CN103873119A - 一种车载双天线通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载双天线通信方法，针对轨道交通带状无线通信系统拓扑环境，在基站配备超大天线阵列而列车首尾各安装一根天线的条件下，根据波束间模糊度的变化趋势自适应激活基站天线进行波束赋形，提供一种提升系统通信性能的方法。本发明使无线通信系统在列车从小区中心驶向小区边缘的过程中始终维持着较高且非常稳定的通信性能。

Description

一种车载双天线通信方法

所属技术领域

本发明涉及无线通信，具体涉及一种基站配备超大天线阵列的提升车载端双天线通信性能的方法。

背景技术

高速铁路和城市轨道交通的大规模建设与发展向轨道交通通信系统提出了巨大挑战。高速铁路等轨道交通系统车地之间的无线通信不仅关系到列车的可靠运行，还影响着乘客的通信服务体验。然而，现有的移动通信技术在高速移动情况下面临着通信性能急剧下降的问题。众所周知，多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术能够提升信道容量等通信性能，于是随着下一代铁路移动通信技术和智能交通系统的发展，轨道交通道旁基站和车载中继站分别配备多根天线成为了一种技术趋势。

多输入多输出技术通常利用散射丰富的环境具有的多径效应实现空间复用或者空间分集来提高数据吞吐量和链路可靠性。然而，当列车行驶在高架桥和开阔地时，由于列车周围几乎没有反射体和散射体，所以一般认为信号在基站和车载中继站之间视距（Line-of-Sight，LOS）传输，该结论也与工程实际测试结果吻合。在视距传输下，无线信道多径分量很少且延迟不大，也就是说，多径效应在高架桥和开阔地的轨道交通环境下并不明显。

为了在视距传输环境下有效利用多输入多输出技术，一个有效的方法是令基站天线阵列进行波束赋形，车载中继在列车首尾各配备一根天线，分别被基站天线阵列同时生成的不同波束服务，达到空间复用，提高数据吞吐量。但是，在视距传输环境下，这两个波束的空间相关性很高，并且随着列车驶离小区中心驶向小区边缘，两个波束在空间角度上越来越难以分辨。大规模多输入多输出(Massive MIMO)技术的日趋完善为这一问题提供了可行的解决方法，即通过增加基站天线个数来生成空间角度分辨率较高的窄波束，这样就可以极大地提高双天线空间复用的性能和使用范围，起到了提高通信性能的作用。因此，本发明提供了一种基于自适应激活基站天线的车载双天线通信方法。

现有的与通信性能有关、车载环境下的多天线应用的方案包括以下几种：

（1）公开号为102624431A，名称为一种提升车载端多天线通信容量的方法和系统中，通过计算车载端配置的所有天线阵列中的其他各天线阵列与参考阵列之间的目标权重差，调整该差值至相应的目标权重差，再将各天线阵列接收的信号进行合并，来提升车载端多天线通信容量，并且能够克服列车在穿越带状小区时的容量抖动。该方案计算与调整的侧重点放在车载端，对基站天线阵列没有特殊要求，并且车载端考虑的是多组多天线，不包含列车首尾各配置一根天线的情况。

（2）公开号为CN102324958A，名称为一种用于高速铁路环境下的MIMO系统中的无线通信方法中，提出一种基于分布式光载无线的高速铁路宽带无线接入系统，通过在铁路沿线布置一定间隔的射频拉远单元（RRU），RRU与基带单元（BBU）用光纤连接，同时利用车载GPS获得列车位置信息，来激活所需的RRU进行车地通信。该方案需要改造现有铁路沿线网络，建设密集的RRU，同时依靠准确的GPS定位，其成本会非常高，可能会破坏铁路现场已有的任何地面硬件设施和设备，而且在隧道、山区等铁路特殊地段会存在GPS盲区，这些将影响到该方案的整体性能。

（3）公开号为CN101771455A，名称为一种采用双天线分集接收技术的GSM-R通信模块中，提出采用双天线分集接收技术的GSM-R通信模块，通过对传统的GSM-R通信模块的改进，采用两根天线进行信号接收来获得分集增益。该方案是在现在GSM通信模块的改进，不满足未来铁路网络LTE-R的发展趋势，并且不涉及在基站端的操作，也没有利用车体长度的优势令双天线发挥空间复用的作用。

（4）公开号为CN102201893A，名称为多天线组播系统基于最大最小波束成型的容量估计方法中，提出利用延迟信道状态信息和多普勒频移对每个用户的接收信噪比进行估计，然后补偿延迟信道状态信息对系统容量的影响，获得较大的系统传输速率的提升。该专利需要对用户的信道状态信息进行估计获得匹配系统容量，在铁路环境下信道状态信息的估计比较困难，难以提高多天线系统的通信性能。

