一種高速場景下大規(guī)模mimo自適應(yīng)多波束成形方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種高速場景下大規(guī)模MIMO自適應(yīng)多波束成形方法，具體為：針對高鐵環(huán)境稀疏散射體與視距LOS徑明顯而導(dǎo)致的MIMO信道強相關(guān)性，基于到達角DoA進行高速場景下大規(guī)模MIMO的波束成形設(shè)計。對各車載移動車廂終端MCT分別進行波束成形，通過分別計算不同子波束的信干噪比SINR從而自適應(yīng)調(diào)節(jié)各子波束所需的發(fā)射天線數(shù)。當(dāng)列車距離基站較遠(yuǎn)時，子波束間干擾嚴(yán)重，本發(fā)明所提方法可以根據(jù)系統(tǒng)總?cè)萘孔赃m應(yīng)調(diào)節(jié)子波束數(shù)目，使系統(tǒng)性能得到提升。
【專利說明】
一種高速場景下大規(guī)模ΜI MO自適應(yīng)多波束成形方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明主要涉及高鐵環(huán)境的通信機制，針對大規(guī)模ΜΜ0設(shè)計的一種自適應(yīng)多波束 成形方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著高速鐵路的迅速發(fā)展，中國鐵路通信使用的GSM-R(GSM for Railway)體系主 要用于列車控制信息且最高提供200kb/s的數(shù)據(jù)率，已不能滿足高鐵用戶對高速移動互聯(lián) 網(wǎng)業(yè)務(wù)的需求。為此，國際鐵路聯(lián)盟UIC計劃由GSM-R逐漸演變?yōu)長TE-R(Long Term Evolution for Railway)。研究表明基站側(cè)配置幾十甚至幾百根大規(guī)模多入多出 (Multiple Input Multiple Output,ΜΙΜ0)天線，可有效提升頻譜效率至數(shù)十甚至數(shù)百 bits/s/Hz。理論上，隨著天線數(shù)的增加，噪聲和快衰落會逐漸減小，并且空間自由度也會逐 漸提尚。
[0003] 對于高鐵通信，典型的場景為高架橋，這就導(dǎo)致很強的視距(Line of Sight，L0S) 和稀疏散射體分布的環(huán)境，使得信道的相關(guān)性非常強，當(dāng)在高鐵環(huán)境應(yīng)用大規(guī)模ΜΙΜΟ技術(shù) 時，各天線發(fā)送的子流間存在很強的干擾，嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能，幾乎無法獲得多天線帶來的 增益。
[0004] 為解決上述問題，一個有效的方案就是對多天線進行波束成形設(shè)計。根據(jù)調(diào)研發(fā) 現(xiàn)，已有大量學(xué)者對波束成形方面做出許多貢獻，例如相鄰BS協(xié)作波束成形技術(shù)、跟蹤波束 成形體系、分布式波束成形和基于位置信息的伺機波束成形等，但大部分的波束成形設(shè)計 只是針對低速場景，針對高鐵環(huán)境的波束成形設(shè)計方法較少，例如基于毫米波的自適應(yīng)波 束分合傳輸方案，通過列車位置的不同自適應(yīng)合并成較寬單波束或分裂成兩個子波束，提 升傳輸可靠性，但是毫米波在大氣中衰減嚴(yán)重，列車距離基站較遠(yuǎn)時，系統(tǒng)容量下降較快。
[0005] 在高速移動環(huán)境下的無線通信系統(tǒng)中，列車大部分時間運行在高架橋、郊區(qū)等視 野開闊的區(qū)域，列車與基站之間的散射體比較稀疏，因此L0S路徑較強，信道相關(guān)性較大，各 個天線經(jīng)歷的衰落差異性不大，分集增益并不明顯。另一方面，由于接收端與發(fā)射端之間的 相對高速運動，多徑時變和多普勒頻移將會導(dǎo)致嚴(yán)重的信道快速時變，因此無論是通過時 分雙工(TDD)上下行鏈路互易性或頻分雙工(FDD)反饋方式而獲的信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI)均會存在較大延時，此時若通過該CSI進行波束成形設(shè)計則無法 將波束調(diào)整到目標(biāo)用戶。尤其是當(dāng)列車與基站非常近時，方位角變化非常迅速。因此本文采 用基于到達角(Direction of Arrival，DoA)進行波束成形設(shè)計。
