需修改LTE系统在高速公路监控系统中应用研究报告.docx
- 文档编号:25280939
- 上传时间:2023-06-06
- 格式:DOCX
- 页数:51
- 大小:420.87KB
需修改LTE系统在高速公路监控系统中应用研究报告.docx
《需修改LTE系统在高速公路监控系统中应用研究报告.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《需修改LTE系统在高速公路监控系统中应用研究报告.docx(51页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
需修改LTE系统在高速公路监控系统中应用研究报告
封面
作者:
PanHongliang
仅供个人学习
摘要
随着我国经济的高速发展,我国公路交通事业也已经有了长足的进步,高速公路总里程也已名列世界前列,但是伴随着高速公路建设的快速发展,高速公路通信网作为交通信息网重要组成部分,其用户的可用带宽在逐步增加,对业务的要求也逐步向宽带化、实时化发展。
用户对交通通信网提出了更多的需求。
而当前无线移动通信技术的快速发展,为高速公路通信系统的发展与建设提供了一个很好的平台。
本文详细阐述了LTE无线网络的系统结构和技术组成,重点对OFDM和MIMO等核心技术进行了详细的原理、实现方式等方面的论述,LTE无线系统为我们提供了一个传输速率高、网络延迟小、传输安全的无线网络平台,在文中,我们对LTE系统进行了初步的链路级仿真,直观的对LTE系统各项技术进行了比较。
本文从现有的高速公路通信网出发,详细论述了高速公路通信系统设计原则和系统规划,重点对高速公路监控系统的设计和规划进行了分析,在此基础上,提出了基于LTE无线网络的高速公路监控系统设计方案,LTE无线数据通信系统是集成了计算机技术、LTE无线网络平台和数据通信技术于一体的综合技术,通过LTE无线终端,借助LTE无线网络将数据传输到数据业务中心,实现对各用户设备终端的双向数据通信,
监控系统的前端采集设备结合无线数据终端设备即构成了无线采集系统,摄像头、车辆检测器、情报板等采集设备可通过各种接口连接无线数据终端,通过移动网络,与监控中心建立连接通道。
关键词:
LTE,OFDM,MIMO,高速公路监控
ABSTRACT
WithChineserapideconomicdevelopment,Chineseroadtransportindustryhasmadegreatstrides,highwaymileagehasalsobeenrankedintheworld,butalongwiththerapiddevelopmentofhighwayconstruction,highwaytrafficinformationcommunicationnetworkasanimportantnetworkpartoftheuser'savailablebandwidthisgraduallyincreased,therequirementsofthebusinessgraduallytobroadband,real-timedevelopment.Thecurrenttransportationandcommunicationnetworkscannolongersatisfytheneedsofusers.Thecurrentwirelessmobilecommunicationtechnology,rapiddevelopment,highwaydevelopmentandconstructionofcommunicationssystemsprovideagoodplatform.
ThispaperdescribestheLTEwirelessnetworksystemarchitectureandtechnologycomponents,withemphasisonOFDMandMIMOtechnologiesindetailthecoreprinciples,implementationandotheraspectsofthediscussion,LTEwirelesssystemprovidesuswithahightransferrate,networkdelaysmalltransmissionsecurewirelessnetworkplatforminthetext,weconductedapreliminaryLTEsystemlink-levelsimulation,thevisualtechnologyofLTEsystemsarecompared.
Thisthesisbasedonexistinghighwaycommunicationsnetwork,discussesindetailtheprinciplesofhighwaycommunicationsystemdesignandsystemplanning,focusingonhighwaydesignandplanningofmonitoringsystemswereanalyzed,Onthisbasis,theproposedhighwaybasedonLTEwirelessnetworkmonitoringsystemdesign,LTEwirelessdatacommunicationsystemistheintegrationofcomputertechnology,LTEwirelessnetworkplatformanddatacommunicationstechnologyinanintegratedtechnology,thewirelessterminalthroughtheLTE,withLTEwirelessnetworktotransferdatatoadataservicecenter,toachievetheend-usertwo-waydatacommunicationsequipment.
