（通信与信息系统专业论文）高速环境下中继应用的干扰分析及对通信质量的改善研究.pdf

中文摘要 摘要：为了满足铁路通信的高可靠性要求和高铁用户的对于语音和数据业务流畅 使用的需求，面对在高速移动环境下的无线信号覆盖、同频干扰、无线信号传播 损耗、多普勒效应等技术难题，本文提出了采用无线中继技术来克服通信问题的 思路。从理论上就无线中继在高速铁路环境下的适用性进行分析，针对前向放大 中继方式，本文基于高铁现场实用模型从大小尺度两个方面分析了干扰的产生， 通过仿真和计算，并根据铁道部规范提出了合理的避免干扰的网络建设方案，即： 当基站和中继均采用天线发射信号时，基站和其相邻的中继之间的距离必须要满 足2 1 9 砌，单网交织覆盖时需要1 6 8 砌；两个相邻的中继之间的距离必须要满 足2 4 0 砌，单网交织覆盖时需要2 0 7 砌；在隧道区，采用中继和漏缆共同覆 盖时，隧道内外相邻的中继之间的距离最好保证1 8 5 砌，单网交织覆盖时需要 1 8 0 枷。针对解码转发中继方式，本文考虑将中继节点设置在列车上的通信模型， 并提出了移动中继节点的工作流程。然后，创新性的以w i n n e ri i 信道模型为基 础进行了时速3 6 0 k n l h 的通信质量半实物仿真，得出了呼叫建立时间1 1 8 秒， 9 7 9 0 的呼叫成功率，传输干扰产生的误帧率约为7 6 6 幸1 0 q ，约9 9 的下行接 收质量在4 级以上的结果。证明了其在高速移动环境下的技术优势，也为其在未 来的应用提供了参考依据。 关键词：g s m r ；无线中继；前向放大；解码转发；高速移动；w 胁陋ri i 信道 分类号：t n 9 2 9 5 a b s t r a c t a b s t r a c t ：i i lo r d e rt om e e tt h er e q u i r e m 鲫峪o fl l i 曲r e l i a b i l i 母o fr a i l w a y c o m 删_ l i l j c a t i o n 锄d1 1 i 曲q u a l 时o fp a s s e n g e rc o 舢 1 l u l l i c a t i o n ；f a c e dt 0t 量l ep r o b l e m so f w i r e l e s sc o v e r a g e ，c o c h 锄e li n t e r f e r e n c e ，p a ml o s s ，a n dd o p p l e rs 1 1 i r ；m i sp a p e r p r o p o s et l e i d e ao fo v e r c o i i l i n gc o m m u i l i c a t i o nd i 仔i c u l t i e sb yt l l e a p p l i c a t i o no f 淅r e l e s sr e l a y i tm e o r e t i c a l l ya i l a l ) ，z e st h e 印p l i c a b i l 时o fw n l e s sr e l a yi nl l i 曲s p e e d r a i l w a ，ye n v i r o 姗e m b a s e do nc o i 砌o nm o d e lu s e di nl l i 吐s p e e dr a i l w a yf i e l dw o r k 也i sp a d e ra 1 1 a l v z e si i l t e r f ；e r e n c e 厅o mb o ml a r g es c a l ea n ds m a l ls c a l et 0 锄p l i 毋一f o r v 隐r dr e l a ym o d e w i t l lt h es i m u l a t i o na 1 1 dc a l c u l a t i o 玛t h ep 印e rp r o p o s e r e a s o n a b l es c h e m ea b o u tn e t w o r kp l a n n i l l ga c c o r d i n gt on l es t a 皿删o fc l l i n am i i l i s 位y o fr 越1 w a y hi sw h e nb o t l lb t sa n dr e p e a t e r 胁s m i ts i 印猷b y 珊1 t e n n a s ，l ed i s t a i l c e b e t 、e e nb t s 趿di t sa 翊a c e n tr e p e a t e rm u s tb e 三2 19 k m ，i ns i i l g l el a y e rc r o s s r e d u n d a n c yc o v e r a g ei ts h o u l db es 1 6 8 k m w h e nt 、) ，oa d j a c e n tr e p e a t e r sw i t l l 锄t e i m 嬲 a r es 