[0006] 基于此，本發(fā)明針對高鐵環(huán)境，提出一種高速場景下大規(guī)模ΜΙΜΟ自適應(yīng)多波束成 形方法。該方法基于DoA進行波束成形設(shè)計，無需用戶端反饋信道信息，通過多天線對不同 用戶設(shè)計多個波束成形從而降低干擾、提升系統(tǒng)容量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明目的：高速移動場景下，提出一種高速場景下大規(guī)模ΜΙΜ0自適應(yīng)多波束成形 方法，從而保證通信的可靠性并提升系統(tǒng)容量。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案：
[0009] 考慮高鐵移動車廂終端(Mobile Carriage Terminal，MCT)與鐵路沿線的基站之 間的大規(guī)模ΜΙΜΟ通信系統(tǒng)。如圖1所示，車內(nèi)用戶與地面基站之間的通信采用雙層結(jié)構(gòu)，分 別由兩部分組成:一部分為車地通信，即道旁的基站與高鐵車載MCT之間的車地通信；另一 部分為車內(nèi)通信，即高鐵每節(jié)車廂頂部的車載MCT與用戶之間的通信。車內(nèi)用戶對寬帶通信 的需求可以通過車地通信中MCT的SINR和容量進行體現(xiàn)。因而本發(fā)明主要研究其中的車地 通信。
[0010] 自適應(yīng)多波束大規(guī)模ΜΙΜΟ收發(fā)系統(tǒng)模型如圖2所示，設(shè)高鐵有S節(jié)車廂，每節(jié)車廂 頂部安裝有1個MCT，每個MCT有Nr根天線，基站等距離地部署Nt(N t>Nr)根天線，陣元與陣元 間的距離為Α λυλ。為載波波長，△為歸一化的陣元間距。設(shè)每截車廂長度為1，列車與基站 垂直距離為Dmin，基站天線高度與MCT天線高度差為h BS，di表示第i個MCT (記為MCTi)與基站 在軌道上垂直投影點的距離，d表示列車與基站在軌道上投影的的實時距離，設(shè)Θ,為第i個 MCT視距接收方向在xoy平面與y軸的夾角，(iM為第i個MCT視距接收方向與z軸的夾角，假設(shè) 為MCh設(shè)計的波束所需天線數(shù)為m。
[0011] 由于天線間距遠(yuǎn)小于通信距離，因此天線陣列的遠(yuǎn)場可以表示為陣列因子(Array Factor，AF)與陣元因子(Element Factor，EF)的乘積。EF取決于無線信道的傳輸電磁特性， 而AF跟陣元間距、排列結(jié)構(gòu)等相關(guān)。于是圖2中所示的高鐵系統(tǒng)中，不同波束的發(fā)送陣列控 制向量為：
[0012]
(1)
[0013] di = di+(i-l) · 1,1 = 1,2,...,S (2) 其中
是結(jié)合基站與列車間方位角和仰角的角度因子，是d的函數(shù)，而
示第i個波束峰值處(設(shè)為cU)對應(yīng)的角度因子。角度因子κ控制著波束成形 的角度。cU是第1個MCT所在的位置，各波束的發(fā)送陣列因子可以由Z(cU)各元素之和得到，表 示為：
[0014] (3)
[0015] 其中，隊=j2ii · Δ · |>(d)-K(di)]，從圖2中可以得出：
[0016]
(4) [0017]從而得出角度因子表達式為：
[0018]
(5)
[0019] 發(fā)射端天線整合的數(shù)據(jù)發(fā)送矩陣為：
[0020]
(6)
[0021]車頂共有S個MCT，每個MCT配置Nr根天線，假設(shè)天線配置均相同，則總的接收天線 數(shù)為Ns = S · Nr，則接收端接收到的數(shù)據(jù)可以表示為：
[0022]
(7)
[0023] 其中，Pt為總的發(fā)射功率，為信道狀態(tài)矩陣，Χ=[Χ1Χ2· · ·κ]τ為發(fā)送數(shù)據(jù)， no是噪聲項，i
[0024] 將所有MCT上的接收信號進行合并，接收端的等增益合并矩陣為：
[0025]
(8)
[0026] 則接收端的接收矩陣為：
[0027]
(9)
[0028] 在設(shè)計波束成形時，天線間距需比較小，天線經(jīng)歷的衰落具有強相關(guān)性，根據(jù)前文 的分析，高鐵環(huán)境中的信道具有強L0S特征，散射環(huán)境較少，因此為簡化分析，這里僅考慮 L0S情況，將式(6)和式(8)代入式(9)中可得：
