高鐵下一代無線通信系統(tǒng)的波束賦形與大規(guī)模多天線傳輸技術(shù)研究.pdf

1、鐵路運(yùn)輸尤其是高速鐵路運(yùn)輸由于其速度快、運(yùn)輸能力大、環(huán)境污染輕、能耗低、安全性高、舒適度好等諸多優(yōu)點(diǎn)而在世界各國得到了廣泛的關(guān)注與建設(shè)。高速鐵路，是一個(gè)綜合概念，既包括路軌和供電網(wǎng)也包括高速列車和通信與信號(hào)系統(tǒng)等，通常簡稱高鐵，運(yùn)營速度一般為200到350km/h，試驗(yàn)峰值速度高達(dá)574km/h。高速鐵路安全高效的運(yùn)營，離不開各種現(xiàn)代有線通信、無線通信與信息處理技術(shù)的支撐。高鐵無線通信主要分為用于列車調(diào)度控制的專用無線通信和用于旅客信息

2、服務(wù)的寬帶無線通信兩部分。現(xiàn)有的高鐵無線通信系統(tǒng)為滿足列車調(diào)度控制的通信需求，采用了基于第二代全球移動(dòng)通信系統(tǒng)并專門為鐵路通信設(shè)計(jì)的綜合專用數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM-R。在中國，目前暫時(shí)沒有專門用于高鐵旅客信息服務(wù)的無線通信系統(tǒng)，旅客仍然使用公網(wǎng)運(yùn)營商提供的基于第三代移動(dòng)通信(3G)系統(tǒng)的UMTS網(wǎng)絡(luò)或準(zhǔn)第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(LTE)。為了滿足高鐵下一代無線通信系統(tǒng)的高可靠性和大容量的需求，GSM-R將向LTE-R演進(jìn)，而用于旅客信息服務(wù)的

3、寬帶無線通信系統(tǒng)也需要一套更有效的解決方案。基于此，本文研究高速鐵路場景下的無線傳輸技術(shù)，包括波束賦形技術(shù)和大規(guī)模多天線技術(shù)研究。
　　首先，傳統(tǒng)的波束賦形技術(shù)主要用來在傳輸?shù)倪^程中降低干擾，增加理想用戶的信干噪比。本文研究高鐵場景波束賦形應(yīng)用問題，道旁基站可以共享有關(guān)列車的位置和速度信息，對(duì)即將實(shí)行切換的列車進(jìn)行波束賦形輔助切換，通過調(diào)整波束增益，提高切換的可靠性。研究結(jié)果表明該策略使得列車在經(jīng)過重疊區(qū)時(shí)同時(shí)接受源基站和目標(biāo)基站

4、的波束服務(wù)，有利于改善切換觸發(fā)過程，減小中斷的風(fēng)險(xiǎn)，較好地提升了列車接收到的信號(hào)質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)了可靠切換。
　　接著，由于基于智能天線的波束賦形技術(shù)對(duì)信道估計(jì)要求較高，而基于非智能天線的機(jī)會(huì)波束賦形技術(shù)則只需要信道的信噪比(SNR)報(bào)告，通過將列車頂部的單個(gè)車載臺(tái)擴(kuò)展為多個(gè)單天線車載臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)會(huì)波束賦形，即為每個(gè)車載臺(tái)天線乘以隨機(jī)復(fù)權(quán)重，以增加基站與車載臺(tái)收發(fā)天線之間隨機(jī)信道波動(dòng)的動(dòng)態(tài)范圍，再利用可預(yù)知的列車位置信息干預(yù)復(fù)權(quán)重

5、的隨機(jī)相位取值，進(jìn)一步獲取更高的多用戶分集增益。研究結(jié)果表明，所提出的策略可以提高系統(tǒng)吞吐率，使傳統(tǒng)機(jī)會(huì)波束賦形算法的性能進(jìn)一步接近基于智能天線的相干波束賦形算法。
　　其次，波束賦形要求天線陣列的陣元間距小于載波的半波長，而空間分集技術(shù)如Alamouti空時(shí)分組編碼(STBC)要求天線間距為載波波長的5-10倍，要將這兩種技術(shù)進(jìn)行結(jié)合以同時(shí)獲得陣列增益與分集增益，需要對(duì)收發(fā)端的天線陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文將這兩種技術(shù)的結(jié)合機(jī)制引入

6、到高鐵場景下，分為STBC與波束賦形同在發(fā)端和STBC與波束賦形分別在發(fā)收兩端兩種情況，前一種細(xì)化為STBC-TxBFⅠ型結(jié)構(gòu)和STBC-TxBFⅡ型結(jié)構(gòu)，后一種細(xì)化為STBC-RxBFⅠ型結(jié)構(gòu)和STBC-RxBFⅡ型結(jié)構(gòu)，其中STBC-RxBFⅡ型結(jié)構(gòu)是本文提出的改進(jìn)算法，用基于到達(dá)方向的權(quán)重生成方法取代了基于信道協(xié)方差矩陣特征值分解的權(quán)重生成方法，產(chǎn)生兩個(gè)波束接收在發(fā)端經(jīng)過了STBC的兩個(gè)空間流，降低了算法開銷，并同時(shí)獲取了分集增益

7、與陣列增益，提高了STBC與波束賦形結(jié)合算法的BER性能。
　　雖然波束賦形技術(shù)可以與空間分集技術(shù)相結(jié)合，但是與空間復(fù)用技術(shù)的結(jié)合面臨著高鐵場景下強(qiáng)視距帶來的信道相關(guān)性高的問題。本文利用大規(guī)模多天線(LSMA)技術(shù)所特有的高角度分辨率的多波束來同時(shí)服務(wù)分別位于列車首尾的車載臺(tái)獲取陣列增益與空間復(fù)用增益。由于指向列車首尾的兩個(gè)波束間的模糊度隨著列車駛向小區(qū)邊緣而升高，同時(shí)波束的分辨率由基站的激活陣元個(gè)數(shù)決定，本文提出隨著列車的位置變

8、化而自適應(yīng)地采取不同的傳輸策略，包括激活不同個(gè)數(shù)的基站天線陣元，生成單波束或是雙波束來服務(wù)車載臺(tái)。研究結(jié)果說明所提出的基于自適應(yīng)天線激活(AAA)的波束賦形算法突破了高速場景下復(fù)用增益難以獲得的限制，令列車在駛過全小區(qū)的過程中始終具有較好且穩(wěn)定的頻譜效率和BER性能。
　　最后，大規(guī)模多天線可以集中式布置也可以分布式布置。在高鐵場景下，采用集中式布置可以通過激活全部天線陣元產(chǎn)生高分辨率的波束進(jìn)行傳輸，但是采用分布式布置時(shí)，將所有天