CN103024841A - 高速列车通信系统中基于位置信息和接收波束成形的智能切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速列车通信系统中基于位置信息和接收波束成形的智能切换方法，利用列车的地理位置信息，在服务基站和目标基站上分配功率并独立发送信号，利用列车车厢顶部的大规模中继天线进行接收波束成形，分离两路信号并进行独立译码，随着列车的移动，给出了服务基站和目标基站信号大尺度衰落、入射角、基站功率分配、接收成形矢量的更新算法，随着列车的移动，服务基站分配的功率逐渐减小，目标基站分配的功率逐渐增大，直至所有功率完全分配到目标基站，从而完成了高速列车通信系统的智能切换。本发明适用于两蜂窝的重叠处，发送端利用列车的地理位置信息，在服务基站和目标基站上分配功率并独立发送信号。

Description

高速列车通信系统中基于位置信息和接收波束成形的智能切换方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种基于位置信息和接收波束成形的高速列车智能切换方法。

背景技术

高铁技术的发展使得越来越多的人将其作为出行的交通工具，为高铁上的乘客提供无线接入服务也随之成为无线通信领域中的研究热点之一。列车的高速运动造成乘客与基站之间的无线信道快速变化，尤其是快速的路径损耗变化和产生多普勒频展，这对为乘客提供可靠、高速率的无线通信服务带来了很大的困难。此外，新一代无线通信技术，例如LTE、WiFi，服务小区半径越来越小，高铁的快速移动使其在行驶过程中经历频繁的切换，列车在小区内频繁切换会带来以下两个问题（见“Seamless dual-link handover scheme in broadbandwireless communication systems for high speed rail”,in Jour.Select.Area Comm.,pp.708-718,May,2012.）：

（1）群切换：通常列车上的乘客众多（列车有15节，每节列车所载乘客大约80人，列车上乘客约有1000人）。如果有很多人同时使用无线通信设备，同时为这些用户提供群切换需要耗费大量的信令开销；

（2）用户的通信服务质量无法得到保障。由于大量用户需要切换，需要目标小区预留大量的资源。如果目标小区当前的可利用资源无法满足所有切换用户的服务质量需求，某些用户就会发生掉话。此外，一些对数据传输延迟要求较高的用户来讲，如语音服务用户、实时线上游戏用户要求数据传输延迟不能超过50ms，切换延迟（完成切换的时间，LTE中切换延迟大约为100ms）会破坏其数据传输的连续性；

已有一些工作对高速移动场景下频繁切换所带来的问题提出了相应的解决方案。利用WiFi网络为高铁提供无线通信服务，所能达到的性能是在270mk/h的行驶速度下切换延迟不超过110ms（见“A communication system with a fasthandover under a high speed mobile environment”,in VTC2010-Fall,pp.1-5,Sep.2010.），利用为低速和高速用户赋予不同的优先级来优化切换时的高速移动用户的掉话率（见“Optimizing the handover call blocking probability in cellular networkswith high speed moving terminal”,in IEEE Comm.Letters,pp.422-424,Oct.2002.）。此外，在针对高铁通信的GSM-R系统中，利用已知的一些信息，如高铁的运动方向，运动速度等，运用模糊算法减少切换次数减少切换延迟（见“Fuzzy logicbased handoff decision algorithm in GSM-R network”,IET Conference on Wireless,Mobile and Sensor Networks(CCWMSN),Shanghai,China,Dec.2007.）。也有人提出了在LTE协议下支持高铁通信的系统框架，并得出基于该协议的切换延迟要小于GSM-R（见“Characterization and abatement of the reassociation overhead invehicle to roadside networks”,IEEE Trans.Comm.,pp.3296-3304,Nov.2010.）。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于位置信息和接收波束成形的高速列车智能切换方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。

高速列车系统中基于位置信息和接收波束成形的智能切换方法，列车以速度v沿已知轨迹行驶于蜂窝网中，蜂窝半径R，载波频率f_c,列车车顶装备有呈等间距线性分布的多根天线，数量为M，间距为d,服务基站和目标基站都装备有单天线，服务基站和目标基站首先将信号传到列车上的M根天线，然后此M根天线再将信号转发到车厢内用户，起到中继的作用，此处只考虑基站到多根天线中继的下行链路；下行链路建模为莱斯衰落，信道增益矩阵 $H^D={\left[\begin{array}{cc}{D}_S{\tilde{H}}_S^D& D_T{\tilde{H}}_T^D\end{array}\right]}_{M\×2},$ [D_S]_M×M、[D_T]_M×M分别为服务基站、目标基站到列车各天线的大尺度衰落矩阵，且为维度为M×M的对角阵，

为小尺度衰落矩阵，且为维度为M×1的莱斯分布，

每一个元素可以表示为exp(.)为指数运算，t为信号的采样时刻，

为服务基站到天线m的莱斯因子，

为瑞利分布，同理可得

的每一个元素，假定服务基站到中继阵列的入射角为θ_S，为正值，服务基站到中继阵列的入射角为θ_T，为负值，服务基站信号到列车各天线主径信号与到第一根天线主径信号的角度之差表示为

0≤m≤M-1，目标基站信号到列车各天线主径信号与到第一根天线主径信号的角度之差表示为

0≤m≤M-1，假定两接收波束增益均为g_M且为定值，白高斯噪声方差为σ²，大尺度衰落系数δ，各中继到服务基站、目标基站的距离分别为

0≤m≤M-1，针对各莱斯因子

基本相等，假定为K，列车位于两蜂窝重叠处，两基站相距列车的距离相当于蜂窝半径的三分之一以上，

分别视为相等，假定为D_S、D_T，两基站总功率限制为P，按照如下步骤完成通信和切换过程：

步骤（1.1）、在列车刚进入两蜂窝重叠处进行基站的功率分配，服务基站、目标基站得到的功率P_S、P_T由下述方程组获得：

$\frac{D_S^{\mathrm{\δ}}}{{(P_S{\mathrm{\α}}_S+D_S^{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\σ}}^2)}^2+g_M{P}_S(P_S{\mathrm{\α}}_S+D_S^{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\σ}}^2)}=\frac{D_T^{\mathrm{\δ}}}{{(P_T{\mathrm{\α}}_T+D_T^{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\σ}}^2)}^2+g_M{P}_T(P_T{\mathrm{\α}}_T+D_T^{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\σ}}^2)}$