Keywords:
LTE,OFDM,MIMO,HighwayMonitoring
第1章绪论
1.1研究背景及意义
近年来,伴随着我国社会经济的飞速发展,国家对于公路交通大力投入,使我国高速公路里程迅速增加,到2010年底,我国高速公路总里程已经发展到7.4万公里,“五纵七横”12条国道主干线已全部建成,从面积密度来看,东部等发达地区并不亚于美国等发达国家,甚至还超过了发达国家水平。
伴随着大量高速公路的建成,为了充分发挥高速公路“高速、高效、安全、舒适”的特点,使得高速公路的现代化管理变得异常重要。
高速公路通信系统是高速公路现代化管理的支撑系统,它要实现监控系统和收费系统的数据、语音和图像等信息准确而及时的传输,保持高速公路各管理部门之间业务联络通讯的畅通,并要为高速公路内部各部门和外界建立必要的联系;同时高速公路通信系统作为交通专用通信网的重要组成部分,是交通信息的主要传输载体,为各种网络服务(如Intranet、Internet)及会议电视系统提供传输通道。
随着计算机技术。
网络技术和通信技术的迅速发展,高速公路通信技术也从简单的无线对讲系统发展到800MHz无线集群系统,从小容量微波通信发展到SDH系列数字光纤传输系统,从单纯的电话业务发展到包括语音、数据和图像等多种信息的综合通信,并从模拟通信向数字通信演变,开始组建先进的宽带综合业务数字(B-ISDN)通信系统。
高速公路通信业务大概可以分为语音、数据和图像三大部分。
语音业务包括业务电话BT、指令电话CT、紧急电话ET、无线集群、广播系统等。
数据业务分为2部分。
一是收费系统计算机网络互连,即收费站——收费(分)中心——收费总中心的三级收费网络,计算机收费局域网的速率一般是10Mbps/100Mbps;二是外场交通监控数据采集及控制,这是一些低速数据,包括可变情报板、限速标志、车辆检测、气象检测。
图像切换和控制等。
图像业务主要是CCTV交通监控图像及会议电视图像。
CCTV交通监控图像包括收费站中收费车道、收费亭和收费广场图像以及重要路段和立交桥的外场监控图像。
从上分析可以看出高速公路通信网是一个多业务、传输距离长的专用多媒体传输系统。
同时,伴随着交通信息产业的兴起,高速公路通信网作为交通信息网重要组成部分,其用户的可用带宽(Availableaccessbandwidth)在逐步增加,对业务的要求也逐步向宽带化、实时化发展。
近几年来,全球通信技术的发展日新月异,尤其是近两三年来,无线通信技术的发展速度与应用领域已经超过了固定通信技术,呈现出如火如荼的发展态势。
其中最具代表性的有蜂窝移动通信、宽带无线接入,也包括集群通信、卫星通信。
蜂窝移动通信从上世纪80年代出现到现在,已经发展到了第三代移动通信技术,目前业界正在研究面向未来第四代移动通信的技术。
宽带无线接入也在全球不断升温,近几年来我国的宽带无线用户数增长势头强劲。
宽带无线接入研究重点主要包括无线城域网(WMAN)、无线局域网(WLAN)和无线个域网(WPAN)技术。
模拟集群通信的应用开始得比较早,但随着技术的发展,数字集群通信技术越来越赢得大家的关注。
1.2本文研究的主要内容
1.2.1LTE系统简介
LTE(LongTermEvolution)工程是3G的演进,它改进并增强了3G的空中接入技术,采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。
在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰值速率。
改善了小区边缘用户的性能,提高小区容量和降低系统延迟。
3GPPLTE工程的主要性能目标包括:
在20MHz频谱带宽能够提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率;改善小区边缘用户的性能;提高小区容量;降低系统延迟,用户平面内部单向传输时延低于5ms,控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms,从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms;支持100Km半径的小区覆盖;能够为350Km/h高速移动用户提供>100kbps的接入服务;支持成对或非成对频谱,并可灵活配置1.25MHz到20MHz多种带宽。
LTE概念的提出意味着目标的确立,为了有一个清晰的技术发展路线,3GPP制定了明确的时间表。
整个标准发展过程分为两个阶段,研究工程阶段和工作工程阶段。
研究工程阶段预计在2006年年中结束,该阶段将主要完成对目标需求的定义,以及明确LTE的概念等;然后征集候选技术提案,并对技术提案进行评估,确定其是否符合目标需求。
工作工程预计在2006年年中以前建立,并开始标准的建立。
