高速铁路宽带无线接入系统研究_张皓翔2.docx
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1、 北京交通大学 2011年 12月 硕 士 学 位 论 文 高速铁路宽带无线接入系统研究 Research in high-speed railway Broadband Wireless Access 作者:张皓翔 导师:钟章队 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索, 提供阅览服务,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 (保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名 : 签字円期:於
2、P年 / 月 , 円 导师签名 辦 K 签字闩期: 年 / 月 R北京交通大学 2011年 12月 中图分类号 : UDC: 作者姓名:张皓翔 导师姓名:钟章队 学位类别:工学 学科专业:通信与信息系统 学 号: 08120220 职 称:教授 学位级别:硕士 研究方向:无线宽带与个人通信 学校代码 : 10004 密级:公开 北京交通大学 硕 士 学 位 论 文 高 速 铁 路 宽 带 无 线 接 入 系 统 研 究 Research in high-speed railway Broadband Wireless Access 完成了硕士学位论文,我也要告别校园,走向工作岗位了。在此,谨向
3、在研 究生学习期间帮助指导过我的师长和同学们致以诚挚的谢意,没有你们的帮助, 我不可能取得今天的成绩。 首先要感谢我的导师钟章队教授,他是我国通信领域内的知名专家,为我指 明了学习和研究的方向,并毫无保留的把多年积累的经验和知识传授给我。钟章 队教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助,并将对我将来的工 作产生巨大的积极影响。 实验室的金晓军、朱刚、熊磊、许荣涛、王一桂等老师对于我的科研工作和 论文都给予了很多指导并提出了许多宝贵意见, 在此衷心的感谢各位老师。 感谢丁建文老师、林思雨师兄、何睿斯、高林毅、林凯峰、魏宏、钱金龙等 同学对于我在科研和工作以及生活中的帮助,让我度过了一个
4、非常充实而快乐的 研究生时代。 感谢一直为我默默付出的父母,他们始终不渝的关心和帮助是我成长、进步 的源泉和动力。 最后,衷心的祝愿母校欣欣向荣,祝愿诸位师长身体安康,诸位同学事业有 成。在交大的求学生涯,是我人生中最宝贵的经历和财富。 北 京 交 通 大 学 硕 士 学 位 论 文 中 文摘要 中文摘要 摘要:近年来,随着信息化社会的逐步推进,我国高速铁路和轨道交通取得了举 世瞩目的成就。同时,高速列车与地面的无线通 信 ( 包括列车控制信息和面向用 户的宽带无线接入业务)需求也呈逐年上升的趋势。 目前,列车上的乘客使用的 2G、 3G无线蜂窝系统通信对高速移动环境的支 持较差,导致通话质量
5、下降、掉话、数据速率严重下降的问题。本文从国内外现 今的技术入手,以 350km/h高速运行宽带无线接入为研究对象,着重研究了高速 运行下宽带无线接入的系统架构并对其进行了可行性分析,为解决或减弱高速运 行带来了快速越区切换、多普勒频移、无线信道快速时变等提出了解决思路。 本文设计了一套高速铁路无线宽带接入网络系统架构,采用了目前在宽带无 线接 入系统中已有成熟应用的 Wi-Fi技术、 WiMax技术和在高速移动环境下系统 中已广泛推广的R F (Radio over Fiber)技术。由于 WiMax技术在高速移动环境 下使用还没有成功实践,本文对 WiMax技术进行了深入分析并提出了一种适
6、合于 高速铁路的 WiMax传播模型;同时,本文基于 RoF技术的自身优势并结合了移动 小区技术的设计,在很大程度上降低了多普勒频移和快速越区切换对系统的影响。 本文对所提出系统架构进行了分析与仿真,得到了一些初步的结果。 图 38,表 13个,参考文献 60篇。 关键词 :; 宽带接入;多普勒频偏; WiMax; RoF;传播模型;移动小区 分类号: TN929.5北 京 交 通 大 学 硕 士 学 位 论 文 A B S T R A C T iv ABSTRACT ABSTRACT: With the rapid development of information-based socie
7、ty, China Railway High Speed has made remarkable achievements. At the same time, there is an ascending trend for demand high speed trains and ground wireless communication, including train control information and user-oriented broadband wireless access business. At present, second generation and thi
8、rd generation cellular mobile telecommunication systems is poor in supporting high speed mobile communication, resulting in reduced call quality, dropped calls, serious depletion of data rate. In this paper we will focus on the architecture of high speed broadband wireless access system and its anal
9、ysis and feasibility, which is directed at wireless broadband access between 350km/h and 500km/h. And also, we will propose a solution to resolve or reduce the problem in high speed mobile communication, such as fast handoff, the Doppler frequency shift, fast time-varying wireless charm el. Based on