（5）美国专利US008227387，名称为LOS MIMO BEAMFORMING中，提出MIMO系统一般用于NLOS（non-LOS）环境，其给出了一种LOS环境下点到点通信系统，包含第一发射机通过电磁波发送信息给第一接收机。第一发射机使用一定数量的天线，通过不同频率的波束将信息发射出去。收发端之间的直放站（repeater）根据发送端所用的波束将信息进行中继放大，达到点到点通信的目的。该专利要求波束工作在不同频率，并且需要中继放大器的辅助。

（6）美国专利US2007181167B2，名称为HIGH DATA RATE CLOSEDLOOP MIMO SCHEME COMBINING TRASNMIT DIVERSITY AND DATAMULTIPLEXING中，提出通过最大化合成的信道信噪比来决定闭环多天线无线通信系统的天线权重。天线子集上复用信号流提升了吞吐率。该专利需要对物理信道的系数进行估计，再计算天线的权重，然后将符号流调制到改变了权重的天线上，最后是进行扩频发送。该专利需要信道估计信息，而且只能应用于CDMA（Code-Division Multiple Access）系统。

（7）美国专利US006870515B2，名称为MIMO WIRELESSCOMMUNICATION SYSTEM中，提出利用极化分集，得到体积更小的MIMO系统（相比其他的空间分集MIMO系统），可以在LOS下提升容量，也可以用于多波束天线系统。该专利用极化分集减小了MIMO系统的体积，但是增加了MIMO系统实现的复杂性。在铁路环境下，MIMO系统的体积不是问题，而复杂度带来的处理时延将会严重降低系统性能。

综上所述，现有的与通信性能有关的车载环境下的多天线应用并没有考虑基站采用超大天线阵列产生窄波束同时服务列车首尾双天线这一结构。因此，本发明基于这一科学事实提出了一种自适应激活基站天线的车载双天线通信方法。

发明内容

本发明提供一种在基站配备超大阵列而车载端配置列车首尾双天线的情况下的提升通信性能的方法。

本发明采用以下技术方案：

一种车载双天线通信方法，其特征在于，基站配备超大天线阵列，车载端首尾各配备一根天线，其控制方法包括如下步骤：

A:计算距离阈值s₁和s₂，将列车与基站的距离划分为区间1，区间2和区间3三个阈值区间；

所述计算距离阈值s₁和s₂的过程包括：

生成以基站总天线数为阵元个数和以列车首尾天线相对基站阵列角度为到达角的两个导向向量，结合实际拓扑参数计算对应每一个“列车-基站”间距的波束间模糊度；

该模糊度第一次超过设定阈值时所对应的“列车-基站”间距为s₁，该模糊度开始单调上升的起始点所对应的“列车-基站”间距为s₂。

“列车-基站”间距属于区间1是指“列车-基站”间距大于等于垂直距离，小于s₁的情况；

“列车-基站”间距属于区间2是指“列车-基站”间距大于等于s₁，小于s₂的情况;

“列车-基站”间距属于区间3是指“列车-基站”间距大于等于s₂；

B:判断列车与基站的距离所在的阈值区间，并按照不同区间定义的基站天线激活策略和波束赋形策略进行数据传输，即：

区间1定义的基站天线激活策略是基站全部天线激活，波束赋形策略是双层波束赋形；

区间2定义的基站天线激活策略是对应每一个“列车-基站”间距只激活刚好满足空间角度分辨率的最小天线根数，波束赋形策略是双层波束赋形；

区间3定义的基站天线激活策略是基站全部天线激活，波束赋形策略是单层波束赋形，此时仅有列车尾部天线工作。

满足空间角度分辨率的最小天线根数的计算：空间角度分辨率要求基站阵列观察到的列车首尾天线的到达角的方向余弦之差不小于基站阵列的归一化长度的倒数。利用已知的到达角和基站阵列归一化长度信息，即可计算出该“列车-基站”间距所对应的满足空间角度分辨率的最小天线根数。

采用本发明方法，在列车驶过整个小区的过程中通信性能始终可以保持在较好且稳定的水平。

附图说明如下：

图1为本发明在轨道环境下的车载端与基站构成的无线通信系统的示意图。

图2为本发明根据波束间模糊度得出距离阈值s1和s2的示意图。

图3为本发明的工作流程示意图。

图4为本发明的自适应天线激活波束赋形传输技术应用之后列车在行驶中获得的通信性能示意图。

具体实施例

下面结合附图对本发明的结构作进一步的详述。

本发明适用于轨道交通环境（普通铁路、高速铁路、城市轻轨）或者带状无线通信拓扑环境（如高速公路）。在带状无线通信拓扑环境下，基站沿轨道交通沿线放置。如图1所示，基站配备了一个有大规模阵元（如大于100个阵元）的均匀线性阵，覆盖半径为R。基站的参考天线假设为O，其在地面的投影为O’。假设车载台有两根天线，分别安装在车头和车尾，标记为A和B，其在地面的投影为A’和B’。天线A和天线B的端口在基带处理单元通过高速车厢总线连接，共同处理各自接收到的不同信息。假设O’到A’B’所在直线的垂直距离为d_min，OO’的长度为基站高度h_BS，AA’的长度为车载中继高度h_MRS。AB的长度假设等于列车长度l_T，O’A’的长度定义为列车与基站之间的距离s，通过可预测的位置信息能够准确获取s。O’A’与O’x之间的夹角定义为φ₁，O’B’和O’x之间的夹角定义为φ₂。