P_S+P_T＝P

P_S≥0,P_T≥0

式中 ${\mathrm{\α}}_S=\frac{1}{12}{\left(2\mathrm{\π}{f}_d^S{T}_s\right)}^2,$ ${\mathrm{\α}}_T=\frac{1}{12}{\left(2\mathrm{\π}{f}_d^T{T}_s\right)}^2,$

为列车针对服务基站、目标基站信号的多普勒频移，

T_s为一个符号的时间，c为电磁波传播速度，即真空中3×10⁸m/s，上述方程可以化简为一元二次方程，采用牛顿微分法解此方程，得到P_S、P_T；

步骤(1.2)、在时间Δt内，服务基站、目标基站根据步骤（1.1）中分配的功率对需要传输的不同信源消息进行独立编码并发送；

步骤(1.3)、在接收端基于两个维度为1×M的接收矢量c_S和c_T进行接收波束成形，接收波束成形矢量表示为

c_S＝Cheb.*v^H(φ_S)

c_T＝Cheb.*v^H(φ_T)

式中Cheb为维度1×M的切比雪夫窗矩阵，作用在于抑制旁瓣，v^H(φ_S)、v^H(φ_T)为v(φ_S)、v(φ_T)的共轭转置，维度为1×M，.*为点乘运算

$v\left({\mathrm{\φ}}_S\right)={[1,\exp \left(j\frac{2\mathrm{\π}{f}_c}{c}d\sin {\mathrm{\θ}}_S\right),...,\exp \left(j\frac{2\mathrm{\π}{f}_c}{c}(M-1)d\sin {\mathrm{\θ}}_S\right)]}_{M\×1}^T$

$v\left({\mathrm{\φ}}_T\right)={[1,\exp \left(j\frac{2\mathrm{\π}{f}_c}{c}d\sin {\mathrm{\θ}}_T\right),...,\exp \left(j\frac{2\mathrm{\π}{f}_c}{c}(M-1)d\sin {\mathrm{\θ}}_T\right)]}_{M\×1}^T$

式中c为电磁波传播速度，即真空中3×10⁸m/s；

步骤(1.4)、接收端对根据两个接收波束成形矢量得到的两路信号进行独立译码；

步骤(1.5)、重复步骤(1.2)到步骤(1.4)，直至经过时间Δt之后，对两基站信号大尺度衰落、入射角、两路信号多普勒频移进行更新，对服务基站和目标基站分配的功率进行更新，对接收波束成形矢量进行更新，更新完成后，重复步骤(1.2)到步骤(1.4)，此过程不断循环，直至列车驶出两蜂窝重叠处，功率全部分配到目标基站，目标基站成为新一个服务基站，切换过程结束。

所述的一种基于位置信息和接收波束成形的高速列车智能切换方法，在蜂窝重叠处，每间隔Δt时间，参数进行一次更新，其更新过程如下：

步骤(2.1)、更新中继天线到服务基站、目标基站的距离，

D_S′＝D_S+vΔtsinθ_S

D_T′＝D_T+vΔtsinθ_T

式中，D_S′、D_T′为下一时隙服务基站、目标基站到中继天线距离，D_S、D_T为下一时隙服务基站、目标基站到中继天线距离，θ_S、θ_T为前一时隙服务基站、目标基站信号入射角；

步骤(2.2)、更新服务基站、目标基站信号的大尺度衰落的倒数，

$D_S^{{\mathrm{\δ}}^{\′}}=D_S^{\mathrm{\δ}}+D_S^{\mathrm{\δ}-1}\mathrm{\δv\Δt}\sin {\mathrm{\θ}}_S$

$D_T^{{\mathrm{\δ}}^{\′}}=D_T^{\mathrm{\δ}}+D_T^{\mathrm{\δ}-1}\mathrm{\δv\Δt}\sin {\mathrm{\θ}}_T$

式中

为下一时隙服务基站、目标基站到中继天线的大尺度衰落倒数，

为前一时隙服务基站、目标基站到列车的大尺度衰落的倒数，θ_S、θ_T为前一时隙服务基站、目标基站信号入射角；

步骤(2.3)、更新服务基站、目标基站信号入射角，

θ_S′＝θ_S+Δθ_S

θ_T′＝θ_T+Δθ_T

式中θ_S′、θ_T′为下一时隙服务基站、目标基站信号入射角，θ_S、θ_T为前一时隙服务基站、目标基站信号入射角，

步骤(2.4)、更新服务基站、目标基站信号在列车接收端的多普勒频移，

$f_d^{S^{\′}}=f_d^S+\frac{v{f}_c\cos {\mathrm{\θ}}_S}{c}\sin {\mathrm{\Δ\θ}}_S$

$f_d^{T^{\′}}=f_d^T+\frac{v{f}_c\cos {\mathrm{\θ}}_T}{c}\sin {\mathrm{\Δ\θ}}_T$

式中

为下一时隙服务基站、目标基站信号针对列车的多普勒频移，

为前一时隙服务基站、目标基站信号针对列车的多普勒频移，θ_S、θ_T为前一时隙服务基站、目标基站信号到列车入射角，

c为电磁波传播速度，即真空中3×10⁸m/s；

步骤(2.5)、更新多普勒干扰因子α_S、α_T

${{\mathrm{\α}}_S}^{\′}={\mathrm{\α}}_S+\frac{1}{12}{\left(2\mathrm{\π}\frac{v{f}_c}{c}{T}_s\right)}^2\sin 2{\mathrm{\θ}}_S\sin {\mathrm{\Δ\θ}}_S$

