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高速铁路无线宽带信道测量、数据分析与建模研究

赵敏  
【摘要】:全球高速铁路运输事业的蓬勃发展,为高速移动环境下的无线通信系统带来了新的机遇和挑战。基于TD-LTE的高铁通信系统能够实现实时、灵活、快速的无线接入,以及高速率、大容量、广覆盖的车-地通信,不仅能够为乘客带来良好的旅途体验,也为实现更稳定、可靠的宽带列车控制系统带来了新的契机。 实现TD-LTE高铁通信系统的基础是合理而可靠的信道模型,信道模型的数据需要通过实际环境测量得到。从保障安全的角度,相关部门严格控制铁路沿线测试信号的收发。测量需要协调铁路部门、高铁列车、地面基站、收发设备和人员,整个过程将消耗大量的时间和人力。由于上述条件的限制,目前针对高铁宽带信道模型的研究成果较少。 本文依托2011年国家科技重大专项项目课题(项目名称:LTE及LTE-Advanced研发和产业化;课题名称:基于TD-LTE的高速铁路宽带通信的关键技术研究与应用验证),针对高铁TD-LTE系统进行了2.6GHz频点、最大20MHz带宽的信道测量,实现了高频、高移动性的宽带信道研究、分析与建模,取得了一些研究成果。本课题的研究按照“搭建测量系统-优化数据处理算法-建立信道模型”的次序进行,各部分工作都按照“研究已有基础-分析存在问题-提出优化方案-仿真并验证结果-实际测量分析”的思路展开。论文的主要内容及创新成果如下: 第一章概述了项目的研究背景、意义和必要性;本章重点总结了高速铁路通信环境的特点,这些与传统蜂窝通信环境的差异决定了其信道的特殊性;分析了国内外研究现状,说明研究的必要性;最后介绍了本文的章节安排。 第二章从衰落的不同尺度介绍了无线信道的特性;并通过“时域-频域-空域”三个维度对无线信道的传播特性参数进行了分析;最后结合高铁场景的特点,介绍了高速移动环境下无线信道的特殊性,为后续章节的信道测量以及信道衰落特性分析奠定了研究基础。 第三章提出了一种应用于高铁场景的信道测量方案和测量系统。测量方案需要支持“高铁场景”和"TD-LTE系统”,系统在测量带宽、最大时延扩展、多普勒频偏、中频采样速率、存储速度和系统覆盖范围等方面均具有较高的要求。本文从信号抓取方式、频偏信息的获取方式、测量序列的选择等多个方面优化了现有方案,并完成了系统的搭建和调试,解决了设备控制、触发和多倍率采样等问题,最终通过仿真和实际测量表明系统性能良好,具有较高的测量效率。 第四章提出大尺度衰落数据处理算法,以降低数据在测量过程中受到的噪声、干扰、偶然误差等因素的影响,提高数据提取和拟合的准确性。本章首先完成了算法中数据预处理、小波去噪、幅度修正模块的编写和仿真验证;之后基于实测,对室内、外不同环境的普通信道和近地信道的测量结果进行了对比分析,结果不仅验证了算法的良好性能,也为近地信道的研究提供了路径损耗的计算依据。 第五章进行小尺度衰落数据处理和参数分析。本章不仅完成了各参数处理算法的实现和仿真,还针对传统多径分离算法存在的问题,提出了一种基于信道分布特性的多径分离算法,旨在解决传统算法虚警和漏检概率较高,错误概率较大的问题。通过对不同信噪比和迭代次数下算法的性能仿真,验证了算法的拟合精度和收敛速度,结果表明该迭代算法可以快速逼近信道分布特性,保证其在实际测量中的应用效果。 第六章针对高速铁路环境实测的大量数据,按照城区、高架桥、山地、开阔地四种场景进行数据分析,提取信道的路径损耗因子、阴影衰落标准差、多径数目、时延变化以及多普勒频偏等关键参数;通过大尺度信道参数处理得到四种场景的路径损耗模型;通过小尺度信道参数的处理得到抽头延迟线模型;基于理论分析以及与经典模型的比较,说明了数据结论的合理性;相比已有模型,本文的结果更贴近实际信道的变化,能够为系统的规划与设计提供参考。 第七章对全文的工作进行总结,说明后续的研究方向。


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