锄e 丘e q u e n c y ，ds h o u l db es 2 4 0 k m ，证s i i l g l el a y e rc r o s s r e d u r l d a i l c yc o v e r a g ei t s h o u l db e5 2 0 7 k m nm s od e m o i l s 们：t e s 也a ti i lt l l n n e l se n t r a n c ei fm ed i s t a n c e k 汛v e e na 面a c e n tr 印e a t e r s 冬1 8 5 k m ，锄yp o s i t i o nc 锄如l f i l lt l l ed e m a n d ，i l ls i n g l el a y e r c r o s sr e d u l l d a n c yc o v e r a g ei ts h o u l db es 1 8 0 k m f o rd e c o d e - f o r 戳而r e l a ym o d e ，m i s p a p e rc 0 i l s i d e r st l l em o d e l s t l l a tr e l a yi sf i x e d0 nav 出c l e ；a i l dp r o p o 驼w o r k j r 培p r o c e s s a b o u tm o b i l er e l a yn o d e a n dt l l e n ，i ti 衄o v a t i v eb a s e so nw 小附e ri ic h 锄e lm o d e lt 0 m a 玉【es e 皿一p h y s i c a ls i m u l a t i o na _ b o u ti i l d i c a t o r so fc o m m 嘶c a t i o ni nm es p e e do f 3 6 0 k m 1 1 t h er e s u l t sa r et l l ea v e m g ec a j ls 帅t i m ei s1 1 8 s ，c a j ls e t u _ ps u c c e s sr a t ei s 9 7 9 0 ，仃a i l s m i t t i n gi m e r f e r e n c ef e r i s7 6 6 宰l0 3 ，a p p r o x i m a t e l y9 9 o f r e c e i v i i l g q u a l i 西o fd o w i d i i l ：ki sl e v e lf o u ro ra b o v e i tp r o v e st l l ea p p l i c a t i o na d v a n _ t a g eo f w i r e l e s sm o b i l er e l a vi 1 1h i g hs p e e dm o v e m e n te n v i r o n m e m ，锄dt l l et l l e o r yb a s i sf i o ri t s a p p l i c a t i o ni i l 如：t u r e k e y w o r d s ：g s m r ；、) l ，i r e l e s sr e l a y ；a r i l p l i 匆f o r w a r d ；d e c o d ef o r 、a r d ；l l i g hs p e e d ； w i n n e ri ic h 锄e l c l a s s n o ：t n 9 2 9 5 致谢 本论文的工作是在我的导师张小津副教授的悉心指导下完成的，张小津副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。两年半来，她对 我的关怀如同母爱般无微不至，在此衷心感谢张小津老师对我的关心和指导。 北京交通的大学现代通信研究所的钟章队、谈振辉、朱刚、李旭、吴吴等老 师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在两年多的实验室工作期间，蒋文怡、丁建文两位老师给予了我热情帮助。 在论文撰写期间魏宏、高林毅等同学也了我很大的科研帮助，在此向他们表达我 的感激之情。 最后更加感谢我的家人，他们的理解、支持和鼓励使我能够在学校专心完成 我的学业，并不断进步。 1 引言 1 1综述 1 1 1高速铁路的发展对通信系统的需求 目前中国已经领跑世界高速铁路的发展，武广客专运营速度3 5 0 k n ：沛，旅行速 度3 4 1 l ( i i 油。将于2 0 1 1 年开通的京沪高速，持续运营速度3 5 0 l ( i 】汕，最高运行速 度3 8 0 k i l 恤，最高试验速度4 2 0 k n 1 1 1 以上。到2 0 2 0 年，我国将建成1 6 万公里“四 纵四横”高速铁路网，其中8 0 0 0 k m 线路运行速度在3 5 0 l 【i i 儿以上。