${{\mathrm{\α}}_T}^{\′}={\mathrm{\α}}_T+\frac{1}{12}{\left(2\mathrm{\π}\frac{v{f}_c}{c}{T}_s\right)}^2\sin 2{\mathrm{\θ}}_T\sin {\mathrm{\Δ\θ}}_T$

式中α_S′、α_T′为下一时隙的多普勒干扰因子，α_S、α_T为上一时隙的多普勒干扰因子,T_s为一个符号的时间，θ_S、θ_T为前一时隙服务基站、目标基站信号到列车的入射角，Δθ_S、Δθ_T如步骤(2.3)所述，为入射角的增量，c为电磁波传播速度，即真空中3×10⁸m/s；

步骤(2.6)、更新服务基站和目标基站分配的功率，将步骤(2.2)中得到的大尺度衰落倒数更新值步骤(2.5)中得到的多普勒干扰因子更新值α_S′、α_T′代入步骤(1.1)中的功率分配方程，得到：

$\frac{D_S^{{\mathrm{\δ}}^{\′}}}{{({P_S}^{\′}{{\mathrm{\α}}_S}^{\′}+D_S^{{\mathrm{\δ}}^{\′}}{\mathrm{\σ}}^2)}^2+g_M{P_S}^{\′}({P_S}^{\′}{{\mathrm{\α}}_S}^{\′}+D_S^{{\mathrm{\δ}}^{\′}}{\mathrm{\σ}}^2)}=\frac{D_S^{{\mathrm{\δ}}^{\′}}}{{({P_T}^{\′}{{\mathrm{\α}}_T}^{\′}+D_T^{{\mathrm{\δ}}^{\′}}{\mathrm{\σ}}^2)}^2+g_M{P_T}^{\′}({P_T}^{\′}{{\mathrm{\α}}_T}^{\′}+D_T^{{\mathrm{\δ}}^{\′}}{\mathrm{\σ}}^2)}$

P_S′+P_T′＝P

P_S′≥0,P_T′≥0

解此方程，得到下一时隙服务基站、目标基站分配的功率P_S′、P_T′；

步骤(2.7)、更新接收波束成形矢量

c_S′＝c_S.*v^H(Δφ_S)

c_T′＝c_T.*v^H(Δφ_T)

式中.*为点乘运算，其中

$v^H\left(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_S\right)=[1,\exp (-j\frac{2\mathrm{\π}{f}_c}{c}d\cos {\mathrm{\θ}}_S\sin \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_S),...,\exp (-j\frac{2\mathrm{\π}{f}_c}{c}(M-1)d\cos {\mathrm{\θ}}_S\sin \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_S)]$

$v^H\left(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_T\right)=[1,\exp (-j\frac{2\mathrm{\π}{f}_c}{c}d\cos {\mathrm{\θ}}_T\sin \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_T),...,\exp (-j\frac{2\mathrm{\π}{f}_c}{c}(M-1)d\cos {\mathrm{\θ}}_T\sin \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_T)]$

式中c_S′、c_T′为下一时隙波束成形矢量，c_S、c_T为前一时隙波束成形矢量，θ_S、θ_T为前一时隙服务基站、目标基站信号入射角，Δθ_S、Δθ_T如步骤(2.3)中所述，exp(.)为指数运算，c为电磁波传播速度，即真空中3×10⁸m/s。

本发明有益效果：适用于两蜂窝的重叠处，发送端利用列车的地理位置信息，在服务基站和目标基站上分配功率并独立发送信号，接收端利用列车车厢顶部的大规模中继天线进行接收波束成形，分离两路信号并进行独立译码。随着列车的移动，给出了服务基站和目标基站信号入射角、大尺度衰落、基站功率分配、接收成形矢量的更新算法。随着列车的移动，服务基站分配的功率逐渐减小，目标基站分配的功率逐渐增大，直至所有功率完全分配到目标基站，从而完成了高速列车的智能切换。

说明书附图

图1是基于位置信息和接收波束成形的高速列车智能切换方法的结构示意图；

图2是基于位置信息和接收波束成形的高速列车智能切换方法的几何示意图；

图3是仿真中的列车运行轨迹图，在距离两基站连线200m处的平行线处运行；

图4是基于位置信息和接收波束成形得到的服务基站信道、目标基站信道以及总信道在两蜂窝重叠区的不同位置的信道容量仿真曲线图；图中给定列车行驶速度v＝500km/h，服务基站和目标基站到所有中继的莱斯因子都相等且为K=1、10、20。

图5是基于位置信息和接收波束成形得到的服务基站信道、目标基站信道以及总信道在两蜂窝重叠区的不同位置的信道容量仿真曲线图，图中给定服务基站和目标基站到所有中继的莱斯因子都相等且为K=10时，列车在相对低速v＝0km/h、v＝100km/h、v＝200km/h。

图6是基于位置信息和接收波束成形得到的服务基站信道、目标基站信道以及总信道在两蜂窝重叠区的不同位置的信道容量仿真曲线图，图中给定服务基站和目标基站到所有中继的莱斯因子都相等且为K=10时，列车在相对高速v＝300km/h、v＝400km/h、v＝500km/h。

其中，目标基站1、服务基站2、多天线中继3、列车4、目标基站波束5、服务基站波束6。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

为解决在高铁切换过程中存在的群切换的问题，引入中继天线的概念，我们将高铁通信系统分为两层。第一层是基站到中继的通信，第二层是中继到内部用户的通信。在切换时，只需将中继天线作为一个整体进行切换，降低了切换的系统复杂度和切换失败概率。

