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高速铁路无线信道特性研究

作　者: 逯静辉
导　师: 朱刚
学　校: 北京交通大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 高速铁路高架桥场景路堑场景路径损耗小尺度衰落统计特性
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着京广高铁的全线开通,我国投入运营的高速铁路已达9339公里,高速铁路网已初步形成。目前我国高速铁路的运行速度已经达到300km/h以上。列车的高速运行给高速铁路网的运行控制带来了许多挑战。列车控制信息的传送需要高度可靠和高度安全的移动通信系统。因此,铁路移动通信系统对于服务质量包括呼叫建立时间、端到端传输时延、越区切换时间、连接丢失概率等,提出了更高的要求。无线信道特性的研究一直在无线通信领域中扮演着重要的角色。高速铁路的传播场景与公众移动通信场景差别较大,且列车的高速移动会导致无线信道呈现快速变化特征。为此,对高速铁路典型场景进行信道测试和建模对于铁路移动通信系统的网络规划和性能改进都具有重要的意义。本论文以高速铁路场景的大量信道测试为基础,结合电波传播理论和统计分析方法,着重研究了高速铁路场景的大尺度传播特性、小尺度衰落包络特性和小尺度衰落二阶统计特性。所研究的传播场景包括高架桥场景、路堑场景以及高架桥和路堑混合场景。论文不仅给出了路径损耗指数、阴影衰落标准差、莱斯因子、电平通过率、平均衰落持续时间等信道参数,更重点分析了各种场景的结构参数对这些信道参数的影响。论文的创新性工作主要包括以下几个方面：1)研究了高速铁路典型场景的路径损耗,并分析了场景的结构参数对路径损耗的影响。对于高架桥场景,分析了高架桥高度、基站天线相对高度、周边环境对高架桥场景路径损耗的影响。结果表明,路径损耗指数随高架桥高度的增加而增大,随基站天线相对高度的增加而减小。同时,周边环境有较多散射体的高架桥会具有较大的路径损耗指数。对于路堑场景,论文新定义了边坡等效高度,用于反映整段路堑边坡高度的平均效果,并指出路径损耗指数基本符合随路堑边坡等效高度增大而减小的趋势。此外,论文还提出了路堑场景横跨桥的简化几何模型。该模型可以有效估计横跨桥造成的信号平均功率突然衰减的位置,并指出横跨桥产生的信号的突然衰减大约可达5-13dB。提出的模型可用于设计算术平均窗口、切换门限等切换参数,对于提高高速铁路移动通信系统的切换质量具有重要的意义。2)研究了高速铁路典型场景的小尺度包络分布模型,并分析了莱斯因子随距离的变化特性。论文首先引入K-S (Kolmogorov-Smirnov)拟合优度检验方法,确定了描述高速铁路场景小尺度包络分布特性的最佳分布模型,即莱斯分布和Nakagami分布。该方法比通常的画图比较方法更为快速和准确。随后针对高架桥场景,论文提出了以500m为界的分段线性回归模型,用于分析莱斯因子随距离的变化特性。针对路堑场景,提出了三段线性回归模型用于分析莱斯因子随距离的变化特性,并在此基础上分析了路堑边坡高度对莱斯因子的影响。结果发现,莱斯因子会随路堑边坡高度的减小而增大。针对高架桥和路堑混合场景,论文重点分析了莱斯因子在先高架桥后路堑场景和先路堑后高架桥场景下随距离的变化特性的异同。结果显示,先高架桥后路堑场景的莱斯因子随距离逐渐减小,而先路堑后高架桥场景的莱斯因子随距离逐渐增大。3)研究了高速铁路典型场景的小尺度衰落二阶统计特性。论文首先基于实测数据研究了电平通过率和平均衰落持续时间与列车速度的关系。结果表明,电平通过率随列车速度的增大而增大,而平均衰落持续时间随列车速度的增大而减小。论文随后将高架桥和路堑场景的实测二阶统计特性结果与常用理论模型的二阶统计特性预测结果进行了比较。结果表明,实测的电平通过率和平均衰落持续时间均与莱斯模型的预测结果最为匹配。最后,论文给出了高架桥和路堑两个场景归一化的二阶统计特性结果。该结果对于交织器和纠错码的最优设计以及马尔可夫信道模型的建立都具有重要的意义。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-8
ABSTRACT  8-13
常用略缩语  13-14
常用数学符号  14-18
1 绪论  18-38
  1.1 论文研究背景与意义  18-19
  1.2 高速铁路移动通信系统  19-22