因此，轨道交 通系统的发展趋向于客运高速化，货运重载化、快捷化；列车运行组织与控制系 统已经从调度、联锁、闭塞、信号、安全监测等设备的简单组合向集运输计划编 制、调度指挥、运行控制、安全预警及保障和自动驾驶等为一体的综合自动化系 统集成方向发展，呈现出系统化、网络化、信息化、智能化的鲜明特点。 所以在高速移动环境下的无线通信的基础理论、关键技术、工程应用技术等 领域开展自主创新是时代赋予中国铁路的历史责任，更是历史机遇。在高速移动 环境下( 3 5 0 5 0 0 k n 汕) ，主要面临的技术难题有以下几点： 1 、我国幅员辽阔，高速铁路线路里程长，跨越1 0 0 0 k m 一3 0 0 0 k m ，运行时间4 小 时( 京沪高速) 、8 小时( 京广港) 甚至更长，横跨多个路局、多个m s c 、几 十个r b c 、几十个b s c 、几百个甚至几千个b t s 。 2 、随着高速铁路网的形成，高速铁路上可能同时运行着数百对甚至数几千对高速 列车，需要同时保证这些列车控制数据的可靠传输，形成面向高速铁路c t c s 3 和c t c 的复杂无线通信网络。 3 、信号的多普勒频f m 将明显增大，当工作频率为9 0 0 m h z 时约为2 9 1 4 1 6 h z ， 而且在通过基站时，多普勒频移将在短时间由正转负，如图l 一1 。根据3 g p p t s 4 5 0 1 0 ，b t s 应该使用绝对精度好于5 0 p p b ( 对应频率误差4 5 h z ) 的频率源作为 射频频率生成和基站时钟基础：基站和移动台必须采用多普勒频移校正技术才 能保证高速移动情况下可靠的越区切换。 图1 1 多普勒频移由正转负 f i g u r e1 1d o p p i e rs h f f tf r o mp 0 s j t j v et on e g a t i v e 4 、高速移动导致无线信道呈现显著的时变特性，信道的相干时间t c 接近0 4 3 m s ， 小于一个b u r s t 的持续时间( o 5 7 7 m s ) ，导致现有的信道估计技术、同步技术、 均衡技术提出了更严峻的考验。 5 、列车以3 5 0 k 玎加以上速度运行，在一个小区的逗留时间仅2 0 3 0s ，越区切换 十分频繁，越区失败发生概率明显提高。 6 、高速铁路沿线多为经济发达、人口稠密地区，存在种类复杂、特性各异的无 线干扰。 7 、铁路无线移动通信业务不断涌现，对容量提高更高的要求，如何频率资源受限、 信道时变、复杂干扰的条件下提高资源利用率，实现高效传输。 1 1 2当前高速铁路通信性能的研究现状及不足 面对上一节中提出的问题，目前已经有很多研究正在进行。如【1 】研究了 c t c s 3 级列控信息的切换问题，对影响切换成功率的因素做了相应的分析。【2 】 分析了g s m r 无线通信系统的特点，将场强覆盖测试和电磁环境评估问题进行综 合考虑与分析，提出了一种基于信号统计特性的检测和分析方法，提高了测试的 准确度，为保证c t c s 3 级列控系统无线链路质量提供了理论依据。 3 】综合考虑 了网络的传输错误、越区切换和链接失效性等无线失效因素，提出了一种新的冗 余网络结构，分析了不同速度情况下的不同的网络结构对可靠性能和可用性能的 影响为承载列控业务的g s m r 网络规划提供了参考。 4 】针对列车的晚点情况作出 分析，发现在晚点5 分钟之内列车有8 0 是因为c t c s 3 级列控信息通信中断引起 的，所以，保证通信质量也可以提高火车的准点率，特别是高速铁路的准点率。 但是，目前也存在一些研究不足的地方。如：针对于干扰的研究，在高速移 动环境下，不但电波传播的特性发生了巨大的变化，高速铁路的实际网络设计也 有所不同。所以，单纯的理论研究已经不能很好的解决问题，更需要的是与现场 2 环境相结合的干扰研究，才能更有实际意义。同时，将目前铁路专网中应用到的 技术和业务与现在的、面向3 g 和4 g 发展的通信热点技术相结合来进行研究的成 果也较少。并且，尤其缺乏面向高铁旅客通信服务质量的研究和改善的方案。 5 】 在2 0 0 0 年的时候对g s m 和c d m a 的信道模型和语音通信服务性能进行了比较， 不过，此研究只局限于列车速度2 5 0 k 1 1 曲，与现在的速度也有较大的差距。所以， 随着高速铁路的快速发展，必须要加强有针对性的、能够解决实际通信障碍的、 面向通信技术前沿的研究。 1 1 3中继技术的优势 中继是一种有效的提高覆盖范围、群组移动性、临时网络部署和小区边缘吞 吐量的方式。移动中继节点可以看做是固定中继在移动场景( 如：公共汽车、小 汽车、火车等) 下的应用延伸和扩大。将无线中继技术与蜂窝网络相结合的蜂窝 中继网络是当今无线移动通信研究领域的热点之一，与传统蜂窝网络相比，它有 诸多优势，如： 1 、 中继信道增益较强； 2 、多跳传输可以抑制系统干扰并提高信号的信噪比等； 3 、采取中继传输的蜂窝通信能够提高系统的数据速率，改进网络服务质 量，扩大小区的覆盖范围； 4 、中继节点的天线不需要放置得像b s 那么高，中继设备的复杂度远低 于基站，可以降低运营商的购置和维护成本等。 所以，近些年来中继在增强无线网络可靠性和吞吐量方面已经成为一项有效 的技术。