[0029](10) L------
7 ---^ 7 一.，」1_:
[0030] 從上式可以看出，對于數(shù)據(jù)Xl而言，有效增益項為AF(cU，i)，而六？((11，州 1內(nèi)為來自 其他波束對Xi的干擾，因此子流&的31冊為
[0032] 兵屮σ<Γ衣不μ栄尸卞沉功半，很做b 1離則R」侍出列車不同時刻隨距離d變化的單位 帶寬系統(tǒng)容量：
[0031] (11)
[0033]
(12)
[0034] 由于列車的位置在不斷變化中，因此發(fā)射端對不同車廂MCT設(shè)計波束所需的天線 數(shù)m需要實時做出調(diào)整以適應(yīng)MCT所處的不同位置，從而達到提升或保持系統(tǒng)容量的目的。 同時當(dāng)列車行駛至離BS較遠(yuǎn)時，由于各個子波束間的夾角非常小，因此波束間的干擾會非 常嚴(yán)重，此時如果仍以S束波束進行傳輸，不僅不會提升系統(tǒng)容量，反而會造成系統(tǒng)性能的 下降，因此需要對波束數(shù)目進行實時調(diào)整以保證系統(tǒng)總?cè)萘?。例如，?dāng)列車駛離BS并越行越 遠(yuǎn)時，各波束間干擾加劇，因此可以減少波束數(shù)目來降低干擾，減少波束數(shù)目的原則是減少 波束數(shù)時不降低系統(tǒng)總?cè)萘浚敲醋顑?yōu)波束則為此時對應(yīng)的波束數(shù)。優(yōu)化函數(shù)表示為：
[0035]
(13)
[0036]綜上，本發(fā)明基于以上背景，提出了一種高速場景下大規(guī)模ΜΜ0自適應(yīng)多波束成 形方法。具體流程如下： Nr
[0037] 步驟 1、初始化m與Sopt，其中Sopt=S，", =-f-L.，i = l，2, · · ·，Sopt; ^.opt
[0038] 步驟2、計算每個子流的信干噪比SNIRi，
[0039] 步驟3、計算天線調(diào)整數(shù)Δ m，天線調(diào)整數(shù)按照下式進行：
[0040]
[0041 ]步驟4、更新m，咚=，+，其中表示四舍五入取整符號；
[0042] 步驟5、判斷更新后的系統(tǒng)容量與功率，若同時滿足C'>C且W 2 則跳轉(zhuǎn)到步 NjS 1 驟2,否則進入步驟6;
ΝΓ
[0043] 步驟 6、判！ ，若成立則 Sopt = Sopt-l，％=^， ^Opt 否則結(jié)束。
[0044] 如上所述，本發(fā)明基于DoA，研究了高速移動場景下的大規(guī)模ΜΜ0自適應(yīng)多波束成 形設(shè)計方法，根據(jù)各個波束不同的容量與干擾對BS側(cè)的波束數(shù)目和各個波束所需天線數(shù)進 行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，該方法可以保證高鐵在運行中處于任何位置均能獲得最優(yōu)系統(tǒng)容量，提升 系統(tǒng)性能。
【附圖說明】
[0045] 本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明 顯和容易理解，其中：
[0046] 圖1高速場景下大規(guī)模ΜΙΜΟ系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；
[0047] 圖2高鐵環(huán)境下大規(guī)模ΜΙΜΟ多天線多波束的收發(fā)結(jié)構(gòu)圖；
[0048] 圖3高速場景下的大規(guī)模MBTO自適應(yīng)多波束成形的設(shè)計流程。
【具體實施方式】
[0049] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0050] 在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語"縱向"、"橫向"、"上"、"下"、"前"、"后"、 "左"、"右"、"豎直"、"水平"、"頂"、"底"、"內(nèi)"、"外"等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所 示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝 置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限 制。
