畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）高速環(huán)境下的無線信號(hào)覆蓋問題

1、 高速環(huán)境下的無線信號(hào)覆蓋問題摘 要：在高速鐵路環(huán)境下, 無線信道的性能發(fā)生急劇的變化。針對(duì)高速環(huán)境下電波傳播的特點(diǎn),闡述了高速鐵路中無線信道的特點(diǎn)并對(duì)無線信道進(jìn)行了建模, 分析了高速鐵路中多普勒頻移的特性及對(duì)誤碼率的影響, 討論了隧道傳播環(huán)境, 最后對(duì)無線傳輸?shù)目煽啃赃M(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞： 高速鐵路 ； 無線信道 ； 多普勒頻移 ； 隧道 ； 可靠性the research of wireless coverage on high-speed environmentabstract: under the environment of high speed railway, the perfor

2、mance o f w ireless channel would change dramatically . as for the characteristics of the propagation of radio wave, this paper proposed a model o f w ireless channel in high speed railway，analyzed the characteristics and effects of doppler shift on ber, discussed the propagation environment in tunn

3、el, and finally analyzed the reliability of wireless data transmission.key words: high speed railway ; wireless channel ; doppler shift tunnel ; reliability目 錄一 引言11.1 選題意義及背景11.2本文研究內(nèi)容2二 高速運(yùn)動(dòng)存在的問題42.1 高速移動(dòng)下的多普勒頻移52.2 信道的快速變化問題92.3 高速移動(dòng)下的重選和切換9三 高速環(huán)境下無線覆蓋解決方案整體思路113.1 多普勒頻移解決方案123.2 基于 matlab 軟件仿真多普

4、勒頻移對(duì)信號(hào)的影響153.3時(shí)變信道解決方案193.4 重選和切換解決方案203.5 專網(wǎng)解決方案21四 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化的解決方案和建議214.1 無線傳輸可靠性分析214.2 調(diào)整gsm基站原有網(wǎng)絡(luò)覆蓋224.3 無線參數(shù)調(diào)整224.4 增加新的網(wǎng)絡(luò)功能244.5 結(jié)束語25五 總結(jié)與展望26致 謝28一 引言1.1 選題意義及背景隨著我國科技不斷發(fā)展壯大的今天，無線通信已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚慕涣鞣绞街唬辉絹碓蕉嗟娜藗円呀?jīng)將手機(jī)交流，無線網(wǎng)絡(luò)交流融入到自己的日常生活中。同時(shí)，伴隨著我國綜合國力的提高，高速公路、鐵路已基本覆蓋全部國境，高鐵技術(shù)也逐漸成熟，為人們出行帶來了諸多方便。人

5、們?cè)谙硎芨哞F提速所帶來的出行便利的同時(shí)，卻始終被高速環(huán)境下無線信號(hào)衰減的問題所困惱，使得在乘車時(shí)，高速行駛時(shí)，無法進(jìn)行流暢的無線信道交流。這究竟是事出何因呢？高速公路、鐵路隧道無線覆蓋是實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)無縫覆蓋的一個(gè)重要組成部分,是運(yùn)營商提高綜合競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)有力手段,在我國,鐵路、公路隧道占比非常高,特別是途經(jīng)山區(qū)地段,占比更高, 高速環(huán)境下的無線信號(hào)覆蓋問題已越來越受到國際上的關(guān)注與重視。2007年全國鐵路第六次大提速后，我國高鐵時(shí)速已從以往的120km/h以下迅猛提升到250kmh以上，部分地區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了鐵路覆蓋區(qū)域掉話率大幅度上升及話音質(zhì)量嚴(yán)重下降現(xiàn)象，極大地影響了中國移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和

6、業(yè)務(wù)質(zhì)量。我國近年來對(duì)火車的6次全面提速見表1-1速度的提升對(duì)無線信號(hào)傳輸?shù)挠绊懸妶D1-2表1-21.2本文研究內(nèi)容高速鐵路和高速公路的開通和應(yīng)用,使未來移動(dòng)通信系統(tǒng)面臨高速移動(dòng)環(huán)境。在高速移動(dòng)環(huán)境下，無線通信系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大的多普勒頻移，信道會(huì)發(fā)生快速變化，這些變化會(huì)嚴(yán)重地降低移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能。移動(dòng)速度在120km/h以內(nèi)，基本上可以達(dá)到性能指標(biāo)要求。但隨著速度的進(jìn)一步增加，高碼率和高階調(diào)制組合的高速率傳輸方案逐漸達(dá)不到性能指標(biāo)要求，且存在差錯(cuò)基底（error floor）。同低速移動(dòng)通信系統(tǒng)相比,在高速移動(dòng)環(huán)境下，影響移動(dòng)通信系統(tǒng)傳輸性能的主要因素有兩個(gè):1.由于多普勒頻移引入的時(shí)變載波頻率

7、偏移,載波頻率偏移使采用多載波技術(shù)體制的上下行鏈路符號(hào)內(nèi)產(chǎn)生子載波間干擾(ici)和用戶間產(chǎn)生多用戶間干擾(mai),降低系統(tǒng)性能。 2.信道的快速變化，對(duì)于多載波技術(shù)傳輸體制ofdma和sc-fdma而言，快速變化的信道是多載波符號(hào)內(nèi)部產(chǎn)生子載波間干擾，不同的多載波符號(hào)間產(chǎn)生時(shí)間選擇性衰落。由于插入導(dǎo)頻密度的限制，快速變化的信道還使信道估計(jì)性能性能惡化，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的性能。二 高速運(yùn)動(dòng)存在的問題1.高速環(huán)境下無線信號(hào)質(zhì)量問題原因分析 1.1 高速鐵路環(huán)境下無線信道的特點(diǎn)(1) 無線覆蓋范圍是沿鐵軌的線覆蓋而不是面覆蓋。在高速環(huán)境下，無線網(wǎng)絡(luò)沿著鐵路線狀覆蓋的特性使得同頻小區(qū)數(shù)目減少，減輕

