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基于多天线技术的高速铁路无线通信系统切换方法研究

基于多天线技术的高速铁路无线通信系统切换方法研究

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作者：宋文涛兰州交通大学

学位级别：硕士

随着高速铁路和大众无线通信系统的快速发展,虽然LTE-R在系统容量、传输速率及延迟等方面有了一定程度的改善,但依旧无法满足未来铁路通信系统的需求。因此,将5G关键技术与铁路领域深度融合,成为了铁路无线通信系统的研究热点。越区切... 详细信息

随着高速铁路和大众无线通信系统的快速发展,虽然LTE-R在系统容量、传输速率及延迟等方面有了一定程度的改善,但依旧无法满足未来铁路通信系统的需求。因此,将5G关键技术与铁路领域深度融合,成为了铁路无线通信系统的研究热点。越区切换技术保证移动终端的不间断通信,而铁路沿线的基站部署作为越区切换的基础,合理的基站部署不仅提升通信系统的信道容量,而且还简化越区切换方法,提升切换性能指标。对此,本文利用多天线技术构建了适用于高速铁路场景的分布式天线系统(Distributed antenna systems,DAS)和C/U(Control/User)平面分离异构网络作为地面网络架构,并利用移动中继技术构建车载网络架构,并对其越区切换方法进行了研究。在DAS中,对于同一CU控制下的RAU之间的切换,本文提出了一种结合移动频率概念(Moving frequency concept,MFC)和频率选择算法(Frequency switching algorithm,FSW)的MFC/FSW算法。利用FSW触发MFC,在保持移动中继工作频率不变,而改变RAU的频率,从而消除了切换的发生,并定义了校正因子降低速度对成功率的影响。对于不同CU控制下的RAU之间的切换,提出了一种快速触发切换方案。通过提前触发切换准备阶段,以及在切换请求和接入目标RAU的指令发送失败时,通过在重叠区多次重传减小切换过程中的失败概率,从而提升DAS的服务质量。在C/U平面分离异构网络中,将C面信息和U信息分离到不同频段在不同的小区传输。在宏小区间的重叠区引入辅助微基站,并在此基础上提出了一种分离交错切换方案。首先将传统异构架构下的切换分离为宏小区间和微小区间的两种相对独立的切换,同时在执行一种切换时,交错着另一个平面的连接。其次,在小小区的切换方案中,与DAS中不同CU控制下的RAU之间的切换算法类似,通过提前触发和多次重传来缩短切换时间和提高切换成功率。在宏小区间的切换方法与LTE-R的相同,但是由于与用户平面的连接,使得切换过程得到较大简化。最后,通过Matlab仿真平台,将两种架构下的切换方案与传统切换方案的仿真结果对比分析。在DAS中,MFC/FSW算法能够消除同一CU控制下的RAU之间的切换,校正因子有效地缓解了速度变化对算法成功率的影响。所提出的快速触发切换方法,显著地提高重叠区内的切换触发概率,确保在切换范围内以更低的失败概率完成切换,并提供可靠的通信服务。而新型C/U平面分离异构网络有效的简化了越区切换的复杂度,所提出的分离交错切换方案提高了小小区间的切换触发概率和成功率及各平面的信道容量,减小了切换累计时间消耗,从而提高了整个通信系统的性能。

关键词：高速铁路无线通信系统越区切换分布式天线系统 C/U平面分离异构网络

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高速移动场景下分布式MIMO系统的信道建模及性能仿真

高速移动场景下分布式MIMO系统的信道建模及性能仿真

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作者：董冠军南京邮电大学

学位级别：硕士

为了满足人们对高速移动场景下更高速率和更好的使用体验的需求,确保用户在高铁上也能使用上与日常低速运动时高速率的稳定传输服务,第五代移动通信系统(5th Generation Mobile Communication System,5G)在高铁上的应用必须能达到系统... 详细信息

为了满足人们对高速移动场景下更高速率和更好的使用体验的需求,确保用户在高铁上也能使用上与日常低速运动时高速率的稳定传输服务,第五代移动通信系统(5th Generation Mobile Communication System,5G)在高铁上的应用必须能达到系统速率和功率效率等目标。分布式多输入多输出(MIMO)系统继承了MIMO技术的长处还获得分布式天线技术的优势,通过在小区中密集部署分布式天线,不仅可以改善无线网络覆盖的边缘问题,还明显提高了频谱资源利用率。本文基于这样的背景,对相关的系统进行了建模和性能分析。首先,本文阐述了主要的研究背景,介绍了国内外相关的研究现状,接着对研究涉及到的技术知识进行了简单的描述。其次,考虑到高铁中的边缘效应明显和系统容量较差的问题,基于分布式MIMO系统为高速铁路无线通信设计了一种双边分布式MIMO系统架构。该架构中不仅基站端天线采用分布式的拓扑结构,在列车端也采用分布式的拓扑结构,并把高速铁路通信分为“两跳式”链路:第一跳链路为基站与列车上天线的无线通信链路,第二跳链路为列车内天线与用户之间的无线通信链路,接着基于该架构我们建立了相应的信道模型。然后本文基于所设计的双边分布式MIMO系统对信道容量进行了详细的分析,结果表明,所设计的双边分布式MIMO系统在高速铁路中有着更高的系统容量与更好的覆盖效果。最后,本文对当系统中有大规模天线时的分布式结构中存在的导频污染问题,给出了一种改进的K均值聚类方法,结合Kuhn-Munkras最优匹配算法设计了一种均匀导频分配方案,仿真结果表明给出的分配方案在高铁沿线不同的基站设置情况下与随机导频分配相比均有着较为明显的优势。

关键词：分布式MIMO系统高速铁路无线通信系统信道建模导频污染导频分配

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