阈值s₁和s₂的计算过程可以是：以图2为例，黑色虚线表示N_max双层波束赋形机制，即在整个传输过程中，基站激活天线数为N_max，红色实线表示N_min双层波束赋形机制，即在每个位置s，基站只激活该处满足空间角度分辨率的最小天线根数N_min。s₁定义为N_max双层波束赋形机制的波束间模糊度第一次超过设定的阈值（通常取经验值0.08）的位置，s₂为N_min双层波束赋形机制的波束间模糊度开始与N_max双层波束赋形机制的波束间模糊度重合时的位置。图2为一种实施例参数，其中d_min为50米，R为1000米，基站天线总根数为260。

在上述过程中，N_min的计算方法可以是：当列车从小区中心驶向小区边缘时，s从d_min逐渐变化到R。对应不同的s，基站需要激活的满足角度分辨率的最少天线根数为：

接下来本发明的实施流程如图3所示：

区域1：“列车-基站”间距大于等于垂直距离，小于s₁当基站与车载中继的天线A的距离属于区域1时，方向余弦cosφ₁和cosφ₂之差较大，因此所对应的N_min的取值较小。这时N_max双层波束赋形机制受益于全部基站天线激活带来的阵列增益和两个正交空间流带来的双倍数据率。而N_min双层波束赋形机制只能得到较小的阵列增益。因此在这一区域，最优的波束赋形传输机制是N_max双层波束赋形机制。

区域2：“列车-基站”间距大于等于s₁，小于s₂

在这一区域中，N_max双层波束赋形机制的波束间模糊度开始以周期性的方式加剧。波束间模糊度较大将导致BER和吞吐率下降。而N_min双层波束赋形机制的波束间模糊度稳定在一个较低的水平。在这一区域，最优的波束赋形传输机制是N_min双层波束赋形机制。

区域3：“列车-基站”间距大于等于s₂，小于等于小区半径

在这一区域，由于N_min逐渐增加直到等于N_max，并且波束间模糊度迅速高到无法容忍，导致双层波束赋形机制失效。在这一区域，最优的波束赋形传输机制是N_max单层波束赋形机制。

仿真实验：

实验结果表明，本发明所采用的自适应天线激活波束赋形机制能够在列车驶过小区的过程中将系统的通信性能维持在较高且较稳定的水平，如图4所示。以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种车载双天线通信方法，其特征在于，基站配备超大天线阵列，车载端首尾各配备一根天线，其控制方法包括如下步骤：

A:计算距离阈值s₁和s₂，将列车与基站的距离划分为区间1，区间2和区间3三个阈值区间；

所述计算距离阈值s₁和s₂的过程包括：

生成以基站总天线数为阵元个数和以列车首尾天线相对基站阵列角度为到达角的两个导向向量，结合实际拓扑参数计算对应每一个“列车-基站”间距的波束间模糊度；

该模糊度第一次超过设定阈值时所对应的“列车-基站”间距为s₁，该模糊度开始单调上升的起始点所对应的“列车-基站”间距为s₂。

“列车-基站”间距属于区间1是指“列车-基站”间距大于等于垂直距离，小于s₁的情况；

“列车-基站”间距属于区间2是指“列车-基站”间距大于等于s₁，小于s₂的情况;

“列车-基站”间距属于区间3是指“列车-基站”间距大于等于s₂；

B:判断列车与基站的距离所在的阈值区间，并按照不同区间定义的基站天线激活策略和波束赋形策略进行数据传输，即：

区间1定义的基站天线激活策略是基站全部天线激活，波束赋形策略是双层波束赋形；

区间2定义的基站天线激活策略是对应每一个“列车-基站”间距只激活刚好满足空间角度分辨率的最小天线根数，波束赋形策略是双层波束赋形；

区间3定义的基站天线激活策略是基站全部天线激活，波束赋形策略是单层波束赋形，此时仅有列车尾部天线工作。

2.根据权利要求1所述的车载双天线通信方法，其特征在于，所述波束间模糊度定义为归一化的导向向量乘积之模。

3.根据权利要求1所述的车载双天线通信方法，其特征在于，所述拓扑参数包括基站高度、车载台高度、基站与车载台所运行的轨道的垂直距离和基站覆盖半径。

4.根据权利要求1所述的车载双天线通信方法，其特征在于，所述满足空间角度分辨率的最小天线根数的计算过程为：

空间角度分辨率要求基站阵列观察到的列车首尾天线的到达角的方向余弦之差不小于基站阵列的归一化长度的倒数;利用已知的到达角和基站阵列归一化长度信息，即可计算出该“列车-基站”间距所对应的满足空间角度分辨率的最小天线根数。

5.根据权利要求1所述的车载双天线通信方法，其特征在于，所述设定阈值取经验值0.08。

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