8、了同信道間的干擾,，并且可以根據(jù)列車的運(yùn)行速度和運(yùn)行方向,，判定列車將到達(dá)的下一個(gè)小區(qū)及到達(dá)時(shí)間,。這對(duì)于高速環(huán)境下實(shí)施越區(qū)切換是十分有利的。(2) 絕大多數(shù)情況下，基站在運(yùn)行列車的正前方、正后方很小的角度范圍內(nèi)，因此多普勒頻移應(yīng)根據(jù)最大多普勒頻移來計(jì)算。(3) 鐵路沿線地形起伏較小，接收信號(hào)中直射波占主導(dǎo)地位, 并伴隨有視距傳播的ricean 衰落成分, 傳輸時(shí)延很小。(4) 隧道有明顯的波導(dǎo)作用，不造成附加的傳播延遲，有較低的傳播損耗。路塹及線路旁的類似結(jié)構(gòu)具有和隧道相似的特性。(5) 車臺(tái)移動(dòng)引入多普勒頻移，當(dāng)列車速度為500km/h，載頻為900mhz 時(shí)，最大多普勒頻移fd，max=

9、v=417hz(其中， fd，max 為最大多普勒頻移，v 為列車速度， 為入射波波長) ，這將影響系統(tǒng)信息傳輸?shù)恼`碼率、突發(fā)幀錯(cuò)誤平均長度, 同時(shí)也增加了采用相關(guān)解調(diào)方式時(shí)準(zhǔn)確提取載波頻率的難度。基于上述無線信號(hào)特點(diǎn)，移動(dòng)速度的提高對(duì)于無線網(wǎng)絡(luò)而言存在的影響可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析： （1）速度的提高帶來的多普勒頻移和高頻次深衰落，對(duì)無線接收機(jī)靈敏度的影響。（2）速度的提高對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)同步可能的影響。（3）速度的提高對(duì)原有無線網(wǎng)絡(luò)切換、重選的影響。（4）速度的提高對(duì)終端性能的影響。此外，除了移動(dòng)速度的提高，由于實(shí)際案例中，涉及高鐵，高速公路的一些硬件條件和客觀因素，也會(huì)對(duì)無線信號(hào)的覆蓋產(chǎn)生一

10、定的影響。下面將以生活中常見的高鐵的無線信號(hào)覆蓋問題為例做具體分析。2.1 高速移動(dòng)下的多普勒頻移多普勒頻移當(dāng)終端在運(yùn)動(dòng)中通信時(shí), 特別是在高速情況下, 終端和基站接收的信號(hào)頻率會(huì)發(fā)生變化, 稱為多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)所引起的頻移稱為多普勒頻移(doppler shift) , 其計(jì)算公式如式(1) 所示: fd = f / c * v * cos (1)其中:為終端移動(dòng)方向和信號(hào)傳播方向的角度;v是終端運(yùn)動(dòng)速度;c為電磁波傳播速度;f為載波頻率。從公式(1) 可以看出, 用戶移動(dòng)方向和電磁波傳播的方向相同時(shí), 即= 0, 多普勒頻移最大。圖1展示了多普勒頻移對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的影響, 其中fo是

11、中心頻率, fd為多普勒頻移。圖1多普勒頻移表1為典型情況下的最大多普勒頻移(假設(shè)用戶移動(dòng)方向和電磁波傳播的方向相同) 。表1典型情況下的最大多普勒頻移速度( km /h)速度(m / s)f0 (hz) 對(duì)f0 900mf0 (hz) 對(duì)f0 1800m20055.6166.7333.330083.3255.0500.0400111.1333.3666.7高速環(huán)境下的無線信道特征基本上可以看作是一個(gè)較大的多普勒頻率偏移加上很小的頻率色散。其中較大的多普勒頻率偏移是由高速列車相對(duì)基站收發(fā)信機(jī)的高速運(yùn)動(dòng)形成；而很小的頻率色散是由用戶相對(duì)于車內(nèi)反射散射體的低速運(yùn)動(dòng)形成。另外，高速鐵路場(chǎng)景的基站側(cè)角

12、度擴(kuò)展較小，且時(shí)延擴(kuò)展較小，有利于發(fā)揮智能天線波束賦形增益。2.1.高速多普勒頻移對(duì)無線接收靈敏度的影響2.1.1.高速環(huán)境頻偏模型介紹 基站布站方式，和初始條件如圖1-1，多普勒頻移的變化由下式給出 1-1高速鐵路布站示意圖1.1.2.對(duì)gsm接收機(jī)靈敏度帶來的影響1.1.2.1.高鐵頻偏對(duì)rach解調(diào)性能的影響按照協(xié)議要求，rach參考靈敏度性能在-104dbm的時(shí)候，高鐵頻偏對(duì)rach解調(diào)性能的影響如下圖：圖1-2高速頻偏帶來的系統(tǒng)性能損失曲線(900mhz/1800mhz)1.1.2.2.高鐵頻偏對(duì)tch/fs解調(diào)性能的影響按照協(xié)議要求，tcs/fs的解調(diào)靈敏度是在-104dbm的時(shí)候