无线中继信道和网络也已经在很多方面被研究和探讨过，如：信息论的 容量 6 】，分集 7 】，中断性能【8 和协作编码 9 】。 由于中继的放大和弱场覆盖作用，高速铁路网络建设中的弱场覆盖都已经采 用了中继的方式。但是，面对着更多的技术难题，探索性的将无线中继技术引入 高速移动环境下的铁路专网和普通公网的网络建设，形成蜂窝中继网络，并利用 其优势和可移动性进行研究是很有价值的。 1 2 论文研究意义 结合中继技术的优势和高速铁路发展对通信系统的需求，本文的研究意义主 要贴现在以下两个方面： 一、在高速铁路的建设过程中，为了保证列车运行速度，高架桥和隧道的比 3 例越来越大。如武广客专，隧桥比例已达到全程的6 6 。隧道使得无线覆盖出现 弱场区或者盲区，而中继最主要的优点就是能够延伸覆盖，消除盲区。所以，高 速铁路的网络建设中大量的引入了中继设备，同时这也导致通信系统受到了严重 的干扰威胁。针对于铁路通信的高可靠性要求，采用怎样的技术或者网络规划方 案才能有效避免干扰一直是研究的热点。【1 0 中提出了许多采用直放站去解决弱场 覆盖的方案。【1 1 】中详细的介绍了引入直放站对于无线网络的影响。【1 2 和【1 3 】对 于隧道场景下的同频干扰已经做过一些分析，但是这些研究中的很多都与实际网 络现场的情况相差甚远，特别是与近几年才开始建设的高速铁路场景相差较多。 因此，这些研究的实际指导意义相对较弱。目前需要进行的恰恰是如何结合高速 铁路的实际工程建设，应用更符合高铁环境下的基础理论进行有实际应用价值的 分析研究，才是更是有学术和实践的双重意义。 二、目前中继技术的研究热点已经不只局限于单纯的放大作用了，中继的发 展使得它的功能越来越强大，也在网络建设和未来通信的发展中承担了越来越多 的工作。因此，像高速铁路这种对通信质量和网络可靠性要求较高的系统，如果 可以采用更新的中继技术并利用其优势，不但能得到较强的信道增益，还可以提 高抗干扰能力，实现更准确的数据传输。同时，由于列车的行进速度越来越高， 旅客在行车过程中进行正常语音通话越来越困难，进行流畅的数据传输几乎很难 实现。所以，考虑采用中继技术为旅客提供通信服务也是一个研究热点。欧盟第 六框架联合项目无线世界的新无线电技术( w i r e l e s sw o r l di n i t i a t i v en e w r a d i o ：w d 小t e r ) 研究的重点课题之一就是蜂窝中继网络，由于无线中继技术有多 项优势，w d 滁e ri i 模型已经考虑将中继设置在列车上以提供更好的通信服务。 所以，进一步的研究在列车上，特别的高速移动的列车上采用移动中继节点来满 足通信需求的方案，并进行相关的仿真测试是十分值得探索的。同时，由于无线 协作中继的多跳技术与蜂窝网络的结合技术件被认为是4 g 系统的一个发展方向。 所以，在高速移动场景下考虑无线中继技术的应用，对高速铁路在满足用户需求 和自身技术发展( 面向l t e r ) 方面都是有很重要意义的。 综上，本文以高速铁路的环境为依托，进行中继应用的干扰分析及移动中继 对通信质量的改善研究具有较高的学术和实践指导意义。 1 3论文的主要工作和贡献 本论文分别研究了前向放大( a f ) 中继和解码转发( d f ) 中继在高速铁路环 境下的应用。针对a f 方式，主要考虑了直放站应用于无线弱场区的覆盖情况，从 大小尺度两方面进行理论研究并结合实际网络建设分析了引入直放站带来的干 4 扰，通过仿真结果和计算给出了高速铁路g s m r 网络在针对避免同频干扰和码间 干扰( i s i ) 方面的网络规划方案。针对d f 方式主要研究了设置在列车上的移动 中继节点，分析其工作流程，利用w 小小t e ri i 信道模型通过半实物仿真测试证明 其对于高速移动情况下的用户通信质量的改善。具体工作包括： 1 研究了多种中继类型的特点和适用方向； 2 从大小尺度衰落两方面研究了在实际高速铁路建设过程中引入的中继设 备直放站所带来的干扰情况； 3 仿真并计算载干比、时延差、移动台位置、基站和中继的相对位置之间的 关系； 4 创新性的研究了移动中继节点在高速移动环境下的优点、工作流程； 5 研究w 啪ri i 信道模型，并将其应用于移动中继节点对通信质量的改 善仿真测试中； 6 对通信质量的部分指标利用c 8 信道仿真仪采用蒙特卡洛的仿真方法进行 半实物仿真测试。 通过以上问题的讨论分析、仿真测试，本论文主要在以下几个方面对该课题 的发展做出了贡献： 1 从减小同频干扰和码间干扰( i s i ) 影响方面，提出了有实际意义的网络 规划方案； 2 分析了移动中继节点在高速移动环境下的工作优势； 3 提出了移动中继节点在高速移动环境下的工作流程； 4 创新性的采用了删e ri i 信道模型进行半实物仿真，仿真测试结果表 明移动中继节点的确对高速移动环境下的通信质量起到了改善作用，为其 在未来的应用提供了理论基础； 5 针对于中继的虚拟m i m o 特性，提出了利用移动中继节点增加分集增益 的设想。 本论文的内容和结构安排如下： 在第二章中主要介绍了无线中继技术，并分别从分类、应用场景、关键技术 方面研究了可以应用在高速铁路下的无线中继：固定的层一a f 中继直放站和 移动的层二层三d f 中继。