该阶段会对未来LTE的标准细节的方方面面展开讨论和起草,这个过程同以前3G标准在3GPP中的制定过程是一样的,这一过程将一直持续到2007年年中。
整个过程相比3G标准的制定节奏明显加快,这也是考虑到市场的需求,随着宽带技术的不断创新,3GPP也将在最短的时间内推出最新的技术。
这给运营业带来了新的机遇,更新更快的业务可以在不远的将来得以实现,甚至完全可以和有线网络相媲美。
3GPP从“系统性能要求”、“网络的部署场景”、“网络架构”、“业务支持能力”等方面对LTE进行了详细的描述。
与3G相比,LTE具有如下技术特征:
(1)通信速率有了提高,下行峰值速率为100Mbps、上行为50Mbps。
(2)提高了频谱效率,下行链路5(bit/s)/Hz,(3--4倍于R6HSDPA)。
上行链路2.5(bit/s)/Hz,是R6HSU-PA2--3倍。
(3)以分组域业务为主要目标,系统在整体架构上将基于分组交换。
(4)QoS保证,通过系统设计和严格的QoS机制,保证实时业务(如VoIP)的服务质量。
(5)系统部署灵活,能够支持1.25MHz-20MHz间的多种系统带宽,并支持“paired”和“unpaired”的频谱分配。
保证了将来在系统部署上的灵活性。
(6)降低无线网络时延:
子帧长度0.5ms和0.675ms,解决了向下兼容的问题并降低了网络时延,时延可达U-plan<5ms,C-plan<100ms。
(7)增加了小区边界比特速率,在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界比特速率。
如MBMS(多媒体广播和组播业务)在小区边界可提供1bit/s/Hz的数据速率。
(8)强调向下兼容,支持已有的3G系统和非3GPP规范系统的协同运作。
与3G相比,LTE更具技术优势,具体体现在:
高数据速率、分组传送、延迟降低、广域覆盖和向下兼容。
LTE采用的关键技术包括:
空中接口物理层技术是无线通信系统的基础与标志,3GPP组织就LTE系统物理层下行传输方案很快达成一致,采用先进成熟的OFDMA技术;但上行传输方案却争论不断,很大部分设备商考虑到OFDM较高的峰均比会增加终端的功放成本和功率消耗,限制终端的使用时间,坚持采用峰均比较低的单载波方案SC-FDMA,但一些积极参与WiMAX标准组织的公司却认为可以采用滤波、循环削峰等方法有效降低OFDM峰均比。
双方各执己见,一度僵持不下,经过多次会议的艰苦协商,最后上行方案还是选择了单载波SC-FDMA。
这样LTE系统传输方案最终确定为下行OFDMA和上行SC-FDMA。
同时在是否采用宏分集问题上也产生了激烈的争论,最终考虑到网络结构扁平化,分散化的发展趋势,3GPP组织在2005年12月经过“示意性”的投票,决定LTE系统暂不考虑宏分集技术。
OFDM技术是LTE系统的技术基础与主要特点,OFDM系统参数设定对整个系统的性能会产生决定性的影响,其中载波间隔又是OFDM系统的最基本参数,经过理论分析与仿真比较最终确定为15kHz。
上下行的最小资源块为375kHz,也就是25个子载波宽度,数据到资源块的映射方式可采用集中(localized)方式或离散(distributed)方式。
循环前缀CyclicPrefix(CP)的长度决定了OFDM系统的抗多径能力和覆盖能力。
长CP利于克服多径干扰,支持大范围覆盖,但系统开销也会相应增加,导致数据传输能力下降。
为了达到小区半径100Km的覆盖要求,LTE系统采用长短两套循环前缀方案,根据具体场景进行选择:
短CP方案为基本选项,长CP方案用于支持LTE大范围小区覆盖和多小区广播业务。
MIMO作为提高系统输率的最主要手段,也受到了各方代表的广泛关注。
LTE已确定MIMO天线个数的基本配置是下行2×2、上行1×2,但也在考虑4×4的高阶天线配置。
北电的专利技术虚拟MIMO也被LTE采纳作为提高小区边缘数据速率和系统性能的主要手段。
另外,LTE也正在考虑采用小区干扰抑制技术来改善小区边缘的数据速率和系统容量。
下行方向MIMO方案相对较多,根据2006年3月雅典会议报告,LTEMIMO下行方案可分为两大类:
发射分集和空间复用两大类。
目前,考虑采用的发射分集方案包括块状编码传送分集(STBC,SFBC),时间(频率)转换发射分集(TSTD,FSTD),包括循环延迟分集(CDD)在内的延迟分集(作为广播信道的基本方案),基于预编码向量选择的预编码技术。
其中预编码技术已被确定为多用户MIMO场景的传送方案。
上海会议将对MIMO技术做进一步的讨论。
最终会为下行数据信道确定唯一的分集传送方案。
高峰值传送输率是LTE下行链路需要解决的主要问题。
为了实现系统下行100Mbps峰值速率的目标,在3G原有的QPSK、16QAM基础上,LTE系统增加了64QAM高阶调制。