高铁的运行轨迹、方向、速度是先验的，同时多天线的中继系统可以用来做波束成形，基于中继阵列相对基站的距离和最大化平均信道容量可以进行功率分配，基于中继阵列相对基站的角度可以进行接收波束成形，这使得在服务基站2和目标基站1之间进行智能切换成为可能，可以保持通信的连续性，避免硬切换带来的中断。而且，功率的分配、接收波束成形矢量是随着高铁的运动而更新的，更新算法的复杂度是很低的，使得在实际工程中易于实现。

实施例

基于位置信息和接收波束成形的高速列车智能切换方法中，高速列车4沿特定轨迹行驶于蜂窝网中，蜂窝半径R=1km,速度为v＝[0,100,200,300,400,500]km/h，载波频率f_c＝2GHz,波长0.15m,列车车顶装备有呈线性分布的M=101根中继天线，间距为d=10.5倍波长=1.575m,服务基站2和目标基站1都装备有单天线，基站首先将信号传到列车上的M根天线，然后此M根天线再将信号转发到车厢内用户，起到中继的作用，此处只考虑基站到多天线中继3的下行链路。下行链路建模为莱斯衰落，信道增益矩阵 $H^D={\left[\begin{array}{cc}{D}_S{\tilde{H}}_S^D& D_T{\tilde{H}}_T^D\end{array}\right]}_{M\×2},$ [D_S]_M×M、[D_T]_M×M分别为服务基站2、目标基站1到列车各天线的大尺度衰落矩阵，且为维度为M×M的对角阵。

为小尺度衰落矩阵，且为维度为M×1的莱斯分布，

每一个元素可以表示为

exp(.)为指数运算，t为信号采样时刻，

为服务基站2到天线m的莱斯因子，

为瑞利分布，同理可得

的每一个元素。假定服务基站2到中继阵列的入射角为θ_S，为正值，服务基站2到中继阵列的入射角为θ_T，为负值，服务基站2信号到列车各天线主径信号与到第一根天线主径信号的角度之差可以表示为

0≤m≤100，目标基站1信号到列车各天线主径信号与到第一根天线主径信号的角度之差可以表示为0≤m≤100。假定两接收波束5、6增益均为g_M＝M＝101，白高斯噪声功率为σ²＝10^-3W，即0dBm,大尺度衰落系数δ＝2，各中继到服务基站2、目标基站1的距离分别为

0≤m≤100。

针对各莱斯因子

基本相等，假定为K=[1,10,20]，列车位于两蜂窝重叠处，两基站相距列车都较远，

分别基本相等，假定为D_S、D_T，首先计算由于列车移动引起的多普勒效应对信道的影响，多普勒效应引起干扰，可以将其看作白的（见“Inter relay handoff in two hop relaying networks with highlymobile vehicles”,EURASIP Journal on Wireless Comm and Net,Sep.2012.），若一个符号周期T_S=0.5ms,服务基站2、目标基站1信号针对列车的多普勒频移分别为 $f_d^S=\frac{v{f}_c}{c}\sin {\mathrm{\θ}}_S=\frac{20}{3}v\sin {\mathrm{\θ}}_S,$ $f_d^T=\frac{v{f}_c}{c}\sin {\mathrm{\θ}}_T=\frac{20}{3}v\sin {\mathrm{\θ}}_T,$ 其中θ_S、θ_T为服务基站2、目标基站1信号入射角，服务基站2、目标基站1信号由于多普勒效应引起的干扰

${\mathrm{ICI}}_S\≈\frac{P_S}{D_S^{\mathrm{\δ}}}\frac{1}{12}{\left(2\mathrm{\π}{f}_d^S{T}_s\right)}^2=\frac{100}{27}\×\left(\frac{P_S}{D_S^2}{\mathrm{\π}}^2{v}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_S\right)\×{10}^{-6}$

${\mathrm{ICI}}_T\≈\frac{P_T}{D_T^{\mathrm{\δ}}}\frac{1}{12}{\left(2\mathrm{\π}{f}_d^T{T}_s\right)}^2=\frac{100}{27}\×\left(\frac{P_T}{D_T^2}{\mathrm{\π}}^2{v}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_T\right)\×{10}^{-6}$

因此噪声功率修正为

${\mathrm{\σ}}_S^{2^{\′}}={\mathrm{ICI}}_S+{\mathrm{\σ}}^2=\frac{100}{27}\×\left(\frac{P_S}{D_S^2}{\mathrm{\π}}^2{v}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_S\right)\×{10}^{-6}+{10}^{-3}$

${\mathrm{\σ}}_T^{2^{\′}}={\mathrm{ICI}}_T+{\mathrm{\σ}}^2=\frac{100}{27}\×\left(\frac{P_T}{D_T^2}{\mathrm{\π}}^2{v}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_T\right)\×{10}^{-6}+{10}^{-3}$

在不同的速度下噪声功率不同，速度越快噪声功率越大。当两基站总发射功率限制为P=70dBm=10⁴w，即总发射信噪比为70dB（在蜂窝边缘处为10dB）时，按照如下步骤完成通信和切换过程：

步骤(1.1)在高速列车刚进入两蜂窝重叠处进行基站的功率分配。服务基站2、目标基站1得到的功率P_S、P_T由下述方程组获得：

$\frac{D_S^2}{{(P_S{\mathrm{\α}}_S+D_S^2{\mathrm{\σ}}^2)}^2+101\×P_S(P_S{\mathrm{\α}}_S+D_S^2{\×10}^{-3})}=\frac{D_T^2}{{(P_T{\mathrm{\α}}_T+D_T^2\×{10}^{-3})}^2+101\×P_T(P_T{\mathrm{\α}}_T+D_T^2\×{10}^{-3})}$