在第三章中，结合目前的高速铁路实际网络建设情况， 分析了引入直放站带来干扰，并提出了符合中国高铁建设同频干扰保护比要求的 网络规划方案。在第四章中，主要针对移动d f 中继，进行其在高速移动环境下的 5 适用性分析，并针对通信质量进行半实物仿真测试，为以后的高铁旅客通信服务 的改善做出理论和实践的积淀。第五章是对本论文的总结和对未来可以继续进行 研究的方向做出了总结和展望。 6 2 无线中继技术和蜂窝中继网络 2 1无线中继技术和蜂窝中继网络综述 无线中继( r e l a y 咖i o n ，r s ) 是一种接收其他站点无线信号，并根据接收到的信 号生成自身发射信号的装置，如图2 1 所示。l l 和l 4 是基站与附近用户的直连链 路，l 2 是基站与中继之间的中继链路，l 3 是中继与中继服务的用户的接入链路。 西 瞒 图2 1 无线中继工作不恿图 f i g u r e2 1s c h e m a t i co fw i r e l e s sr e l a yw o r k i n g 在g s m 系统中广泛运用的直放站就是一种最简单的无线中继这种中继对接 收信号做简单的放大处理就直接发射，可以归纳为放大前向( 锄p l i 匆f o n v a r d ：a f ) 模式。而目前的热点研究是在移动通信系统中大量运用解码前向( d e c o d e f o 州莉： d f ) 模式的无线中继。这种中继本身有相对简单的协议栈，对接收信号进行解调 和基带处理，然后生成发射信号。根据中继协议栈的完备程度，这种中继可以完 成差错控制、功率调整、信道测量、干扰协调，甚至有调度功能。 将无线中继技术应用与蜂窝系统中也是当今无线移动通信研究领域的热点之 一，由于中继传输方式的种种优势，蜂窝中继网络己成为下一代无线通信网络构 架备选方案之一。 2 2中继的分类 中继的主要作用在于扩大小区的覆盖面积或是在覆盖范围不变的情况下提高 小区的容量，同时利用中继造价低的特点降低网络建设成本。当前根据中继执行 功能的不同可以将中继分为三种：层一中继，层二中继和层三中继i i 引。 层中继仅仅起到了放大信号和继续传输数据的作用，中继将基站( 或者用户) 发送来的数据经放大后转发给用户( 或者基站) 。层一中继的处理时延较低，对接收 端的复杂度也要求较小，但是同时也会带来放大噪声和干扰信号的缺点。 层二中继中包含了媒体访问控制层的功能，也可以包含无线链路控制层功能。 该种中继可以执行调度功能，可以对m a cs d u 进行复用和解复用以及优先级的 处理。层二中继可以和基站进行协调对中继和u e 进行无线资源的分配，分配中还 可以考虑小区间干扰的情况和负载情况等。除此之外，层二中继还可以选择性的 加入外环的a r q 功能和i 也cp d u 的划分和连接功能。层二中继可以将收到的信 号解析后，根据中继和用户间的信道情况进行重新编码然后再次发送给用户。这 种中继的好处在于保证了u e 获得的传输信号的准确性，不同于层一中继，没有放 大噪声和干扰信号。同时此种中继的引入使得用户到信号射端的距离大大缩短了， 从而可以获得更高的信号质量，这也是中继的主要优势所在。短距离的传输使得 信道估计的准确性有所提升，并且为获得同样的信噪比无论是中继还是用户端都 不需要采用很大的发射功率，使得小区内乃至整个网络中的干扰水平下降，同时 也节约了用户终端的电池消耗量。但是层二中继因为需要对数据进行解码，所以 会产生很大的延时。同时层二中继对基站与中继间的链路传输准确性要求很高， 如果在这部分链路上因为传输错误而进行重传，则会给用户的业务传输带来更大 的时延。 层三中继相比于层二中继包含了更多的功能，可以执行部分或者全部的i 汛c 功能，可降低i 狠c 连接设置的时延，对数据进行快速路由以及对移动性进行管理。 层三中继的引入将产生更多的切换场景，如基站和中继的切换，中继和中继间的 切换等。所以层三中继中还将添加层三的测量功能，用于进行基于中继的切换判 决。层三中继的功能更加接近于基站的功能，相比于层一、层二的中继造价也更 高，更复杂，但是功能上也更强大。 因为结构简单且造价低廉，同时又有很好的应用性能，层二中继是当前讨 论的热点。 根据中继节点是否对接收信号进行解码处理，无线中继传输技术主要分为非 重生中继技术和重生中继技术两大类l l5 。放大前向a f 中继技术是典型的非重生中 继技术。在a f 模式中，r n 根据自身功率的限制，简单地对前一个步骤中接收到 的信号进行线性放大，再发送给d n 。而解码前向d f 中继技术是典型的重生中继 技术。在d f 模式中，r n 对上个步骤内接收的信号进行解码，重新编码后再发送 给d n 。 无线蜂窝网络的拓扑结构中，根据中继节点的移动性，又分为固定中继和移 动中继两种。固定无线中继是指i 斟和b s 节点所构成的无线网络的拓扑结构是固 定不变的，也即每个r n 只负责转发特定b s 的信号。另外，各个r n 的覆盖范围 不同，所以不同的r n 之间可以使用相同的频谱资源。基于这两个原因，固定中继 技术可以提高无线资源的复用率。相对于来说，移动无线中继的无线网络拓扑结 构随时可改变，因此它适合一些特殊的应用场景。比如对高速移动列车进行覆盖， 可以避免大量用户同时切换带来的大量突发信令；或者在发生重大事件的时候， 在事件现场的热点地区应对大量突发的话务量。 