高速铁路环境下MIMO-STBC技术的研究

【摘要】：GSM-R技术已广泛应用于我国高速铁路线路上,但随着铁路各项业务的增加,GSM-R作为窄带通信系统难以满足更多的列车通信信息服务,因此国际铁路联盟提出了高速铁路通信将采用铁路宽带移动通信系统(LTE-R)技术发展战略。LTE-R系统在网络架构、频点规划、网络吞吐量以及业务拓展等能力上都大大超越了 GSM-R系统,而MIMO技术作为LTE-R系统中的关键技术,可以利用多天线设计提升数据的传输能力,通过空间复用技术和空间分集技术为系统提供复用增益和分集增益。鉴于MIMO技术能够有效提高系统的信道容量与可靠性,本文尝试将MIMO技术引入高速铁路环境中,重点对STBC的编译码设计和误码性能进行研究,为高速铁路环境下MIMO技术的设计及参数配置提供了参考依据,具有很强的的现实意义。本文研究工作主要包括以下几个方面:(1)在调研国内外MIMO技术和空时编码技术发展历程、总结MIMO技术在铁路通信领域的研究基础之上,分析了无线信道特征与高速铁路环境下信道的传输特性,对Okumura-Hata模型、COST-207模型、WINNER Ⅱ模型三种常用的高速铁路信道模型进行对比,并重点研究了WINNERⅡ信道模型及其建模方法。(2)通过对高速铁路环境下MIMO系统模型的研究,推导出发射信号和接收信号之间的关系,在此基础上重点分析了 MIMO系统的信道容量,对不同天线设计的系统进行信道容量仿真,针对最大比合并、等增益合并、选择合并三种分集合并技术,通过仿真对比选出性能最好的方案。(3)对D2a场景下的STBC编译码方案进行了深入研究,由于STBC的设计主要针对于发射端,因此在接收端选择性能更优的最大比合并作为MIMO系统的接收分集,从而提升了 STBC的误码性能,使得MIMO系统在降低了接收复杂度的同时又能够获得更多的分集增益。(4)以WINNER D2a信道作为高速铁路信道模拟器,对STBC在不同参数条件下的误码性能进行测试,并通过带通滤波器生成宽带和窄带干扰信号,测试了 STBC的抗干扰性能。从测试结果可知,采用STBC技术的MIMO系统可利用发射分集和接收分集来提供可靠高效的数据传输,对高速列车的变速运行有较强的适应性,能够有效对抗多径效应引起的深度衰落。