LTE上行方向关注的首要问题是控制峰均比,降低终端成本及功耗,目前主要考虑采用位移BPSK和频域滤波两种方案进一步降低上行SC-FDMA的峰均比。
LTE除了继续采用成熟的Turbo信道编码外,还在考虑使用先进的低密度奇偶校验(LDPC)码。
3GPPLTE接入网在能够有效支持新的物理层传输技术的同时,还需要满足低时延、低复杂度、低成本的要求。
原有的网络结构显然已无法满足要求,需要进行调整与演进。
2006年3月的会议上,3GPP确定了E-UTRAN的结构,接入网主要由演进型eNodeB(eNB)和接入网关(aGW)构成,这种结构类似于典型的IP宽带网络结构,采用这种结构将对3GPP系统的体系架构产生深远的影响。
eNodeB是在NodeB原有功能基础上,增加了RNC的物理层、MAC层、RRC、调度、接入控制、承载控制、移动性管理和inter-cellRRM等功能。
aGW可以看作是一个边界节点,作为核心网的一部分。
但在如何处理小区间干扰协调、负载控制等问题上各成员还存在分歧,是采用RRMServer进行集中式管理,还是采用分散管理,尚未达成一致。
1.2.2LTE系统中的OFDM技术
OFDM(OrthogonalFre-quencyDivisionMultiplexing)技术的基本原理含义为正交频分复用技术。
这种技术是HPA联盟(HomePlugPowerlineAlliance)工业规范的基础,它采用一种不连续的多音调技术,将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号,从而完成信号传送。
由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力,因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。
在传统的多载波通信系统中,整个系统频带被划分为若干个互相分离的子信道(载波)。
载波之间有一定的保护间隔,接收端通过滤波器把各个子信道分离之后接收所需信息。
这样虽然可以避免不同信道互相干扰,但却以牺牲频率利用率为代价。
而且当子信道数量很大的时候,大量分离各子信道信号的滤波器的设置就成了几乎不可能的事情。
上个世纪中期,人们提出了频带混叠的多载波通信方案,选择相互之间正交的载波频率作子载波,也就是所说的OFDM。
这种“正交”表示的是载波频率间精确的数学关系。
按照这种设想,OFDM既能充分利用信道带宽,也可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错。
OFDM是一种特殊的多载波通信方案,单个用户的信息流被串/并变换为多个低速率码流,每个码流都用一个子载波发送。
OFDM不用带通滤波器来分隔子载波,而是通过快速傅立叶变换(FFT)来选用那些即便混叠也能够保持正交的波形。
OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。
无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的,而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,并且各子载波并行传输。
这样,尽管总的信道是非平坦的,具有频率选择性,但是每个子信道是相对平坦的,在每个子信道上进行的是窄带传输,信号带宽小于信道的相应带宽,因此就可以大大消除信号波形间的干扰。
由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交,它们的频谱是相互重叠的,这样不但减小了子载波间的相互干扰,同时又提高了频谱利用率。
OFDM技术属于多载波调制(Multi-Car•rierModulation,MCM)技术。
有些文献上将OFDM和MCM混用,实际上不够严密。
MCM与OFDM常用于无线信道,它们的区别在于:
OFDM技术特指将信道划分成正交的子信道,频道利用率高;而MCM,可以是更多种信道划分方法。
OFDM技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率,或者是为了改进对多载波的调制,它的特点是各子载波相互正交,使扩频调制后的频谱可以相互重叠,从而减小了子载波间的相互干扰。
在对每个载波完成调制以后,为了增加数据的吞吐量、提高数据传输的速度,它又采用了一种叫作HomePlug的处理技术,来对所有将要被发送数据信号位的载波进行合并处理,把众多的单个信号合并成一个独立的传输信号进行发送。
另外OFDM之所以备受关注,其中一条重要的原因是它可以利用离散傅立叶反变换/离散傅立叶变换(IDFT/DFT)代替多载波调制和解调。
OFDM增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。