本文中主要涉及到的中继有两种：固定的层一a f 中继直放站和移动的层 二或层三d f 中继。 2 3中继在无线通信网络中的应用场景 2 3 1固定覆盖场景 在这种应用模式中，无线中继可以作为基站的补充，对某一区域提供长期、 稳定的覆盖，提高基站的覆盖范围或提高小区的容量。固定的中继可以被安置在 屋顶、铁塔上或其他能保证基站与中继之间无线链路质量的位置上。中继的位置 最好能保证基站与中继之间的无阻挡和阴影衰落的信道，在实际布网时也可能出 现n l o s 信道的情况，这时可以用光纤传输等其他技术手段保证基站与中继之间 的链路质量。这种中继的应用可以以较低的成本解决小区边缘，小区内无线信号 阴影区域的覆盖。相对于基站直接与终端建立连接，使用中继可以通过提高用户 终端与中继、中继与基站这两条链路的质量来增加小区的容量，保证通信质量， 扩大小区覆盖。 本论文的第三章中就研究了中继应用在固定的无线覆盖阴影区和盲区时给网 络带来的干扰。 2 3 2大型建筑物室内覆盖 建筑物的外墙，封闭的车体等都会对无线电磁波的传播产生很大的损耗，特 别在较高的频段( 如4 g h z 以上) 无线电磁波的穿透损耗会更明显。这时可以利用中 继对建筑物内部、隧道或地下建筑进行覆盖。将中继安置在建筑物的外墙、隧道 的出入口等位置，保证中继与基站之间的信号强度，终端则通过接收被中继放大 9 后的信号接入系统。 本论文的第三章还研究了中继与泄漏电缆协同工作在隧道中的覆盖情况和干 扰性能。 2 3 3i 临时性覆盖和应急通信 为了满足一些区域临时性或突然增加的通信需求，可以使用临时安设的中继 来提供覆盖。这种情况下，除了一般的固定中继外，还可以使用安装在运输工具 上的移动中继。如在大型赛事的赛场通常会集中出现突发的大量话务或数据业务 的需求，中继也可以协助将业务负载平衡到邻近的基站上。 2 3 4对交通工具的覆盖 对于某些公众交通工具( 如地铁、火车、轮船) 上的用户，由于他们是群体移动 的，在经过不同的小区时可能产生大量的切换请求大量用户分别进行链路调整 也会加重沿途基站的负担。如果通过层三中继接入网络，则需要切换和调整的仅 为中继与基站之间的链路，而终端与中继之间的链路相对稳定。并且，针对于交 通工具的移动性和外体屏蔽性，用户直接与基站通信的信道会受到严重的衰落影 响。如果通过中继接入网络，可以保证中继与用户信道的良好，将复杂的抗衰落、 干扰、多普勒频移工作交给中继完成。 本文的第四章即探索性的研究了利用无线中继为高速移动环境下的铁路和旅 客进行通信服务，提高通信质量。 2 4关键技术 2 4 1中继节点的移动性 根据现有的传输协议，固定中继是目前最主要的中继应用方式，而移动中继 由于受其协议复杂度，信息安全、电池消耗等问题的限制，目前只应用于一些用 户密集区作为改善覆盖、提高容量的方式。但是由于现在通信网络多变性不断加 强，灵活的移动中继必将受到越来越多的重视，应用的场景也会不断增加。本文 第四章的研究正是针对移动中继节点进行的。 1 0 2 4 2蜂窝中继网络的同步性 在蜂窝中继传输过程中，必须保持各个节点之间的同步，降低各个节点之间 的i s i 和m 触干扰，提高通信系统容量。蜂窝中继传输的同步，包括物理层的同 步，例如符号级的定时同步，频率同步等；也包括媒体访问控制m a c 层的节点同 步，例如m t 和b s ，m t 和i 矾，i 矾和b s 之间的同步。 物理层同步在蜂窝系统下行链路中进行，可以利用同步算法使m t 和r n 保持 与b s 相同的采样频率和载波频率，达到符号同步，降低i s i 的目的。m a c 层同 步则依靠蜂窝系统下行链路的小区搜索完成。通过蜂窝系统小区搜索算法，所有 的m t 或者i 斟节点都能知道当前小区b s 的配置信息，如用户i d 号，帧同步信 息，帧结构信息，接入时隙和接入频段等。结合这些信息，节点之间就能保持同 步了。 2 4 3 蜂窝中继网络的频谱复用 在蜂窝中继系统中，由于增加了中继节点，会增加额外的频谱开销，r n 和 b s 之间存在着频率资源共用的问题，因此需要对现有蜂窝系统的帧结构或网络建 设做适当的调整，对刚和b s 进行频谱资源分配和干扰协调。本文中的第三章， 就是以高速铁路g s m r 网络为基础，分析中继带来的干扰问题，通过适当的网络 规划方案进行干扰协调。 其实，针对于现有的蜂窝系统采用的“基于复用划分 的频率分配方式，在 引入中继后可以采用对b s m t 链路、b s i n 链路和r n m t 链路的频带使用不同 的复用因子的方法，来提高频谱利用效率，并保证中继传输与普通传输之间不会 产生干扰，这种方式可以支持两跳通信。当然，还有其他的方法可以更好地利用 频率资源，需要进一步的研究。 2 4 4协作中继与虚拟m 0 m i m 0 ( 多输入多输出) 技术已经在很多商用系统中被采用，是提高无线系统频 谱效率和健壮性的有效途径。m i m o 技术要求不同的天线上的信道尽量不相关， 而不同中继到终端的信道一般是相互独立的，这为应用协作中继和虚拟m i m o 提 供了基础。 协作中继或虚拟m i m o 是指不同的中继节点模拟一个信号源的不同天线，共 同向终端基站发送接收数据。