13、，高鐵頻偏對(duì)rach解調(diào)性能的影響如下圖： 圖13高速頻偏帶來的系統(tǒng)性能損失曲線(900/1800mhz)綜上所述，由圖1-2和圖1-3可知隨著速度的提高，在保證一定fer系統(tǒng)性能的損失也隨之加大。我們從公式(1)可以看出1800m所產(chǎn)生的頻偏是900m所產(chǎn)生頻偏的兩倍，我們對(duì)應(yīng)1-2和1-3圖可知，1800m，250km/h所產(chǎn)生的系統(tǒng)性能損失，相當(dāng)于900m，500km/h所產(chǎn)生的系統(tǒng)性能損失，所以我們建議鐵路沿線使用900m網(wǎng)絡(luò)覆蓋。在250km/h速度下，對(duì)于gsm900mhz無論rach或者tch信道而言，對(duì)eb/no的要求與低速度下的要求變化不大，對(duì)系統(tǒng)性能損失不大。但當(dāng)移動(dòng)速度超

14、過250km/h后，eb/no的惡化成非線性惡化趨勢(shì)，gsm接收機(jī)靈敏度的急劇下降，系統(tǒng)性能的損失量將迅速增大，會(huì)對(duì)gsm網(wǎng)絡(luò)覆蓋及業(yè)務(wù)質(zhì)量帶來相當(dāng)大的影響。1.2.速度提高對(duì)gsm網(wǎng)絡(luò)同步性能的影響高速運(yùn)動(dòng)情況下保持基站和移動(dòng)臺(tái)之間的同步問題，主要體現(xiàn)在gsm時(shí)間提前量（ta）這個(gè)參數(shù)的解碼能力上。ta的信息由網(wǎng)絡(luò)通過sacch消息發(fā)給ms，其發(fā)送的頻率為每480ms一次。在協(xié)議ts45.010 v6.6.0的5.6.1節(jié)規(guī)定：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)ms的ta改變超過一個(gè)碼元時(shí)（3.7 ），下方信令讓ms的ta調(diào)整一個(gè)碼元。也就是說gsm系統(tǒng)ta的最快的調(diào)整為每480ms調(diào)整一個(gè)碼元，可以推導(dǎo)出其可支持

15、的最大速率為：3.7 300000000/2/480ms3600=4162km/h。故在高速下目前ta機(jī)制完全能夠支持到250km/h。2.2 信道的快速變化問題信道的快速變化，對(duì)于多載波技術(shù)傳輸體制ofdma和sc-fdma而言，快速變化的信道是多載波符號(hào)內(nèi)部產(chǎn)生子載波間干擾，不同的多載波符號(hào)間產(chǎn)生時(shí)間選擇性衰落。由于插入導(dǎo)頻密度的限制，快速變化的信道還使信道估計(jì)性能性能惡化，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的性能?？焖僮兓男诺缹?duì)于多載波體制的通信系統(tǒng)的影響可以分為三個(gè)方面：（1）符號(hào)內(nèi)部產(chǎn)生子載波間干擾，（2）符號(hào)間選擇性衰落，（3）惡化信道估計(jì)性能。2.2.1符號(hào)內(nèi)部產(chǎn)生子載波間干擾 （1）快速變化影

16、響了信道估計(jì)的性能，信道估計(jì)需要充分考慮快速變化的影響，在既定的導(dǎo)頻密度上，從提高導(dǎo)頻信道估計(jì)精度和提高內(nèi)插或擬合精度等角度提高快速變換信道的估計(jì)精度。2.2.2符號(hào)間選擇性衰落（2）信道變化時(shí)間選擇性衰落，需要從發(fā)射分集、接收分集、基于預(yù)編碼的多普勒分集等方面，克服時(shí)間選擇性衰落的影響，尤其是對(duì)高階調(diào)制下的影響。2.2.3信道估計(jì)性能的惡化（3）信道變化在一個(gè)多載波符號(hào)中引入子載波干擾，需要從干擾抵消、循環(huán)延遲分集、過采樣分集等多個(gè)方面研究提高系統(tǒng)在高階調(diào)制時(shí)的性能。 2.3 高速移動(dòng)下的重選和切換移動(dòng)通信系統(tǒng)隨時(shí)對(duì)無線信道資源進(jìn)行測(cè)量、評(píng)估、判決、執(zhí)行等, 并需要?dú)v經(jīng)一定的時(shí)間, 從而完成

17、如切換、呼叫等一些功能。隨著高速移動(dòng), 那么一項(xiàng)流程如切換、呼叫等從發(fā)起到完成, 無線環(huán)境往往會(huì)發(fā)生很大的變化, 此時(shí)有多種因素會(huì)產(chǎn)生影響。高速移動(dòng)時(shí)，ue最佳的服務(wù)小區(qū)變化較快，小區(qū)選擇與重選，切換發(fā)生的頻率明顯加快，如果按照普通場(chǎng)景的小區(qū)選擇與重選，切換參數(shù)默認(rèn)配置，則容易導(dǎo)致小區(qū)重選，切換不及時(shí)，導(dǎo)致重選失敗或切換掉話等現(xiàn)象。2.3.1.對(duì)切換的影響 gsm話音在通話過程中經(jīng)過不同小區(qū)時(shí)，要進(jìn)行話音切換。切換過程前后的信號(hào)檢測(cè)時(shí)間、測(cè)量值平均時(shí)間、切換執(zhí)行時(shí)間等都必須考慮。根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，在覆蓋良好、鄰小區(qū)關(guān)系明確、相關(guān)切換參數(shù)優(yōu)化的情況下，gsm通話狀態(tài)下在一個(gè)小區(qū)內(nèi)從啟動(dòng)切換測(cè)量到