P_S+P_T＝10⁴

P_S≥0,P_T≥0

式中 ${\mathrm{\α}}_S=\frac{1}{12}{\left(2\mathrm{\π}{f}_d^S{T}_s\right)}^2=\frac{100}{27}\×{\left(\mathrm{\π}v\sin {\mathrm{\θ}}_S\right)}^2,$ ${\mathrm{\α}}_T=\frac{1}{12}{\left(2\mathrm{\π}{f}_d^S{T}_s\right)}^2=\frac{100}{27}\×{\left(\mathrm{\π}v\sin {\mathrm{\θ}}_T\right)}^2,$ 为列车针对服务基站2、目标基站1信号的多普勒频移，

c为电磁波传播速度，即真空中3×10⁸m/s，上述方程可以化简为一元二次方程，采用牛顿微分法解此方程，得到P_S、P_T；

步骤（1.2）在时间

内，服务基站2、目标基站1根据步骤（1.1）中分配的功率对需要传输的不同信源消息进行独立编码并发送；

步骤（1.3）在接收端基于两个维度为1×M的接收矢量c_S和c_T进行接收波束成形，接收波束成形矢量表示为

c_S=Cheb.*v^H(φ_S)

c_T=Cheb.*v^H(φ_T)

式中Cheb为维度为1×M的切比雪夫窗，作用在于抑制旁瓣，此处采用将旁瓣抑制50dB的切比雪夫窗，v^H(φ_S)、v^H(φ_T)为v(φ_S)、v(φ_T)的共轭转置，维度M×1，.*为点乘运算；

$v\left({\mathrm{\φ}}_S\right)={[1,\exp \left(j\frac{2\mathrm{\π}{f}_c}{c}d\sin {\mathrm{\θ}}_S\right),...,\exp \left(j\frac{2\mathrm{\π}{f}_c}{c}(M-1)d\sin {\mathrm{\θ}}_S\right)]}^T$

$={[1,\exp \left(j\frac{40\mathrm{\π}}{3}d\sin {\mathrm{\θ}}_S\right),...,\exp \left(j\frac{40\mathrm{\π}}{3}100d\sin {\mathrm{\θ}}_S\right)]}^T$

$v\left({\mathrm{\φ}}_T\right)={[1,\exp \left(j\frac{2\mathrm{\π}{f}_c}{c}d\sin {\mathrm{\θ}}_T\right),...,\exp \left(j\frac{2\mathrm{\π}{f}_c}{c}(M-1)d\sin {\mathrm{\θ}}_T\right)]}^T$

$={[1,\exp \left(j\frac{40\mathrm{\π}}{3}d\sin {\mathrm{\θ}}_T\right),...,\exp \left(j\frac{40\mathrm{\π}}{3}100d\sin {\mathrm{\θ}}_T\right)]}^T$

式中c为电磁波传播速度，即真空中3×10⁸m/s；

步骤（1.4）接收端对根据两个接收波束成形矢量得到的两路信号进行独立译码。

步骤（1.5）重复步骤（1.2）到步骤（1.4）过程，直至经过时间

之后，对两基站信号大尺度衰落、入射角、两路信号多普勒频移进行更新，对服务基站2和目标基站1分配的功率进行更新，对接收波束成形矢量进行更新，更新完成后，重复步骤（1.2）到步骤（1.4）过程。此过程不断循环，直至列车驶出两蜂窝重叠处，功率全部分配到目标基站1，目标基站1成为新一个服务基站2，切换过程结束。

所述的参数更新过程是在于在蜂窝重叠处，每间隔Δt时间，此处根据地理位置的变动对Δt进行确定，每当移动8个天线间距即8×10.5×0.15＝12.6m进行一次更新，因此

其更新过程如下：

步骤（2.1）更新中继天线到服务基站2、目标基站1的距离，

D_S′＝Ｄ_S＋vΔtsinθ_S＝＝D_S＋12.6×sinθ_S

D_T′＝D_T＋vΔtsinθ_T＝D_T＋12.6×sinθ_T

式中，D_S′、D_T′为下一时隙服务基站2、目标基站1到中继天线距离，D_S、D_T为下一时隙服务基站2、目标基站1到中继天线距离，v为列车速度，θ_S、θ_T为前一时隙服务基站2、目标基站1信号入射角；

步骤（2.2）更新服务基站2、目标基站1信号的大尺度衰落的倒数，

$D_S^{{\mathrm{\δ}}^{\′}}=D_S^{\mathrm{\δ}}+D_S^{\mathrm{\δ}-1}\mathrm{\δv\Δt}\sin {\mathrm{\θ}}_S=D_S^2+25.2\×D_S\sin {\mathrm{\θ}}_S$

$D_T^{{\mathrm{\δ}}^{\′}}=D_T^{\mathrm{\δ}}+D_T^{\mathrm{\δ}-1}\mathrm{\δv\Δt}\sin {\mathrm{\θ}}_T=D_T^2+25.2\×D_T\sin {\mathrm{\θ}}_T$

式中

为下一时隙服务基站2、目标基站1到中继天线的大尺度衰落倒数，

为前一时隙服务基站2、目标基站1到列车的大尺度衰落的倒数，θ_S、θ_T为前一时隙服务基站2、目标基站1信号入射角；

步骤（2.3）更新服务基站2、目标基站1信号入射角，

θ_S′＝θ_S＋Δθ_S

θ_T′＝θ_T＋Δθ_T

式中θ_S′、θ_T′为下一时隙服务基站2、目标基站1信号入射角，θ_S、θ_T为前一时隙服务基站2、目标基站1信号入射角，

步骤（2.4）更新服务基站2、目标基站1信号在列车4接收端的多普勒频移，

$f_d^{S^{\′}}=f_d^S+\frac{v{f}_c\cos {\mathrm{\θ}}_S}{c}\sin {\mathrm{\Δ\θ}}_S=f_d^S+\frac{20}{3}v\cos {\mathrm{\θ}}_S\sin \frac{12.6}{D_S}$