    1.2.1 高速铁路移动通信系统的发展  19-20
    1.2.2 GSM-R概述  20-21
    1.2.3 影响GSM-R网络性能的主要因素  21-22
  1.3 高速铁路典型场景概述  22-25
    1.3.1 高架桥  22-23
    1.3.2 路堑  23-25
    1.3.3 高架桥和路堑混合  25
  1.4 无线信道特性概述  25-29
    1.4.1 电波传播特性  25-26
    1.4.2 大尺度传播特性  26-28
    1.4.3 小尺度衰落特性  28-29
  1.5 高速铁路无线信道研究现状与存在不足  29-33
    1.5.1 研究现状  29-32
    1.5.2 存在不足  32-33
  1.6 主要工作与章节安排  33-38
    1.6.1 主要工作与创新点  33-35
    1.6.2 章节安排  35-38
2 高速铁路大尺度传播特性研究  38-70
  2.1 引言  38-39
  2.2 大尺度传播特性的测试  39-45
    2.2.1 测试原理  39-41
    2.2.2 测试系统  41-42
    2.2.3 数据处理方法  42-45
  2.3 高架桥场景大尺度传播特性分析  45-55
    2.3.1 测试场景的选取  46-48
    2.3.2 与常用路径损耗模型的比较  48-50
    2.3.3 影响高架桥路径损耗的主要因素  50-54
    2.3.4 阴影衰落特性分析  54-55
  2.4 路堑场景大尺度传播特性分析  55-65
    2.4.1 测试场景的选取  56
    2.4.2 影响路堑路径损耗的主要因素  56-63
    2.4.3 阴影衰落特性分析  63-65
  2.5 高架桥和路堑混合场景大尺度传播特性分析  65-67
    2.5.1 测试场景的选取  65
    2.5.2 测试结果分析  65-67
  2.6 本章小结  67-70
3 高速铁路小尺度衰落包络特性研究  70-96
  3.1 引言  70-71
  3.2 小尺度包络分布模型分析  71-77
    3.2.1 包络分布模型的参数估计方法  71-73
    3.2.2 K-S检验  73-74
    3.2.3 数据处理方法  74-75
    3.2.4 分布模型检验结果分析  75-77
  3.3 莱斯因子随距离的变化特性  77-87
    3.3.1 高架桥场景  78-80
    3.3.2 路堑场景  80-86
    3.3.3 高架桥和路堑混合场景  86-87
  3.4 莱斯因子的统计分布特性  87-93
    3.4.1 高架桥场景  88-90
    3.4.2 路堑场景  90-91
    3.4.3 高架桥场景和路堑场景比较  91-92
    3.4.4 高架桥和路堑混合场景  92-93
  3.5 本章小结  93-96
4 高速铁路小尺度衰落二阶统计特性研究  96-114
  4.1 引言  96-97
  4.2 理论模型的二阶统计特性公式  97-99
    4.2.1 莱斯衰落模型  98
    4.2.2 瑞利衰落模型  98-99
    4.2.3 Nakagami衰落模型  99
  4.3 二阶统计特性与速度的关系分析  99-105
    4.3.1 数据处理方法  100-102
    4.3.2 电平通过率与速度的关系  102-103
    4.3.3 平均衰落持续时间与速度的关系  103-105
  4.4 典型场景的二阶统计特性分析  105-111
    4.4.1 高架桥场景  105-108
    4.4.2 路堑场景  108-110
    4.4.3 高架桥场景和路堑场景比较  110-111
  4.5 本章小结  111-114
5 总结与展望  114-118
  5.1 论文工作总结  114-116
  5.2 下一步研究的展望  116-118
参考文献  118-126
作者简历  126-128
攻读博士学位期间发表的学术论文  128-129
攻读博士学位期间参与的科研项目  129-131
学位论文数据集  131

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