18、切換完成所需的時(shí)間為2.5s3.5s左右。如果希望在自由空間傳播條件下重疊區(qū)域的設(shè)置能夠確保切換成功，系統(tǒng)應(yīng)該允許第一次切換失敗后，有充足的時(shí)間嘗試第二次切換，因此可以考慮1倍的余量因素，切換所需時(shí)間可以考慮78秒左右。高速移動(dòng)時(shí)，在相同的切換時(shí)延情況下，由于速度的提高，必然會(huì)導(dǎo)致切換帶的增大。按照目前最大250km/h的車速，其切換帶所需大小為：250km/h 8s/3.6 = 556m ，建議取值560m；如果今后高速鐵路車速提高到350km/h，其切換帶所需大小為：350km/h 8s/3.6 = 777m ，建議取值800m。2.3.2.對(duì)小區(qū)重選的影響gprs數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在通過不同小區(qū)時(shí)

19、，是經(jīng)過小區(qū)重選機(jī)制進(jìn)行的。假設(shè)在覆蓋良好、鄰小區(qū)關(guān)系明確、相關(guān)參數(shù)優(yōu)化的情況下，gprs在數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)下要進(jìn)行重選必須滿足重選質(zhì)量門限5s以上，加上本身重選時(shí)間2s3s，總共需要時(shí)間在8s以上。 高速移動(dòng)時(shí)，按照目前最大車速250km/h，gprs小區(qū)重選重疊覆蓋范圍應(yīng)該為： 250km/h 8s/3.6 =556 m 考慮一倍的優(yōu)化余量因素，建議取值1.1km；當(dāng)高鐵速度提高到350km/h ， gprs小區(qū)重選重疊覆蓋范圍為：350km/h 8s/3.6 =777 m 考慮一倍的優(yōu)化余量因素，建議取值大于1.56km； 在我們實(shí)際工程建設(shè)中，小區(qū)之間的重疊區(qū)域設(shè)置應(yīng)根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的具體情況

20、進(jìn)行設(shè)定，并兼顧考慮gsm切換區(qū)域和gprs小區(qū)重選區(qū)域的折中。在保證切換成功率的基礎(chǔ)上，可以大大減小重疊區(qū)域。2.4.高速移動(dòng)對(duì)終端的影響分析 由于ms是通過fcch來保持和bts頻率一致，同時(shí)，ms接收信號(hào)的頻偏只有bts接收信號(hào)頻偏的1/2，因此，高鐵帶來的大頻偏對(duì)ms的影響很小。通過采用在發(fā)射端（基站bts的晶振）預(yù)置一定的頻率偏移的方法來模擬高速移動(dòng)的環(huán)境，測(cè)試不同手機(jī)對(duì)頻率偏移量的敏感程度。測(cè)試結(jié)果表明大部分手機(jī)能夠正確解碼鄰小區(qū)bcch所能承受的移動(dòng)時(shí)速為360480公里。由此可知，目前終端可以承受高鐵提速帶來的頻率偏移量，暫不需要提出針對(duì)終端優(yōu)化的解決方案。三 高速環(huán)境下無線覆

21、蓋解決方案整體思路在高速移動(dòng)環(huán)境下，要進(jìn)一步提高移動(dòng)通信系統(tǒng)傳輸性能需要解決的主要問題有： （1）下行多普勒頻移引入的時(shí)變載波頻率偏移的估計(jì)、跟蹤與校正；上行多用戶時(shí)變載波頻率偏移的估計(jì)、跟蹤與校正； （2）上下行鏈路快速時(shí)變信道的精確估計(jì)問題（不改變導(dǎo)頻插入格式），是系統(tǒng)進(jìn)行均衡、干擾抵消和分集處理的基礎(chǔ)。（3）上下行鏈路多載波符號(hào)內(nèi)部子載波干擾消除問題；（4）克服符號(hào)間信道變化引起的時(shí)間選擇性衰落問題；3.1 多普勒頻移解決方案為了克服多普勒頻移的影響，我們將抗多普勒頻移分成：時(shí)變頻偏估計(jì)、跟蹤與補(bǔ)償三個(gè)階段。 多普勒頻移引入時(shí)變頻偏估計(jì)的方案有兩種；第一種是上下行鏈路利用接收信號(hào)的特征進(jìn)

