高速铁路场景下losmimo信道的天线优化方法

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1、高速铁路场景下LoSMIMO信道的天线优化方法1引言近年来，随着我国高速铁路的飞速发展.为高铁乘客提供快速可靠的宽带无线接入服务成为高速铁路无线通信系统中的研究热点。现有的铁路无线通信系统，铁路数字移动通信系统（GlobalSystemforMobilemunicationRailunications-Advanced,IMT-Advanced)⑴和高级长期演进(LongTermEvolution-Advanced,LTE-A)[2],可以更好地应对高速铁路场景下无线通信面临的各种挑战。1.1研究背景与意义中国的高速铁路技术蓬勃发展，但是高速铁路系统中的无线通信技术变革相比而言就滞后很多。G

2、SM-R系统目前仅满足了铁路专业调度等铁路运输通信的基本需求，增值业务如乘客的语音业务、电子邮件、上网浏览、多媒体业务到乘客信息系统服务等，都未纳入现在的业务发展规划。但是，随着现代信息社会的发展，无线通信系统己经从为移动用户提供传统的语音业务向提供互联网接入、视频业务和多媒体业务的宽带移动通信系统的方向发展，这意味着未来铁路移动通信系统必须能够支持每秒百兆甚至千兆以上的传输速率，以保证第四代移动通信随时、随地无线接入目标的实现。因此，在未来的铁路移动通信系统中，如何实现数据的高速率传输，无疑是一项意义重大的前沿性科研工作。为了满足未来铁路通信系统对大的数据吞吐量的要求，2010年中国铁路在

3、第七届世界高速铁路大会上提出发展铁路专用宽带移动通信系统(LongTermEvolution-AdvancedforRailalRatiobining,MRC)、等增益合并(EqualGainbining,EGC)、选择式合并(Selectionbining,SC)和切换合并（Sall-Scale)传播模型。这两种模型描述的都是无线信号强度的变化，区别在于描述信号强度变化的距离范围有所不同。对于无线信道的大、小尺度衰落的研究，有着重要的意义：研究大尺度衰落对通信系统的覆盖、信号频率的选择以及无线通信网络规划与优化有重要的作用；研究小尺度衰落可以加深对信道微观特征的了解，对信道接收机选择有着重

4、要意义。大尺度衰落描述的是发射端与接收端(Transmitter-Receiver,T-R)之间长距离(几百米或是几千米）上的信号场强变化，该变化相较于小尺度衰落的变化较为缓慢，主要表现为路径损耗和阴影衰落。一般来说，大尺度衰落的大小与接收端和发射端之间距离的长短成反比，且在不同的地区有不同的衰落因子，可以通过大尺度传播模型对大尺度衰落特性进行描述。3基于最大容量准则的LoSMIMO优化天线阵........283.1MEMO系统的信道容量........283.1.1MIMO信道........283.1.2MMO信道的容量........293.2MIMO系统中天线阵对信道容量的影响..

5、......313.3高速铁路的仿真场景描述........323.4LoSMIMO的优化天线阵........333.5本章小结........364LoSMIMO优化天线阵在分析信道模型........374.1引言........374.2LoSMIMO优化天线阵在确定性LOS信道........384.3LoSMIMO天线阵优化方法........454.3.1实时调整天线阵方法........454.3.2分段调整天线阵方法........474.4本章小结........485LoSMIMO天线阵优化方法在高速铁路........505.1LoSMIMO优化天线阵在高速铁路场景.

6、.......505.2分段调整天线阵方法在高速铁路场景........565.3本章小结........57结论相对于中国的高速铁路的蓬勃发展，铁路系统中的通信技术变革滞后许多。目前使用的GSM-R系统仅满足了铁路专业调度等铁路运输通信的基本需求，增值业务如乘客的语音业务、电子邮件、上网浏览、多媒体业务等，都未纳入发展规划。可是随着信息社会的快速发展，实现随时、随地的无线接入是未来移动通信发展的目标，这就要求未来的铁路移动通信系统必须能够支持每秒百兆甚至千兆以上的传输速率，以保证无缝的无线接入。可知在未来的铁路移动通信系统中，如何在有限的带宽内实现数据的高速率传输是一个关键问题。MIMO技

7、术是4G通信系统物理层的主流技术，它充分挖掘利用空间自由度，提高频谱利用率，如何有效的在高速铁路场景下最大程度的发挥MIMO技术的优势成为了研究的热点问题。因此，本文在分析MIMO信道容量的基础上，推导了高速铁路场景下的最大容量准则，由此来设计适合于高速铁路场景的优化天线阵和天线优化方法，并在接近于真实的高速铁路信道模型中验证其性能。通过理论分析和仿真验证，本文得出以下结论：i.已有的LOSMIMO优化天线阵