$f_d^{T^{\′}}=f_d^T+\frac{v{f}_c\cos {\mathrm{\θ}}_T}{c}\sin {\mathrm{\Δ\θ}}_T=f_d^T+\frac{20}{3}v\cos {\mathrm{\θ}}_T\sin \frac{12.6}{D_T}$

式中

为下一时隙服务基站2、目标基站1信号针对列车的多普勒频移，

为前一时隙服务基站2、目标基站1信号针对列车4的多普勒频移，θ_S、θ_T为前一时隙服务基站2、目标基站1信号到列车入射角，

c为电磁波传播速度，即真空中3×10⁸m/s；

步骤（2.5）更新多普勒干扰因子α_S、α_T

${{\mathrm{\α}}_S}^{\′}={\mathrm{\α}}_S+\frac{1}{12}{\left(2\mathrm{\π}\frac{v{f}_c}{c}{T}_s\right)}^2\sin 2{\mathrm{\θ}}_S\sin {\mathrm{\Δ\θ}}_S={\mathrm{\α}}_S+\frac{100}{27}{\left(\mathrm{\πv}\right)}^2\sin 2{\mathrm{\θ}}_S\sin \frac{12.6}{D_S}$

${{\mathrm{\α}}_T}^{\′}={\mathrm{\α}}_T+\frac{1}{12}{\left(2\mathrm{\π}\frac{v{f}_c}{c}{T}_s\right)}^2\sin 2{\mathrm{\θ}}_T\sin {\mathrm{\Δ\θ}}_T={\mathrm{\α}}_T+\frac{100}{27}{\left(\mathrm{\πv}\right)}^2\sin 2{\mathrm{\θ}}_T\sin \frac{12.6}{D_T}$

式中α_S′、α_T′为下一时隙的多普勒干扰因子，α_S、α_T为上一时隙的多普勒干扰因子,T_s为一个符号的时间，θ_S、θ_T为前一时隙服务基站2、目标基站1信号到列车的入射角，Δθ_S、Δθ_T如步骤（2.3）所述，为入射角的增量，c为电磁波传播速度，即真空中3×10⁸m/s；

步骤（2.6）更新服务基站2和目标基站1分配的功率，将步骤（2.2）中得到的大尺度衰落倒数更新值

步骤（2.5）中得到的多普勒干扰因子更新值α_S′、α_T′代入步骤（1.1）中的功率分配方程，得到：

$\frac{D_S^{2^{\′}}}{{({P_S}^{\′}{{\mathrm{\α}}_S}^{\′}+D_S^{2^{\′}}{\×10}^{-3})}^2+g_M{P_S}^{\′}({P_S}^{\′}{{\mathrm{\α}}_S}^{\′}+D_S^{2^{\′}}\×{10}^{-3})}=\frac{D_S^{2^{\′}}}{{({P_T}^{\′}{{\mathrm{\α}}_T}^{\′}+D_T^{2^{\′}}\×{10}^{-3})}^2+g_M{P_T}^{\′}({P_T}^{\′}{{\mathrm{\α}}_T}^{\′}+D_T^{2^{\′}}\×{10}^{-3})}$

P_S′+P_T′＝10⁴

P_S′≥0,P_T′≥0

用牛顿微分法解此方程，得到下一时隙服务基站2、目标基站1分配的功率P_S′、P_T′；

步骤（2.7）更新接收波束成形矢量

c_S′＝c_S.*v^H(Δφ_S)

c_T′＝c_T.*v^H(Δφ_T)

式中.*为点乘运算，其中

$v^H\left(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_S\right)=[1,\exp (-j\frac{2\mathrm{\π}{f}_c}{c}d\cos {\mathrm{\θ}}_S\sin \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_S),...,\exp (-j\frac{2\mathrm{\π}{f}_c}{c}(M-1)d\cos {\mathrm{\θ}}_S\sin \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_S)]$

$=[1,\exp (-j\frac{40\mathrm{\π}}{3}d\cos {\mathrm{\θ}}_S\sin \frac{12.6}{D_S}),...,\exp (-j\frac{40\mathrm{\π}}{3}\×100\×d\cos {\mathrm{\θ}}_S\sin \frac{12.6}{D_S})]$

$v^H\left(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_T\right)=[1,\exp (-j\frac{2\mathrm{\π}{f}_c}{c}d\cos {\mathrm{\θ}}_T\sin \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_T),...,\exp (-j\frac{2\mathrm{\π}{f}_c}{c}(M-1)d\cos {\mathrm{\θ}}_T\sin \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_T)]$

$==[1,\exp (-j\frac{40\mathrm{\π}}{3}d\cos {\mathrm{\θ}}_T\sin \frac{12.6}{D_T}),...,\exp (-j\frac{40\mathrm{\π}}{3}\×100\×d\cos {\mathrm{\θ}}_T\sin \frac{12.6}{D_T})]$

式中θ_S、θ_T为前一时隙服务基站2、目标基站1信号入射角，Δθ_S、Δθ_T如步骤（2.3）中所述，c为电磁波传播速度，即真空中3×10⁸m/s。

图4是在列车速度v＝500km/h时，针对不同的莱斯因子K=1、10、20得到的信道容量，可以看到相同的莱斯因子K情况下，随着列车远离服务基站2和靠近目标基站1，服务基站2到列车的信道容量逐渐减小，目标基站1到列车的信道容量逐渐增加，这由目标基站1分配的功率逐渐增大、服务基站2分配的功率逐渐减小以及服务基站2到列车大尺度衰落逐渐增大和服务基站2到列车大尺度衰落逐渐减小引起。同一地理位置，随着莱斯因子K的增大，信道容量变大。相同的莱斯因子K情况下，在不同的地理位置，总容量基本保持不变。