[0051] 在本發(fā)明的描述中，除非另有規(guī)定和限定，需要說明的是，術(shù)語"安裝"、"相連"、 "連接"應(yīng)做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內(nèi)部的連通，可 以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù) 具體情況理解上述術(shù)語的具體含義。
[0052]下面結(jié)合附圖3對本發(fā)明做進一步描述。
[0053]參照附圖3，一種高速場景下大規(guī)模ΜΜ0自適應(yīng)多波束成形方法，具體實施步驟如 下：
[0054] 步驟100,開始； Nr
[0055] 步驟 110、初始化m與Sopt，其中Sopt = S，", =^-i = l，2, · · ·，Sopt; *^Opl
[0056] 步驟120、計算不同波束的發(fā)送陣列控制向量z(di);
[0057] 步驟130、對Z(cU)元素進行求和，得出各波束的發(fā)送陣列因子AF(d，i);
[0058] 步驟140、綜合各個子波束Z(cU)得出發(fā)射天線整合后的發(fā)射數(shù)據(jù)矩陣1
[0059] 步驟150、計算各個子流的信干噪比SNIRi;
[0060] 步驟160、計算天線調(diào)整數(shù)Am;
[0061] 步驟170、更新m，/% =%+「如廠|，其中「*]表示四舍五入取整符號；
[0062] 步驟180、判斷更新后的系統(tǒng)容量與功率，若同時滿足C'>C且|%s|2 ，則跳轉(zhuǎn)到步驟150，否則進入步驟190;
[0063] 步驟190、判B 皆成立則進入步驟200,否則 進入步驟210; Ντ
[0064] 步驟200、3_ = 3_-1，"/=廠； ^：opt
[0065] 步驟210、結(jié)束。
[0066] 在本說明書的描述中，參考術(shù)語"一個實施例"、"一些實施例"、"示例"、"具體示 例"、或"一些示例"等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特 點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不 一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何 的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。
[0067]盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解:在不 脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本 發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。
【主權(quán)項】
1. 本發(fā)明提出一種高速場景下大規(guī)模Mnro自適應(yīng)多波束成形方法，具體為： 高速運行環(huán)境中稀疏散射體與強視距LOS特性使得信道具有強相關(guān)性，因而大規(guī)模 Mnro在高速移動場景下的應(yīng)用受到極大的限制，無法獲得有效的分集與復(fù)用增益，為解決 此問題的有效方案就是波束成形設(shè)計，然而高速移動場景特有的分布特性使得波束間干擾 非常嚴(yán)重，針對這個難題，本發(fā)明提出一套基于到達角DoA的大規(guī)模Mnro自適應(yīng)多波束成形 方法； 該方法包含的創(chuàng)新有： Sl，高鐵通信場景通常為郊區(qū)、原野等開闊區(qū)域，LOS徑明顯；另一方面，高鐵只沿著特 定線路運行，其方位角與位置信息可根據(jù)先驗信息很容易得到，因此將DoA運用于高鐵多天 線更能獲得較高的系統(tǒng)性能； 52, 若發(fā)射端采用單波束進行波束成形，系統(tǒng)容量較低，而當(dāng)采用固定多波束設(shè)計時， 在列車距離基站較遠(yuǎn)處時，各波束夾角非常小，相互干擾嚴(yán)重，勢必影響系統(tǒng)性能;基于此， 本發(fā)明提出自適應(yīng)多波束方法，根據(jù)系統(tǒng)總?cè)萘康淖兓赃m應(yīng)地選擇增加或減少子波束數(shù) 目； 53, 不同移動車廂終端MCT處于不同位置，因而對應(yīng)子波束的容量各不相同，通過各個 子波束的容量自適應(yīng)地調(diào)節(jié)各個子波束所需的發(fā)射天線數(shù)，從而最大化系統(tǒng)總?cè)萘俊?. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速場景下大規(guī)模MIMO自適應(yīng)多波束成形方法，其特征 在于，所述權(quán)利要求1中將DoA運用于高鐵多天線，具體包括： 符號說明如下： 高鐵有S節(jié)車廂，每節(jié)車廂頂部安裝有1個MCT，每個MCT有Nr根天線，基站等距離地部署 Nt(Nt>Nr)根天線，陣元與陣元間的距離為Δ · λ〇，λ。為載波波長，Δ為歸一化的陣元間距;每 截車廂長度為1，列車與基站垂直距離為Dmin，基站天線高度與MCT天線高度差為h BS，di表示 第i個MCT(記為MCT1)與基站在軌道上垂直投影點的距離，d表示列車與基站在軌道上投影 的實時距離，設(shè) θι為第i個MCT視距接收方向在xoy平面與y軸的夾角， φι為第i個MCT視距接 收方向與z軸的夾角，為MCT1設(shè)計的子波束所需天線數(shù)為m; 一種高速場景下大規(guī)模Mnro自適應(yīng)多波束成形方法的具體流程如下：步驟2、計算不同波束的發(fā)送陣列控制向量Z (di); 步驟3、對Z(Cl1)元素進行求和，得出各波束的發(fā)送陣列因子AF(d，i); 步驟4、綜合各個子波束z (Cl1)得出發(fā)射天線整合后的發(fā)射數(shù)據(jù)矩陣; 步驟5、計算各個子流的信干噪比SNIRi; 步驟6、計算天線調(diào)整數(shù)Δ m; 步驟7、更新m，，=/? +「Δ^ 1其中「·1表示四舍五入取整符號； 步驟8、判斷更新后的系統(tǒng)容量與功率，若同時滿足C'>C且W 2 S 則跳轉(zhuǎn)到步驟5， NtS 1 否則進入步驟9; 步驟10、結(jié)束。3. 根據(jù)權(quán)利要求2中一種高速場景下大規(guī)模ΜΙΜΟ自適應(yīng)多波束成形方法的具體流程， 其特征在于，所述步驟2、步驟3和步驟4基于DoA進行波束成形設(shè)計，具體為： 由于天線間距遠(yuǎn)小于通信距離，因此天線陣列的遠(yuǎn)場可以表示為陣列因子與陣元因子 的乘積;陣元因子取決于無線信道的傳輸電磁特性，而陣列因子跟陣元間距、排列結(jié)構(gòu)等相 關(guān)。4. 根據(jù)權(quán)利要求2中一種高速場景下大規(guī)模MIMO自適應(yīng)多波束成形方法的具體流程， 其特征在于，所述步驟5、步驟6、步驟7和步驟8體現(xiàn)了各子波束所需發(fā)射天線數(shù)自適應(yīng)條件 的思想，具體為： 計算不同子波束對應(yīng)的信干噪比，由于列出位置一直在變化，其與基站的方位角隨之 變化，信干噪比SINR亦隨時間變化，為保證所有MCT均能可靠通信且系統(tǒng)總?cè)萘坎唤档?，?適應(yīng)調(diào)節(jié)各子波束發(fā)射天線數(shù)，平衡子波束的SINR，而步驟8則保證系統(tǒng)總?cè)萘坎粫S著下 降。5. 根據(jù)權(quán)利要求2中一種高速場景下大規(guī)模MIMO自適應(yīng)多波束成形方法的具體流程， 其特征在于，所述步驟9體現(xiàn)自適應(yīng)選擇子波束數(shù)目的思想，具體為： 當(dāng)前最優(yōu)子波束數(shù)目為Scipt，當(dāng)列車離基站越來越遠(yuǎn)時，子波束間的干擾會加劇，嚴(yán)重 影響多波束性能，因此進行判定，若減少子波束數(shù)目能保證系統(tǒng)容量不下降時，則執(zhí)行Scipt =Scipt-I，此時子波束減少，相互干擾也會相應(yīng)降低;相反，若列車是逐漸靠近基站時，子波 束數(shù)目會逐步增加以提升系統(tǒng)性能。
【文檔編號】H04B7/04GK105933045SQ201610387503
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月2日
【發(fā)明人】廖勇, 李瑜鋒
【申請人】重慶大學(xué)