22、行估計(jì)；在移動(dòng)速度達(dá)到350km/h時(shí)，在一個(gè)時(shí)隙或子幀內(nèi)，列車移動(dòng)距離大約在0.050.1m，時(shí)變的頻偏可以近似為不變，通常以時(shí)隙或子幀為單位進(jìn)行時(shí)變頻偏估計(jì)；第二種是利用列車傳感器給出的速度和相對(duì)于基站的位置信息，實(shí)時(shí)計(jì)算出由于移動(dòng)引入的多普勒頻移。多普勒頻移引入時(shí)變頻偏跟蹤是在估計(jì)的方案基礎(chǔ)上，列車在小區(qū)內(nèi)運(yùn)行時(shí)，可通常采用ar模型或卡爾曼濾波等方法進(jìn)行時(shí)變頻偏的跟蹤。 多普勒頻移引入時(shí)變頻偏補(bǔ)償?shù)姆桨赣袃煞N，一種是上下行鏈路分別補(bǔ)償；第二種是預(yù)補(bǔ)償，利用上行鏈路估計(jì)結(jié)果，對(duì)下行鏈路進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償。3.1.1多普勒頻移引入時(shí)變頻偏估計(jì)多普勒頻移引入時(shí)變頻偏估計(jì)中，我們研究了第一種利用接收信號(hào)

23、的特征的估計(jì)方案。頻偏在上行和下行鏈路中都使接收信號(hào)產(chǎn)生時(shí)變的相移。多普勒頻移引入時(shí)變頻偏的特性類似系統(tǒng)存在的剩余載波頻率偏移，通過估計(jì)相移得到頻偏?？梢允褂玫乃惴ㄓ谢赾p的估計(jì)方法、導(dǎo)頻輔助的估計(jì)方法（pta）、判決數(shù)據(jù)輔助的估計(jì)方法（dd）。 在用戶從一個(gè)小區(qū)軟切換到另外一個(gè)小區(qū)時(shí)，由于兩個(gè)小區(qū)給用戶發(fā)相同的數(shù)據(jù)，兩個(gè)小區(qū)的多普勒頻移符號(hào)相反，這些方法的估計(jì)性能惡化。 在這種情況下，需要采用同步信道數(shù)據(jù)進(jìn)行多普勒頻移引入時(shí)變頻偏估計(jì)。 采用同步信道數(shù)據(jù)互相關(guān)處理進(jìn)行多普勒頻移引入時(shí)變頻偏估計(jì) 由于多個(gè)用戶信號(hào)的混合，在多普勒頻移引入時(shí)變頻偏估計(jì)中，需要對(duì)各個(gè)用戶信號(hào)進(jìn)行分離。分離可采用時(shí)

24、域或頻域?yàn)V波的方法。影響上行鏈路多普勒頻移引入時(shí)變頻偏估計(jì)性能主要因素是多用戶干擾，使系統(tǒng)性能產(chǎn)生差錯(cuò)基底。要消除差錯(cuò)基底需要開展多用戶信號(hào)分離和用戶間干擾抵消方法的研究。 上行鏈路多普勒引入時(shí)變頻偏估計(jì)與下行鏈路不同，在切換時(shí)不存在下行鏈路的狀況。 對(duì)于一個(gè)基站覆蓋的小區(qū)范圍內(nèi)，不同位置處的多普勒頻移是不同的實(shí)例分析如下： 假設(shè)火車距離基站的最初距離為500m，基站離鐵軌的最近距離為50m，火車移動(dòng)速度為350km/h 。在一個(gè)基站小區(qū)范圍內(nèi)由多普勒引起的頻移是不斷變化的，且在一個(gè)小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)估計(jì)得到的頻偏值在實(shí)際頻移值周圍具有較大的波動(dòng)。為了更好的跟蹤實(shí)際頻移變化，假設(shè)以一子幀（1ms）

25、為測(cè)量單位，在此采用ar模型進(jìn)行跟蹤，其表達(dá)式為：3.1.2 多普勒頻移引入時(shí)變頻偏補(bǔ)償 多普勒頻移引入時(shí)變頻偏的補(bǔ)償方案可以采用兩種,第一種是直接補(bǔ)償，即上下行鏈路分別補(bǔ)償,第二種是預(yù)補(bǔ)償方案,即上行鏈路估計(jì)與補(bǔ)償,利用tdd lte鏈路的對(duì)稱性,對(duì)下行鏈路進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償,可以簡化用戶終端的復(fù)雜度。3.1.3多普勒頻移問題深入擴(kuò)展在具有多用戶環(huán)境的上行鏈路中，多個(gè)用戶具有不同多普勒引入時(shí)變載波偏移,多用戶頻偏估計(jì)、多用戶頻偏補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ写谶M(jìn)一步提高，低復(fù)雜度的用戶數(shù)據(jù)分離方法和基于頻偏帶來干擾的頻域抵消方法有待于進(jìn)一步深入研究。3.2 基于 matlab 軟件仿真多普勒頻移對(duì)信號(hào)的影響3.2.

26、1 多普勒頻移仿真編程基于matlab軟件進(jìn)行編程，程序如下：%多普勒效應(yīng)x0=550;v=150; %車速（可進(jìn)行調(diào)節(jié)）y=30;c=340;%聲速wc=2200;%聲的頻率t=0:0.0005:30;r=sqrt(x0-v*t).2+y.2); %計(jì)算聲源與聽者間的距離t1=t-r/c; %徑距離延遲后聽者的等效時(shí)間u=1.5*sin(wc*t); %聲源發(fā)出的信號(hào)u1=1.5*sin(wc*t1);%聽者接收到的信號(hào) %sound(u,10000);pause(5),sound(u1,10000); subplot(211)plot(u);axis(11500,11700,-2.2,2.