图5是在K=10,列车在相对低速v＝0,100,200km/h时得到的信道容量，图6是在K=10,列车在相对高速v＝300,400,500km/h时得到的信道容量，可以看到在相同的地理位置，随着速度的增加，信道容量减小，这是由于速度的增加导致多普勒频移增大，使得干扰增大，信干噪比降低，从而信道容量降低。

Claims (2)

1.一种高速列车通信系统中基于位置信息和接收波束成形的智能切换方法，其特征在于，列车以速度v沿已知轨迹行驶于蜂窝网中，蜂窝半径R，载波频率f_c,列车车顶装备有呈等间距线性分布的多根天线，数量为M，间距为d,服务基站和目标基站都装备有单天线，服务基站和目标基站首先将信号传到列车上的M根天线，然后此M根天线再将信号转发到车厢内用户，起到中继的作用，此处只考虑基站到多根天线中继的下行链路；下行链路建模为莱斯衰落，信道增益矩阵 $H^D={\left[\begin{array}{cc}{D}_S{\tilde{H}}_S^D& D_T{\tilde{H}}_T^D\end{array}\right]}_{M\×2},$ [D_S]_M×M、[D_T]_M×M分别为服务基站、目标基站到列车各天线的大尺度衰落矩阵，且为维度为M×M的对角阵，

为小尺度衰落矩阵，且为维度为M×1的莱斯分布，

每一个元素可以表示为

exp(.)为指数运算，t为信号的采样时刻，

为服务基站到天线m的莱斯因子，

为瑞利分布，同理可得

的每一个元素，假定服务基站到中继阵列的入射角为θ_S，为正值，服务基站到中继阵列的入射角为θ_T，为负值，服务基站信号到列车各天线主径信号与到第一根天线主径信号的角度之差表示为

0≤m≤M-1，目标基站信号到列车各天线主径信号与到第一根天线主径信号的角度之差表示为

0≤m≤M-1，假定两接收波束增益均为g_M且为定值，白高斯噪声方差为σ²，大尺度衰落系数δ，各中继到服务基站、目标基站的距离分别为

0≤m≤M-1，针对各莱斯因子

基本相等，假定为K，列车位于两蜂窝重叠处，两基站相距列车的距离相当于蜂窝半径的三分之一以上，

分别视为相等，假定为D_S、D_T，两基站总功率限制为P，按照如下步骤完成通信和切换过程：

步骤（1.1）、在列车刚进入两蜂窝重叠处进行基站的功率分配，服务基站、目标基站得到的功率P_S、P_T由下述方程组获得：

$\frac{D_S^{\mathrm{\δ}}}{{(P_S{\mathrm{\α}}_S+D_S^{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\σ}}^2)}^2+g_M{P}_S(P_S{\mathrm{\α}}_S+D_S^{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\σ}}^2)}=\frac{D_T^{\mathrm{\δ}}}{{(P_T{\mathrm{\α}}_T+D_T^{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\σ}}^2)}^2+g_M{P}_T(P_T{\mathrm{\α}}_T+D_T^{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\σ}}^2)}$

P_S+P_T＝P

P_S≥0,P_T≥0

式中

为列车针对服务基站、目标基站信号的多普勒频移，

T_s为一个符号的时间，c为电磁波传播速度，即真空中3×10⁸m/s，采用牛顿微分法解此方程，得到P_S、P_T；

步骤(1.2)、在时间Δt内，服务基站、目标基站根据步骤（1.1）中分配的功率对需要传输的不同信源消息进行独立编码并发送；

步骤(1.3)、在接收端基于两个维度为1×M的接收矢量c_S和c_T进行接收波束成形，接收波束成形矢量表示为

c_S＝Cheb.*v^H(φ_S)

c_T＝Cheb.*v^H(φ_T)

式中Cheb为维度1×M的切比雪夫窗矩阵，作用在于抑制旁瓣，v^H(φ_S)、v^H(φ_T)为v(φ_S)、v(φ_T)的共轭转置，维度为1×M，.*为点乘运算

$v\left({\mathrm{\φ}}_S\right)={[1,\exp \left(j\frac{2\mathrm{\π}{f}_c}{c}d\sin {\mathrm{\θ}}_S\right),...,\exp \left(j\frac{2\mathrm{\π}{f}_c}{c}(M-1)d\sin {\mathrm{\θ}}_S\right)]}_{M\×1}^T$

$v\left({\mathrm{\φ}}_T\right)={[1,\exp \left(j\frac{2\mathrm{\π}{f}_c}{c}d\sin {\mathrm{\θ}}_T\right),...,\exp \left(j\frac{2\mathrm{\π}{f}_c}{c}(M-1)d\sin {\mathrm{\θ}}_T\right)]}_{M\×1}^T$

式中c为电磁波传播速度，即真空中3×10⁸m/s；

步骤(1.4)、接收端对根据两个接收波束成形矢量得到的两路信号进行独立译码；

步骤(1.5)、重复步骤(1.2)到步骤(1.4)，直至经过时间Δt之后，对两基站信号大尺度衰落、入射角、两路信号多普勒频移进行更新，对服务基站和目标基站分配的功率进行更新，对接收波束成形矢量进行更新，更新完成后，重复步骤(1.2)到步骤(1.4)，此过程不断循环，直至列车驶出两蜂窝重叠处，功率全部分配到目标基站，目标基站成为新一个服务基站，切换过程结束。

2.根据权利要求1所述的一种基于位置信息和接收波束成形的高速列车智能切换方法，其特征在于在蜂窝重叠处，每间隔Δt时间，参数进行一次更新，其更新过程如下：

步骤(2.1)、更新中继天线到服务基站、目标基站的距离，

D_S′＝D_S＋vΔtsinθ_S

D_T′＝D_T＋vΔtsinθ_T

式中，D_S′、D_T′为下一时隙服务基站、目标基站到中继天线距离，D_S、D_T为下一时隙服务基站、目标基站到中继天线距离，θ_S、θ_T为前一时隙服务基站、目标基站信号入射角；