中继只有转发正确的数据才会有增益，根据这个原 则，虚拟m i m o 分为以下两个步骤： l 、信号源将信息广播给中继和目标节点。如果源节点和中继节点间信道的质 量和信噪比足够好，中继节点解调接收到的数据。 2 、中继节点成功解调接收到的数据之后，对数据重新进行空时编码再发送给 目标节点。目标节点将两次不同空时编码的数据合并以获得分集增益。 1 2 3 前向放大中继在高速铁路场景下的应用分析 3 1a f 方式在高速铁路上的应用原理及模型 a f 方式中继协议是指：在源节点s 与目的节点d 通信过程中，中继节点r 采用a f 方式协助s 转发数据到d 。对于时分半双工工作模式，a f 中继信号处理 包括2 个主要过程。首先，源节点s 先对目的节点d 发送信号，因为信号的广播 效应，目的节点d 和中继节点r 都能接收到信号。接着，源节点s 停止数据的发 射，而此时中继节点r 对接收到的源节点s 信号直接进行功率放大后转发到目的 节点d 。由于中继节点r 一般都是功率受限的，因此选择的放大系数必须满足功 率要求。目的节点d 在整个通信过程中先后分别接收源节点s 直接发射和中继节 点r 转发的数据，因此，目的节点d 对接收到的两路信息进行合并解码恢复出原 始信息。 a f 也被称作非再生中继方式，它的本质是一种模拟信号的处理方式。源节点 s 与目的节点d 没有直接信号通路时，即此时目的节点只能接收到一路来自于中 继节点r 转发的数据。当s 与d 之间存在直接路径时，源节点s 发射的信号经历 了无线信道s r 和r - d 两条独立衰落信道。a f 中继协议虽然简单容易实现，然而 由于中继节点r 在放大信号的同时也放大了s r 的中继信道引入的噪声，因此a f 中继方式存在着噪声传播效应。 直放站是较简单的a f 方式，与基站相比其有明显的不足，主要表现在：( 1 ) 不能增加系统容量；( 2 ) 引入直放站后，会给基站增加约3 d b 以上的噪音，使原 基站工作环境恶化，覆盖半径减少。所以一个基站的一个扇区只能带两个以下的 直放站工作；( 3 ) 直放站只能频分不能码分，一个直放站往往将多个基站或多个 扇区的信号加以放大。引入过多的直放站后，导致基站短码相位混乱，导频污染 严重，优化工作困难，同时加大了不必要的软切换；( 4 ) 直放站的网管功能和设 备检测功能远不如基站，当直放站出现问题后不易察觉；( 5 ) 由于受隔离度的要 求限制，直放站的某些安装条件要比基站苛刻的多，使直放站的性能往往不能得 到充分发挥；( 6 ) 如果直放站自激或直放站附近有干扰源，将对原网造成严重影 响。但是，直放站却是解决弱场区无线网络覆盖的重要产品，可以实现中继无线 信号、延伸无线覆盖区、覆盖特殊地形、调配业务、消除盲区和优化网络等功能。 在g s m r 网络中，通常采用光纤直放站来作为其弱场覆盖的个重要工具。相对 于基站，光纤直放站也有许多优点：( 1 ) 不需要传输系统，施工方便，投资少；( 2 ) 同 等覆盖面积时，使用直放站比使用基站投资低；( 3 ) 覆盖控制更加灵活有效：( 4 ) 和 射频直放站相比，避免了同频干扰，信号传输不受地理条件限制，工作稳定；( 5 ) 可提高增益而不会自激，有利于加大下行信号发射功率。 光纤直放站工作原理如图3 1 所示： 图3 1 光纤直放站的工作原理图 f i g u r e3 1f u n d 锄e n t a ld i a 毋锄o f f i b e fr e p e a t e r 根据参考文献 12 】，直放站的近端机和远端机都包括射频单元( r f 单元) 和光单 元。无线信号从基站中耦合出来后，进入光近端机，通过电光转换，电信号转变 为光信号，从光近端机输入至光纤，经过光纤传输到光远端机，光远端机把光信 号转为电信号，进人r f 单元进行放大，信号经过放大后送入发射天线，覆盖目标 区域。上行链路的工作原理一样，手机发射的信号通过接收天线至光远端机，再 到近端机，回到基站。 直放站工作在弱场区通常有两种方式：一、直接通过天线发射；二、和泄漏 电缆一起工作，通过泄漏电缆覆盖。以下两种覆盖模型均来自于中国某高速铁路 现场情况。 3 1 1 以天线方式覆盖弱场区模型 通常，在非隧道区域，如果电磁波受到高大建筑物或山体的遮挡所产生的弱 场区，可以使用这种方式进行覆盖。如图3 2 ，直放站如普通基站一样，通过天线 发射信号。r u 代表直放站，r u l 和i w 2 的主信号来自于b t s l ，从信号来自b t s 2 。 同理，r u 3 和r u 4 的主信号来自于b t s 2 ，从信号来自b t s l 。 图3 2 直放站以天线的方式覆盖 f i g u r e3 2s c h e m a t i co fr e p e a t e r sw o r kt o g e t h e rw i t lb t s si na n t e 曲2 l s 3 1 2直放站和泄漏电缆共同覆盖弱场区 1 4 隧道区域是典型的高速铁路g s m r 通信系统的弱场区，由于g s m r 对系统 的可靠性要求严格，所以可选择直放站和漏缆协同工作的方式对隧道内部进行覆 盖。