27、2) subplot(212)plot(u1,r);axis(5500,7800,-2.2,2.2)3.2.2 仿真結(jié)果分析第一次提速前，全國高鐵運(yùn)行速度普遍在120km/h以下，鑒于此，我在仿真時(shí)以100km/h作為第一次提速前的速度，根據(jù)我國6次對(duì)高鐵的大規(guī)模提速，我在仿真時(shí)分別將車速v取值100km/h，150km/h，200km/h，250km/h四個(gè)代表性的速段進(jìn)行仿真對(duì)比，現(xiàn)將各時(shí)段的信號(hào)仿真圖展示如下：（1）當(dāng)車速v=100km/h時(shí)， （2）當(dāng)車速v=150km/h時(shí)，（3）當(dāng)車速v=200km/h時(shí)，（4）當(dāng)車速v=250km/h時(shí)，根據(jù)上述不同時(shí)速的多普勒頻移仿真對(duì)比圖可以

28、看出，移動(dòng)速度在120km/h以內(nèi)，基本上可以達(dá)到性能指標(biāo)要求。但隨著速度的進(jìn)一步增加，高碼率和高階調(diào)制組合的高速率傳輸方案逐漸達(dá)不到性能指標(biāo)要求，且存在差錯(cuò)基底（error floor）。隨著速度的不斷提高，可以從圖中看出，實(shí)際信道的多普勒譜將引起系統(tǒng)產(chǎn)生時(shí)變的載波頻率偏移。原理分析如下：3.3時(shí)變信道解決方案在高速移動(dòng)環(huán)境下，大的多普勒頻移引起了信道的快速變化，若仍采用傳統(tǒng)的信道估計(jì)方法來估計(jì)信道，則得到的系統(tǒng)的性能較理想性能仍有較大損耗。下行鏈路采用ofdma技術(shù)，用戶收到的是一個(gè)ofdm符號(hào)。在ofdm符號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，通常假定信道是不變的。當(dāng)假設(shè)條件不滿足時(shí)，信道會(huì)在ofdm符號(hào)內(nèi)的各

29、個(gè)子載波間引入子載波干擾。對(duì)于采用ofdma的tdd-lte下行鏈路，信道變化的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，第一個(gè)方面是在一個(gè)符號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)信道的變化主要引入子載波間干擾，第二個(gè)方面是信道變化引起時(shí)間選擇性衰落。 對(duì)于采用sc-fdma的上行鏈路而言，如在接收端處理中采用頻域均衡，信道變化的影響與下行鏈路類似，對(duì)于高鐵環(huán)境下小的時(shí)延擴(kuò)展，如采用時(shí)域均衡，則可以減小或消除在一個(gè)sc-fdma(dfts_ofdm)符號(hào)內(nèi)頻域子信道引入的干擾；使得系統(tǒng)性能僅受到信道變化引起的時(shí)間選擇性衰落的影響。3.4 重選和切換解決方案高速移動(dòng)場(chǎng)景下，需要加快小區(qū)切換和重選對(duì)速度，因此一方面切換遲滯和測(cè)量上報(bào)時(shí)延以及

30、小區(qū)重選對(duì)遲滯和測(cè)量時(shí)間都需要相應(yīng)的縮短，另一方面在物理上利用多個(gè)小區(qū)合并為超級(jí)小區(qū)來減少小區(qū)間的切換。1）重選切換參數(shù)調(diào)整根據(jù)高速移動(dòng)場(chǎng)景，建議小區(qū)重選和切換參數(shù)配置如下。重選：treselection =1s qhyst=2db。 切換：timetotrigger =320ms hyst = 2db2）超級(jí)小區(qū)將多個(gè)小區(qū)合并為一個(gè)小區(qū)。目前高鐵覆蓋采用4天線6扇區(qū)解決方案，后期隨著基帶處理板能力的提升，可以采用8天線6扇區(qū)超級(jí)小區(qū)。本文討論的鏈路預(yù)算，站間距等都是基于8天線6扇區(qū)解決方案。圖表 01超級(jí)小區(qū)3.5 專網(wǎng)解決方案將高鐵覆蓋的站點(diǎn)設(shè)置成專網(wǎng)。這樣會(huì)帶來如下好處：1）可以避免公網(wǎng)

31、中常見的多l(xiāng)ac切換。2）避免由于多用戶引起的干擾。3）專網(wǎng)與其他網(wǎng)絡(luò)分開，避免有切換關(guān)系，這樣可以針對(duì)專網(wǎng)進(jìn)行切換，重選等無線參數(shù)優(yōu)化。4）通過專網(wǎng)覆蓋，其頻點(diǎn)，擾碼可以獨(dú)立設(shè)置。保證專網(wǎng)的獨(dú)立性。四 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化的解決方案和建議4.1 無線傳輸可靠性分析高速鐵路對(duì)于列控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃杂泻芨叩囊?。列控?cái)?shù)據(jù)傳輸需滿足:（1）高傳輸可靠性;（2）低誤碼率; （3）能夠滿足列車運(yùn)行系統(tǒng)對(duì)信息吞吐量和實(shí)時(shí)性需求。無線信道的可靠性通過誤碼率或者誤幀率的大小來評(píng)估, 可以利用信道編碼在發(fā)送信息中加入用于檢錯(cuò)、糾錯(cuò)的冗余比特來提高無線信道的可靠性。一般情況下, 可能導(dǎo)致事故發(fā)生的是未被檢測(cè)出的錯(cuò)誤,

