统。另外一种是小区间c o m p ( i n t e r - s i t ec o m p ) ，即多个不同小区e n o d e b 之间的协作， 在此种协作方式下，参与协作的小区通过共享调度信息、数据信息及信道状态信息等， 可使得小区间干扰信号变为有用信号，从而提高小区边缘用户的容量及吞吐量，在多 用户协同方式下，还可提高整个小区的平均吞吐率m 】。 c o m p 技术根据站点间是否共享用户的数据信息可分为多点联合处理c o m p ( j p j t - c o m p ) 和多点协调调度c o m p ( c s c b c o m p ) 。在多点联合处理方式中，由多 个传输节点同时向用户发送数据信息或接收来自用户的数据，由图2 - 9 ( a ) 所示，参 与协作的三个小区共同为边缘用户发送数据。在此c o m p 方式中，参与协作的多个小 区传输相同的信息给目标用户，因此可以在提高接收信号的质量的同时减小对其它用 户的干扰。 图2 - 9 ( a ) 多点联合处理c o m p图2 - 9 ( b ) 多点协调调度c o m p 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 在多点协调调度c o m p 中，参与协作的基站经过协调，共同决定由其中的某个信 号最好的传输点给用户发送数据，即用户的数据由一个基站传送，通过协调调度来控 制协作小区间的干扰，如图2 - 9 ( b ) 所示。此种方式下，协作小区间的信道相关信息 依然共享，只是用户数据信息只有一份【4 卜5 0 】。 鉴于c