步骤(2.2)、更新服务基站、目标基站信号的大尺度衰落的倒数，

$D_S^{{\mathrm{\δ}}^{\′}}=D_S^{\mathrm{\δ}}+D_S^{\mathrm{\δ}-1}\mathrm{\δv\Δt}\sin {\mathrm{\θ}}_S$

$D_T^{{\mathrm{\δ}}^{\′}}=D_T^{\mathrm{\δ}}+D_T^{\mathrm{\δ}-1}\mathrm{\δv\Δt}\sin {\mathrm{\θ}}_T$

式中

为下一时隙服务基站、目标基站到中继天线的大尺度衰落倒数，

为前一时隙服务基站、目标基站到列车的大尺度衰落的倒数，θ_S、θ_T为前一时隙服务基站、目标基站信号入射角；

步骤(2.3)、更新服务基站、目标基站信号入射角，

θ_S′＝θ_S＋Δθ_S

θ_T′＝θ_T＋Δθ_T

式中θ_S′、θ_T′为下一时隙服务基站、目标基站信号入射角，θ_S、θ_T为前一时隙服务基站、目标基站信号入射角， $\begin{array}{cc}{\mathrm{\Δ\θ}}_S=\frac{v}{D_S}\mathrm{\Δt}& {\mathrm{\Δ\θ}}_T=\frac{v}{D_T}\mathrm{\Δt};\end{array}$

步骤(2.4)、更新服务基站、目标基站信号在列车接收端的多普勒频移，

$f_d^{S^{\′}}=f_d^S+\frac{v{f}_c\cos {\mathrm{\θ}}_S}{c}\sin {\mathrm{\Δ\θ}}_S$

$f_d^{T^{\′}}=f_d^T+\frac{v{f}_c\cos {\mathrm{\θ}}_T}{c}\sin {\mathrm{\Δ\θ}}_T$

式中为下一时隙服务基站、目标基站信号针对列车的多普勒频移，

为前一时隙服务基站、目标基站信号针对列车的多普勒频移，θ_S、θ_T为前一时隙服务基站、目标基站信号到列车入射角，

c为电磁波传播速度，即真空中3×10⁸m/s；

步骤(2.5)、更新多普勒干扰因子α_S、α_T

${{\mathrm{\α}}_S}^{\′}={\mathrm{\α}}_S+\frac{1}{12}{\left(2\mathrm{\π}\frac{v{f}_c}{c}{T}_s\right)}^2\sin 2{\mathrm{\θ}}_S\sin {\mathrm{\Δ\θ}}_S$

${{\mathrm{\α}}_T}^{\′}={\mathrm{\α}}_T+\frac{1}{12}{\left(2\mathrm{\π}\frac{v{f}_c}{c}{T}_s\right)}^2\sin 2{\mathrm{\θ}}_T\sin {\mathrm{\Δ\θ}}_T$

式中α_S′、α_T′为下一时隙的多普勒干扰因子，α_S、α_T为上一时隙的多普勒干扰因子,T_s为一个符号的时间，θ_S、θ_T为前一时隙服务基站、目标基站信号到列车的入射角，Δθ_S、Δθ_T如步骤(2.3)所述，为入射角的增量，c为电磁波传播速度，即真空中3×10⁸m/s；

步骤(2.6)、更新服务基站和目标基站分配的功率，将步骤(2.2)中得到的大尺度衰落倒数更新值

步骤(2.5)中得到的多普勒干扰因子更新值α_S′、α_T′代入步骤(1.1)中的功率分配方程，得到：

$\frac{D_S^{{\mathrm{\δ}}^{\′}}}{{({P_S}^{\′}{{\mathrm{\α}}_S}^{\′}+D_S^{{\mathrm{\δ}}^{\′}}{\mathrm{\σ}}^2)}^2+g_M{P_S}^{\′}({P_S}^{\′}{{\mathrm{\α}}_S}^{\′}+D_S^{{\mathrm{\δ}}^{\′}}{\mathrm{\σ}}^2)}=\frac{D_S^{{\mathrm{\δ}}^{\′}}}{{({P_T}^{\′}{{\mathrm{\α}}_T}^{\′}+D_T^{{\mathrm{\δ}}^{\′}}{\mathrm{\σ}}^2)}^2+g_M{P_T}^{\′}({P_T}^{\′}{{\mathrm{\α}}_T}^{\′}+D_T^{{\mathrm{\δ}}^{\′}}{\mathrm{\σ}}^2)}$

P_S′＋P_T′＝P

P_S′≥0,P_T′≥0

解此方程，得到下一时隙服务基站、目标基站分配的功率P_S′、P_T′；

步骤(2.7)、更新接收波束成形矢量

c_SΔ＝c_S.*v^H(Δφ_S)

c_T′＝c_T.*v^H(Δφ_T)

式中.*为点乘运算，其中

$v^H\left(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_S\right)=[1,\exp (-j\frac{2\mathrm{\π}{f}_c}{c}d\cos {\mathrm{\θ}}_S\sin \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_S),...,\exp (-j\frac{2\mathrm{\π}{f}_c}{c}(M-1)d\cos {\mathrm{\θ}}_S\sin \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_S)]$

$v^H\left(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_T\right)=[1,\exp (-j\frac{2\mathrm{\π}{f}_c}{c}d\cos {\mathrm{\θ}}_T\sin \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_T),...,\exp (-j\frac{2\mathrm{\π}{f}_c}{c}(M-1)d\cos {\mathrm{\θ}}_T\sin \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_T)]$

式中c_S′、c_T′为下一时隙波束成形矢量，c_S、c_T为前一时隙波束成形矢量，θ_S、θ_T为前一时隙服务基站、目标基站信号入射角，Δθ_S、Δθ_T如步骤(2.3)中所述，exp（.）为指数运算，c为电磁波传播速度。

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