32、 因此選擇具有合適錯(cuò)誤檢測(cè)能力的碼字, 可使未檢測(cè)出碼字的錯(cuò)誤概率低于10- 14 , 能夠滿足高速列控的要求。在高速環(huán)境下, 由于檢錯(cuò)重傳造成的傳輸延遲將對(duì)行車安全造成明顯的負(fù)面影響( 因?yàn)樵谙乱粋€(gè)通信周期, 控制中心才能獲得列車的位置和速度信息, 列車才能獲得控制命令) , 因此, 可能造成列車隊(duì)控制信息不能及時(shí)作出反應(yīng), 給行車安全帶來了一定的威脅。為此, 可以通過以下手段來提高無線傳輸?shù)男阅?（1）采用適合的信道編碼方案;（2）采用相關(guān)解調(diào)方式獲得一定的信噪比增益; （3） 應(yīng)用分集技術(shù), 但考慮到實(shí)時(shí)性的要求不宜采用時(shí)間分集; （4）提高數(shù)據(jù)傳輸速率, 減少單位比特內(nèi)由多普勒頻移引起

33、的相位變化; （5）采用自適應(yīng)均衡技術(shù)來消除碼間串?dāng)_。4.2 調(diào)整gsm基站原有網(wǎng)絡(luò)覆蓋調(diào)整gsm基站原有網(wǎng)絡(luò)覆蓋是一種最主要的解決當(dāng)前問題的方法。改變?cè)械木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整站間距，增加新站，針對(duì)高速鐵路進(jìn)行帶狀覆蓋建設(shè)，控制切換距離，提供可靠的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。在滿足基本的通話需求同時(shí)，能保證一定的qos，特別是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的使用。此方法可以從根本上通過調(diào)整基站到鐵軌的距離來提高gsm接收機(jī)的靈敏度；通過合理的規(guī)劃后布站形成新的切換帶；和通過針對(duì)性的調(diào)整使目標(biāo)覆蓋區(qū)域的電平值提高10-12db，來抵消車廂穿透損耗所帶來的影響。4.3 無線參數(shù)調(diào)整4.2.1切換參數(shù)調(diào)整1.優(yōu)化切換參數(shù)，減小測(cè)量報(bào)告判別

34、的個(gè)數(shù)，減小p/n數(shù)目，對(duì)于電平滿足的區(qū)域，質(zhì)量等級(jí)盡量設(shè)置到質(zhì)量高的等級(jí)，但調(diào)整的前提是覆蓋較好，如果覆蓋比較差，對(duì)于質(zhì)量引起的切換需要有針對(duì)性考慮。 2.優(yōu)化鄰區(qū)列表，對(duì)于手機(jī)而言，鄰區(qū)列表的多少將影響測(cè)試的精度和手機(jī)測(cè)量時(shí)間，因此盡可能的優(yōu)化高速鐵路的基站鄰區(qū)，不需要配置的鄰區(qū)盡量不要配置。 3.為使手機(jī)能及時(shí)進(jìn)行切換，降低了所有切換小區(qū)的切換窗口值：切換窗口值，levho窗口，qual ho窗口，pbgt ho窗口。為使手機(jī)在電平降低時(shí)也能及早進(jìn)行切換，抬高了所有切換小區(qū)的電平切換門限。4.為使手機(jī)在lu、收發(fā)sms時(shí)也能及時(shí)進(jìn)行切換,開啟所有切換小區(qū)的sdcch信道的切換功能。4.2

35、.2 掉話參數(shù)調(diào)整加大無線鏈路失效計(jì)數(shù)器 (rlc或radio link timeout)，sacch復(fù)幀數(shù)(rlto_bs)。但對(duì)于無線鏈路失效計(jì)數(shù)器radiolinktimeout的定義應(yīng)該小于t3109。這樣有利于呼叫重建的成功，并可有效預(yù)防以下情況：移動(dòng)臺(tái)超時(shí)釋放前，網(wǎng)絡(luò)側(cè)已經(jīng)釋放完成并將信道資源重新分配給其他移動(dòng)臺(tái)，此時(shí)將出現(xiàn)兩個(gè)移動(dòng)臺(tái)同時(shí)占用同一時(shí)隙而造成干擾甚至掉話。4.2.3 其它1.呼叫重建允許（re）。當(dāng)覆蓋盲點(diǎn)引起無線鏈路故障造成的斷話時(shí)，移動(dòng)臺(tái)可以啟動(dòng)呼叫重建過程恢復(fù)通話。是否允許呼叫重建通過設(shè)置參數(shù)“呼叫重建允許（re）”來實(shí)現(xiàn)。通話中的移動(dòng)臺(tái)從覆蓋盲點(diǎn)經(jīng)過時(shí)很容易出

36、現(xiàn)掉話現(xiàn)象，若允許呼叫重建，可以有利于降低平均掉話率。2.dtx不使用。dtx是指移動(dòng)用戶在通話過程中，話音間歇期間移動(dòng)臺(tái)不傳送信號(hào)的過程功控不使用，dtx的應(yīng)用使通話的質(zhì)量受到一定的影響，如果鐵路沿線的干擾比較小，建議關(guān)閉dtx功能。3.功率控制不使用。根據(jù)gsm協(xié)議，功控命令的實(shí)現(xiàn)將帶來3個(gè)測(cè)量報(bào)告延遲，不利于切換的判決，因此功控建議不使用。以上無線參數(shù)分析主要是針對(duì)高速移動(dòng)在原有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不變的情況下作的調(diào)整，但是或多或少會(huì)對(duì)慢速移動(dòng)的用戶產(chǎn)生影響，因此可以借鑒上海磁懸浮專網(wǎng)的形式。上海磁懸浮專網(wǎng)主要解決了兩個(gè)方面的問題：(1)高速鐵路沿線專網(wǎng)小區(qū)與外網(wǎng)小區(qū)不建相鄰關(guān)系，手機(jī)只有通過站臺(tái)微

