基于ROF的高铁可见光通信关键技术研究

With the rapid development of high-speed railway, passengers have higher demand for communication quality and rate. Therefore, basing on our research foundation of ROF (Radio over Fiber) and VLC (Visible Light Communication)，this research topic makes the above two technologies intersect and coalesce, and applies those to the fast-developing high speed railway communication creatively. The main content of this research includes the following sections: (1) Modeling wireless communication channel based on semidefinite method, which plays a guiding role on high quality and large capacity transmission of useful information in the channel with limited spectrum resources; (2) By analyzing the characteristics of high speed rail network covering multipath propagation and mobile channel with the ROF technology, we use filter bank multicarrier FBMC technique to effectively improve high-speed broadband wireless communication signal fading; (3) Establish ROF network joint handoff trigger mechanism based on multiple judgement, so as to shorten the switching time, improve the success rate of handover; (4) We propose multi carrier multi access technology based on ROF-VLC to solve the demand of multi user network and improve the carriage’s internal communication quality. Our research meets high-speed rail mobile users’ needs of the large network capacity, high communication quality and transmission rate, and provides an important theoretical basis for the development of high-speed rail communication technology.

随着高铁的快速发展，旅客对高铁通信质量及速率有了更高的需求。因此，本课题基于项目组在ROF（Radio over Fiber）和VLC（Visible Light Communication）方面的研究基础，将两种技术交叉融合，创新应用于快速发展的高铁通信中。主要研究内容包括：（1）基于半确定性方法对无线通信信道进行建模，对高质量、大容量传输有用信息起着指导性的作用；（2）通过对ROF技术的高铁专网覆盖多径传播及移动信道的特性进行分析，利用滤波器组多载波FBMC技术有效改善高铁宽带无线通信的信号衰落；（3）建立基于多个判决机制的ROF专网联合切换触发机制，从而缩短切换时间、提高切换成功率；（4）基于ROF-VLC的多用户多载波多址接入技术，解决多用户网络需求，提高车厢内通信容量，达到高铁移动用户对大网络容量、高通信质量、高传输速率的需求目标，为高铁通信新技术发展提供重要的理论依据。

随着高速铁路的技术渐臻完美、用户量迅速增大，客户对高铁出行的舒适感要求随之水涨船高，因此高铁需要匹配一套具有高速度、高稳定性、高可靠性的通信系统。光载无线（RoF）是光纤通信与无线毫米波通信相结合的技术，RoF结合利用LED进行通信的可见光无线通信（VLC）为高铁密集人群的高传输速率及高质量通信提供了可行的解决方案。本项目的主要工作和创新性成果概括如下：①结合我国高铁运行的实际情况提出了基于Okumura-Hata模型的无线信道模型，该模型对高铁无线信道特性进行了预测。此外还利用Simulink对无线信道进行了仿真测试模拟了瑞利信道衰落情况，并使用复信号分析了信道性能。②搭建了基于光载频RoF技术的双边带传输直接检测式仿真试验平台，利用该平台得出了基于RoF的高铁通信架构中传输距离对接收解调的影响，结果表明OFDM/OQAM系统的解调性能显著优于传统调制方式。③完成了基于高铁移动无线信道的Jakes仿真模型的搭建，模型模拟了高速移动下高铁信号由环境中物体反射最终从各方向到达接收端的情况。此外，模型计算并给出了基本传播损耗公式，解释了载波频率、移动端与基站距离、基站天线高度、移动端天线垂直高度及矫正因子对传播损耗的影响，为未来对小区切换及出发机制的研究奠定理论基础。④提出了一种基于RoF的高速铁路通信系统架构。该架构针对列车外部通信网中的中心站、基站布局使用RoF技术，达到低功耗、低成本、带宽高、易安装的目的。从基站到高铁内部采用直通放大系统实现通信信号的调制，降低信号穿透全封闭式车体结构产生的穿透损耗。在车体内采用局域网互联技术，保证车内用户快速接入无线网络。⑤提出了一种基于高速特征的自适应联合判决切换算法。该算法中的RSRP和RSRQ的迟滞容限都会根据列车的行驶速度进行动态的自适应的调整，在高速环境下就能够实现更好的切换触发，在列车高速匀速或者变速行驶时均可以适用，省去传统切换过程中信令的大量交互，降低切换延迟，并有效避免高速铁路越区切换中的切换风暴问题。