在单载波系统中,单个衰落或者干扰可能导致整个链路不可用,但在多载波的OFDM系统中,只会有一小部分载波受影响。
此外,纠错码的使用还可以帮助其恢复一些载波上的信息。
通过合理地挑选子载波位置,可以使OFDM的频谱波形保持平坦,同时保证了各载波之间的正交。
OFDM尽管还是一种频分复用(FDM),但已完全不同于过去的FDM。
OFDM的接收机实际上是通过FFT实现的一组解调器。
它将不同载波搬移至零频,然后在一个码元周期内积分,其他载波信号由于与所积分的信号正交,因此不会对信息的提取产生影响。
OFDM的数据传输速率也与子载波的数量有关。
OFDM每个载波所使用的调制方法可以不同。
各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式,比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等,以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。
我们通过选择满足一定误码率的最佳调制方式就可以获得最大频谱效率。
无线多径信道的频率选择性衰落会使接收信号功率大幅下降,经常会达到30dB之多,信噪比也随之大幅下降。
为了提高频谱利用率,应该使用与信噪比相匹配的调制方式。
可靠性是通信系统正常运行的基本考核指标,所以很多通信系统都倾向于选择BPSK或QPSK调制,以确保在信道最坏条件下的信噪比要求,但是这两种调制方式的频谱效率很低。
OFDM技术使用了自适应调制,根据信道条件的好坏来选择不同的调制方式。
比如在终端靠近基站时,信道条件一般会比较好,调制方式就可以由BPSK(频谱效率1bit/s/Hz)转化成16QAM-64QAM(频谱效率4~6bit/s/Hz),整个系统的频谱利用率就会得到大幅度的提高。
自适应调制能够扩大系统容量,但它要求信号必须包含一定的开销比特,以告知接收端发射信号所应采用的调制方式。
终端还要定期更新调制信息,这也会增加更多的开销比特。
OFDM还采用了功率控制和自适应调制相协调工作方式。
信道好的时候,发射功率不变,可以增强调制方式(如64QAM),或者在低调制方式(如QPSK)时降低发射功率。
功率控制与自适应调制要取得平衡。
也就是说对于一个发射台,如果它有良好的信道,在发送功率保持不变的情况下,可使用较高的调制方案如64QAM;如果功率减小,调制方案也就可以相应降低,使用QPSK方式等。
自适应调制要求系统必须对信道的性能有及时和精确的了解,如果在差的信道上使用较强的调制方式,那么就会产生很高的误码率,影响系统的可用性。
OFDM系统可以用导频信号或参考码字来测试信道的好坏。
发送一个已知数据的码字,测出每条信道的信噪比,根据这个信噪比来确定最适合的调制方式。
1.2.3LTE系统中的MIMO技术
MIMO(Multiple-InputMultiple-Out-put)系统就是利用多天线来抑制信道衰落。
根据收发两端天线数量,相对于普通的SISO(Single-InputSingle-Output)系统,MIMO还可以包括SIMO(Single-InputMulti-ple-Output)系统和MISO(Multiple-InputSingle-Output)系统。
通常,多径要引起衰落,因而被视为有害因素。
然而研究结果表明,对于MIMO系统来说,多径可以作为一个有利因素加以利用。
MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道,MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。
图1所示为MIMO系统的原理图。
传输信息流s(k)经过空时编码形成N个信息子流ci(k),I=1,……,N。
这N个子流由N个天线发射出去,经空间信道后由M个接收天线接收。
多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流,从而实现最佳的处理。
特别是,这N个子流同时发送到信道,各发射信号占用同一频带,因而并未增加带宽。
若各发射接收天线间的通道响应独立,则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。
通过这些并行空间信道独立地传输信息,数据率必然可以提高。
MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化,从而实现高的通信容量和频谱利用率。
这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 修改 LTE 系统 高速公路 监控 应用 研究 报告
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)