37、蜂窩小區(qū)才能進(jìn)出專網(wǎng)，從而保障在列車上的手機(jī)用戶只會(huì)掛在專網(wǎng)小區(qū)上，這樣為專網(wǎng)設(shè)置的一系列特殊參數(shù)設(shè)置才能僅對(duì)高速列車用戶起作用，而不影響外網(wǎng)用戶。(2)使高速鐵路沿線專網(wǎng)小區(qū)盡量歸屬一個(gè)位置區(qū)，或者要盡可能減少位置區(qū)劃分?jǐn)?shù)目，以減少不必要的大量位置更新，致使位置區(qū)邊界小區(qū)信令溢出。4.4 增加新的網(wǎng)絡(luò)功能4.4.1 提高gsm接收機(jī)靈敏度相應(yīng)功能4.4.2 抵抗多普勒頻移技術(shù)1. afc為了對(duì)抗多普勒效應(yīng)，華為基站接收機(jī)可以采用afc（automatic frequency correction）技術(shù)進(jìn)行頻率糾偏。使接收機(jī)前導(dǎo)檢測(cè)性能、消息解調(diào)性能和專用信道解調(diào)性能得到極大改善，接收機(jī)支持的

38、最大頻偏達(dá)到1800hz，在基站信號(hào)傳播方向與終端運(yùn)動(dòng)方向夾角為0或180度的情況下，可以支持488公里/小時(shí)的移動(dòng)速度，完全滿足現(xiàn)有高速鐵路的覆蓋需求。2.增強(qiáng)型均衡器增強(qiáng)型均衡器是通過使用增強(qiáng)型的信道均衡算法，補(bǔ)償信號(hào)強(qiáng)度快速抖動(dòng)的負(fù)面影響來達(dá)到支持gsm網(wǎng)絡(luò)高速移動(dòng)情況下通話的效果的。目前西門子均衡器所支持的保證通話的最高速度可達(dá)到：gsm900可達(dá)500公里/小時(shí)、gsm1800可達(dá)250公里/小時(shí)。4.4.3 上下行覆蓋增強(qiáng)技術(shù)1. 時(shí)延發(fā)射分集技術(shù) 一個(gè)trx模塊內(nèi)集成了兩個(gè)收發(fā)信機(jī)（trx）模塊，兩個(gè)載頻發(fā)射同一用戶數(shù)據(jù)，但在兩個(gè)發(fā)射通道上存在一定的時(shí)延差異，從而起到減弱多徑效應(yīng)

39、，改進(jìn)下行終端接收質(zhì)量的效果。從而有效的改進(jìn)下行覆蓋。2.四分集接收技術(shù) 類似于gsm基站中采用的二天線分集技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)的gsm基站采用兩個(gè)接收通道實(shí)現(xiàn)基站的分集接收功能，以抵抗多徑效應(yīng)，從而獲得比二分集接收更高的上行鏈路性能增強(qiáng)。4.5 結(jié)束語高速環(huán)境下的無線信號(hào)傳播環(huán)境很復(fù)雜，其顯著的特點(diǎn)就是引入較大的多普勒頻移，帶來了很多不利影響。因此在對(duì)無線信道進(jìn)行建模分析時(shí)必須考慮，對(duì)誤碼率的分析也不再僅僅考慮多徑時(shí)延的影響。另外，在實(shí)際生活中，高速鐵路對(duì)通信的可靠性有很高的要求，因此為了給列車的安全運(yùn)行提供充分的保障，還要不斷完善對(duì)高速環(huán)境無線信道特性的研究。同時(shí)，鐵路特殊結(jié)構(gòu)也為無線通信提供了一些

40、有利因素，在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)該充分加以利用。五 總結(jié)與展望1、總結(jié)在畢業(yè)論文寫作過程中，通過翻閱大量科技資料，在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，學(xué)習(xí)各種與無線通信有關(guān)的理論知識(shí)，對(duì)四年大學(xué)所學(xué)的知識(shí)尤其是通信方面的知識(shí)有了更深入的認(rèn)識(shí)和理解。通過整個(gè)論文的寫作，我也更直觀的感覺到了理論和實(shí)踐之間存在的差距。本文將從以下幾個(gè)方面來進(jìn)行總結(jié)：首先，本文從高速環(huán)境下無線信號(hào)覆蓋問題在現(xiàn)實(shí)生活中的意義著手，詳細(xì)闡述了無線通信對(duì)在日常生活中所扮演的重要角色，而其中如何解決高速環(huán)境下的無線信號(hào)覆蓋問題一直是阻礙我國高鐵發(fā)展的重要因素之一。隨著我國高鐵事業(yè)的不斷發(fā)展壯大，高速網(wǎng)絡(luò)覆蓋面遍及全國，如何處理好高速環(huán)境下的無線信號(hào)覆蓋問題就顯得日趨重要。其次，本文以高速環(huán)境下的無線信號(hào)傳輸信道特點(diǎn)為切入點(diǎn)，具體闡述了高速運(yùn)動(dòng)中信號(hào)傳輸所存在的問題。影響高速環(huán)境下無線信號(hào)性能主要因素有三個(gè)：多普勒頻移引入的時(shí)變載波頻率偏移，信道的