10、 WiFi and WiMax under broadband wireless access system, and Radio over Fiber(RoF) under high speed mobile communication, we propose an architecture on high-speed wireless broadband access network system. As WiMax has not been successful apply to high speed mobile communication, we will do an in-dept
11、h analysis of WiMax and build a WiMax conduction model applied to high speed railway. In the same time, we will use the advantages to RoF combined with the design of mobile technology in community to reduce effect on the system. Moreover, performance results of these mentioned aspects will be presen
12、ted. The thesis uses 38figures, 13tables and 60 references. KEYWORDS: High-speed train; Doppler frequency offset; WiMax; RoF; Propagation model;Mobile community CLASSNO: TN929.5北 京 交 通 大 学 硕 士 / 博士 学位论文 目录 V 目录 中文摘要 . iii ABSTRACT . iv 1 弓丨胃 . 1 1.1 选题背景及意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.2.1 国外研究现状 . 2 1.2.2
13、 国内研究现状 . 4 1.3 论文主要工作及内容安排 . 5 2 高速铁路宽带无线接入特点分析 . 7 2.1 现有无线通信技术特点及问题 . 7 2.2 高速铁路宽带无线接入系统难点 . 8 2.3 本章小结 . 12 3 RoF技术分析及系统仿真 . 13 3.1 RoF技术简介及研究现状 . 13 3.1.1 RoF技术简介 . 13 3.1.2 RoF技术特点 . 13 3.2 典型的 RoF系统 . 14 3.2.1 RoF系统构架 . 14 3.2.2 RoF系统的数据传输 . 15 3.3 RoF系统的越区切换 . 15 3.3.1 RoF系统的切换过程 . 15 3.3.2
14、RoF系统越区切换的优势及存在的问题 . 16 3.4 改进型 RoF系统越区切换解决方案 . 17 3.4.1 移动小区的概念 . 17 3.4.2 RoF技术与移动小区概念的结合 . 17 3.4.3 改进型 RoF系统架构 . 19 3.5 本章小结 . 20 4 WiMax技术网络架构分析及传播模型校正 . 21 4.1 WiMax技术简介 . 21 4.2 WiMax技术的特点与优势 . 21 4.3 WiMax系统架构及存在的问题 . 24 4.4 无线电波传播模型 . 26 4.4.1 HATA 模型 . 26 4.4.2 WINNER D2a 模型 . 27 4.5 WiMax
15、网络传播模型的选择 . 28 4.6 传播模型校正的目的和原理 . 30 4.6.1 传播模型校正的目的 . 30 4.6.2 传播模型校正的原理 . 31 4.7 传播模型校正实验 . 32北 京 交 通 大 学 硕 士 / 博士 学位论文 目录 vi 4.7.1 实验流程 . 32 4.7.2模型校正 . 33 4.8 本章小结 . 34 5 Wi-Fi技术及系统架构 . 35 5.1 Wi-Fi技术简介 . 35 5.2 Wi-Fi技术的特点与优势 . 35 5.3 WiFi-WiMax网络系统架构 . 36 5.4 WiFi-WiMax网络信道分配方案 . 37 5.5 本章小结 .
16、39 6 WiFi-WiMax-RoF系统架构及可行性分析 . 40 6.1 设计思路及基础理论分析 . 40 6.1.1 设计思路 . 40 6.1.2 时分双工 ( TDD)模式的特点和优势 . 40 6.1.3 TDD模式在 WiFi-WiMax-RoF系统中的应用可行性分析 . 41 6.2 WiFi-WiMax-RoF系统基本架构设计 . 42 6.3 WiFi-WiMax-RoF系统架构分析及仿真设计 . 43 6.3.1 WiFi-WiMax-RoF系统信号转化过程分析 . 43 6.3.2 WiFi-WiMax-RoF系统静态仿真实验设计 . 44 6.4 WiFi-WiMax
17、-RoF 系统架构 . 45 6.5 本章小结 . 45 7 结论和展望 . 46 7.1 总结 . 46 7.2 下一步研究工作展望 . 47 参考文献 . 48 作者简历 . 51 独创性声明 . 52 学位论文数据集 . 53北 京 交 通 大 学 硕 士 学 位 论 文 11_H 1引言 我国轨道交通建设正处于并将长期处于快速发展时期。铁路作为轨道交通领 域的重要组成部分,既是国民经济发展的基础,又是当前经济运行中的较薄弱环 节。所以,发展铁路交通行业符合我国近期发展以及长期可持续发展的要求 1。 1.1选题背景及意义 随着信息化社会的发展,旅客愈发需要快速、随时、随地交换所需的各种信
18、 息。但目前,行进中的旅客仍然是 “ 信息孤岛 ” ,通常要在列车上渡过数小吋甚至 数十小时的空闲时光。大多旅客非常希望能在旅途中使用移动电话、互联网、移 动电视并接受与旅行有关的公共信息服务等宽带无线接入业务。同时,旅客列车 宽带无线接入业务也是一个巨大的潜在市场,根据 BWCS研究预测 5,旅客列车 每年宽带无线热点服务市场到 2011年将达到近 15亿美元。中国 2010年铁路旅客 运输规模已达近 20亿人次 8。并且随着信息社会的不断发展,在列车上有上网、 通信需求的旅客也越来越多,对中国来说,行进中的宽带无线通信服务市场前景 更为乐观。综合以上分析,提供行进中的宽带无线通信服务势在必
19、行,旅客宽带 通信需求主要分为以下几个方面: (1) 车体内部信息服务 车体内部信息服务主要指列车为旅客统一提供的旅客信息系统 ( PIS)服务。 通过旅客信息系统分布于各车厢的显示器,旅客不仅可以了解到列车的运行状态 信息,还 可以观看多媒体广告。然而,传统的旅客信息系统媒体播放器通常采用 视频录播形式,难以实现实时及应急内容的播放。未来的旅客信息系统将发展成 为实时的多媒体平台,可以通过铁路无线网络来提供实时的天气预报、公益广告、 影视娱乐节目、新闻报导等丰富的实时电视节目,还可以提供旅客前往目的地的 旅游信息,一方面有效的改善了用户的乘车体验,另一方面也为高速铁路发展带 来了新的盈利点。
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