泄漏电缆是一种可以集信号传输、发射与接收等功能于一体，同时具有同轴 电缆和天线的双重作用的设备，特别适用于覆盖公路、铁路隧道、城市地铁等无 线信号传播受限的狭长区域。使用泄漏电缆进行覆盖，可以减小覆盖区内信号阴 影和遮挡，覆盖区内信号覆盖均匀，覆盖系统可以具有更高的可靠性。由于泄漏 电缆具有上述优点，更适合g s m r 这种对可靠性要求高的系统。其工作原理如下 图3 3 ，在隧道中的直放站是没有天线的，信号通过漏缆覆盖整个隧道。通常情况 下，b t s 和i w l 在同一位置并使用相同频率，但是b t s 只有与隧道入口相反方向 的天线。r u 2 在隧道中，他的主信号来自b t s 和r u l ，从信号来自于另外一个未 出现在图中的基站。r u 3 的主信号来自于另外一个基站，从信号来自于b t s 和 r i ，1 。 b t s 一瘴 卜 图3 3 直放站和漏缆协同工作原理图 f i g u r e3 - 3s c h e m a t i co fr e p e a t e r sw o r kt o g e 廿l e rw i n ll e a l f e e d e r s 3 2直放站应用于高速铁路弱场区覆盖的基础理论 3 2 1路径损耗 在高速铁路环境下的路径损耗研究中，通常采用两种无线电波的传播模型： 一、自由空间模型；二、h a 纽模型。由于h a t a 模型更适用于宏小区，而高速铁路 环境中小区半径一般为3 公里左右，所以本章的分析采用h a t a 路径损耗模型来进 行无线场强覆盖计算。并且，由于铁路沿线多为乡村场景，所以，在h a t a 模型中 选择h a 协酬模型。图3 - 4 是某高速铁路现场采集的场强数据和采用自由空间、 h a t a 酬、h a 纽s u b u r b a n 路径损耗模型计算出的场强数据的比较结果，通过此图 也可以看出h a ：t am l r a l 与实际情况更相符。 1 5 g 口 葛 曲 3 若 蕾 也 图3 4 三种路径损耗模型与实际测量结果的比较 f i g u r e3 - 4t h r e ep a t hl o s sm o d e l sc o m p a r ew i t l lm e a s u r e m e n t r e s u l t si i la c t u a js i t u a t i o n 所以，当基站和直放站均采用天线覆盖时，在距离他们dl 【i i l 的地方，路径损 耗可以计算为： 厶删( = 5 5 + 施1 6 l a 吐一1 3 眩崦吃一口( 吃) + ( 能9 6 5 5 崦吃) 崦d ( 3 1 ) 口( 吃) = ( 1 1 l o g z o 7 ) k 一( 1 5 6 1 0 9 z o 8 ) 气憎川= 厶砌1 ) 一4 7 8 ( 崦z ) 2 + 1 8 3 3 l 。g z 一4 0 9 4 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 其中，z ，玩和丸分别表示下行信号的频率，基站的高度和移动台的高 度。 考虑到隧道中的路径损耗，我们假设基站就在隧道的入口处，文献【1 6 】中给出 旧等 4 ， 所以，在隧道内，距离隧道入口处zk m 的地方，其路径损耗( 气删) ) 分为两部分 1 6 表示：当z z 品时，可以看做电磁波在空间传播，即公式3 3 1 6 】；当z z 肘时，路 径损耗( 气，) ) 如下m 1 ： & ，) ( 扭) = 磁( z z 脬) + ( z 一) + 乙蝴( z z 品) + k ( z ) ( 3 5 ) 其中，磁表示水平基模和垂直基模的损耗，k 表示隧道壁倾斜引起的损耗， k 。表示隧道壁粗糙引起的损耗，k 表示隧道弯曲引起的损耗。具体的表达 式可以参考 1 8 】。 关于漏缆的损耗气撑) ，假设每公里的传输损耗为厶，耦合损耗为c ，。所以d k m 漏缆的损耗可以表示为 厶_ ( 劣) = 厶木d + c - 厂 3 2 2时延差 ( 3 6 ) 无线电波在传播过程中遇到建筑物和复杂地形等，会发生反射、绕射、散射， 这不仅使信号能量发生衰减，而且电磁波还会由于阻挡产生弯曲，这就导致到达 接收点的电磁波会存在多条不同的路径，这种现象叫做多径传播。多径传播对无 线信号的解调造成较大影响。在g s m r 基站和直放站、直放站和直放站的交叉覆 盖区，同一信元经过2 个或多个发送点或接入点，明显增加了多径传播，如图3 5 所示。 图3 5 多径传播的示意图 f i g u r e3 5s c h e m a t i co fm u l t i p a t ht 例f l s m i s s i o n 多径传播给移动通信带来的影响有：( 1 ) 接收信号的传播时延扩展；( 2 ) 产生信 号强度快衰落的随机相位漂移；( 3 ) 不同路径产生的多普勒频移现象引起的随机频 1 7 率调制。最主要的表现是：产生码间干扰或导致信号的失真。 在接收端使用均衡技术能够减小多径时延的影响【1 9 1 。g s m r 系统使用的均衡 器可以是判决反馈均衡器或是通过维特比( v i t e r b i ) 算法实现的最大似然估计( m l ) 序列检测器。在多径环境下，此均衡器能够处理小于4 个码元的时延差(