CN104836602B - 一种分布式大规模mimo‑noma高铁移动通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种分布式大规模MIMO‑NOMA高铁移动通信系统，具体为：针对高铁移动车厢终端MCT与铁路沿线的分布式远端天线单元RAU之间的大规模多入多出MIMO通信系统，创新性提出将5G的候选关键技术——大规模MIMO和非正交多址接入NOMA组成的大规模MIMO‑NOMA系统应用于高铁环境，并分析了此类系统的具体的信号处理分析流程。该发明可以大大地提升LTE‑R系统的频谱效率，达到提高车厢内固定座位终端用户的语音和数据通信性能的目标，并为面向5G的高铁移动通信系统原型机和系统、链路级仿真提供参考。
Description
技术领域
本发明主要涉及高铁移动通信，尤其涉及高铁移动车厢终端(Mobile CarriageTerminal,MCT)与铁路沿线的分布式远端天线单元(Remote Antenna Unit,RAU)之间的大规模MIMO通信系统。
背景技术
随着高速铁路的快速发展，高速铁路移动通信系统面临更高的技术挑战。铁路通信技术必须以“数字化”、“无线移动化”、“宽带综合业务”为其发展目标。因此，将宽带无线网络(Broadband Wireless Network,BWN)应用于高速铁路是一个发展热点：一方面高铁的列车控制系统需要BWN以保证列车运行的信息传输，如视频监控等；另一方面，为高铁上的用户提供丰富的多媒体业务，如视频电话、在线游戏、视频会议等。中国是世界上最大的轨道交通暨高速铁路建设市场。然而，其铁路通信目前使用的GSM-R(GSM for Railway)体系主要基于第二代全球移动通信系统GSM，仅能提供语音业务及低速率业务，不能满足未来铁路通信的发展需求，而现有的公众移动通信系统，无论是对铁路的覆盖范围还是覆盖质量均无法满足列车上用户的需求。这是由于这些通信标准的主要应用目标是城市低速移动密集蜂窝小区场景，而没有针对高速移动场景进行专门的设计。
LTE-R(Long term Evolution for Railway)系统由于其具有高速据率、低延时、分组传输等特点，因此它将是最有希望应用于未来铁路通信的体系之一。但是，当LTE系统应用到高铁时将会遇到一系列挑战。首先，传统的蜂窝通信架构不适合在高铁通信。如果车厢内的移动用户直接使用传统的单天线手机与道旁基站(Base Station，BS)直接通信，将会有较大的信号传播损耗。其次，由于高铁的高速性和传统BS覆盖范围小的特点，高铁在经过传统的蜂窝小区时，将会产生频繁的小区切换，大大降低用户的使用体验。再者，高铁快速时变信道的健壮信号处理算法的开发工作困难。基于以上考虑，需要设计针对高铁的宽带无线通信系统。
因此，本发明针对上述的高铁覆盖通信架构问题以及相关技术进行了调研。其中，大规模MIMO技术作为5G的候选关键技术之一，由于可以在BS侧配置几十甚至几百根天线使得频谱效率有望达到数十甚至数百bps/Hz，近年来得到了非常广泛的关注。另外，在调制方面，面向5G的候选关键技术之一的非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)，在OFDM的基础上增加功率控制，可以利用不同的路径损耗的差异对多路发射信号进行叠加，从而提高信号增益，它能够让同一个小区覆盖范围内的所有移动设备都能获得最大的可接入带宽，可以解决由于大规模链接带来的网络挑战。此外，NOMA还具有一个非常好的特质，可以不需要知道每个信道的信道状态信息(Channel State Information,CSI)，有望在高速移动场景下获得更好的性能，并且能较好的融合到现有的4G OFDM技术之中。但是，调研到之前的高铁通信系统，主要分为基于OFDM的通信系统和非OFDM通信系统，其中基于OFDM的通信系统占了绝大多数，非OFDM通信系统则有TD-SCDMA、SC-FDMA等通信系统。直到目前为止，尚未有研究人员将5G的候选关键技术——大规模MIMO和NOMA组成的大规模MIMO-NOMA系统应用于高铁这种环境进行探索性研究，且并未见此类系统具体的信号处理分析流程。
基于此，本发明将大规模MIMO-NOMA合理地应用在LTE-R中，大大提升LTE-R系统的频谱效率，并为面向5G的高铁移动通信系统原型机和系统、链路级仿真提供参考。
发明内容
发明目的：针对高铁移动车厢终端(Mobile Carriage Terminal,MCT)与铁路沿线的分布式远端天线单元(Remote Antenna Unit,RAU)之间的大规模MIMO通信系统，将大规模MIMO-NOMA合理地应用在LTE-R中，从而大大提升LTE-R系统的频谱效率，达到提高车厢内固定座位终端用户的语音和数据通信性能的目标，并为面向5G的高铁移动通信系统原型机和系统、链路级仿真提供参考。
本发明的技术方案：
车内用户与地面基站之间的通信通常采用两层结构，分别由两个部分组成：一部分为车地通信，即道旁的分布式大规模MIMO中央控制基站(Central Control Station,CCS)和在其覆盖区内高速行驶的高铁车载MCT之间的车地通信；另一部分为车内通信，即高铁每节车厢顶部的车载MCT和车厢内WiFi AP之间的通信以及WiFi AP与固定座位用户通信，如附图1所示。本发明主要涉及其中的车地通信。
高速移动切换下分布式大规模MIMO通信系统模型如附图2所示，阴影部分为相邻RAU的重叠覆盖区，高铁在此重叠区域内将同时与两个相邻RAU进行通信，由于高铁速度非常快，其将在非常短的时间内完成小区切换。每个CCS管理有M个RAU，并且在同一个CCS内，所有的RAU都工作在相同的频率，即MCT在同一个CCS内的两个相邻RAU发生切换时，工作频率不会发生变化，这将大大减小系统的射频开销，同时相邻大规模MIMO RAU对MCT进行信号的复用和分集，显然，在两个CCS间相邻的两个RAU之间进行小区切换时，将考虑频率切换问题。RAU均匀分布在高铁沿线，每个RAU上有NT根天线，RAU和CCS通过光载无线电(Radioover Fiber,RoF)进行连接。高铁有S节车厢，每节车厢顶部安装有1个MCT，每个MCT有NR根天线。MCT通过RoF与车厢内的WiFi AP连接。分布式大规模MIMO CCS和高铁MCT构成车地通信，MCT和WiFi AP以及WiFi AP和固定座位用户之间构成车内通信。
大规模MIMO-NOMA车地通信系统信号处理流程：
系统模型如附图3所示，我们考虑每个RAU有NT根发射天线、MCT有NR根接收天线的分布式大规模MIMO-NOMA系统。分布式大规模MIMO-NOMA系统的发射端如附图3(a)所示。在发射端，比特流通过前向纠错编码映射到符号流。然后，符号流通过串/并转换模块变换为并行的子流。调制通过IFFT实现。为了避免多径时延造成的符号间干扰(ISI)，在传输之前，长度等于或大于信道期望最大时延的循环前缀(CP)将插入到信号中。然后信号经过并/串转换为串行信号，经过CCS预编码处理模块形成下行传输矩阵，然后通过微波到光的转换模块将微波信号调制到光信号，再通过RoF将信号送达铁路沿线的RAU，而RAU模块再通过光到微波转换模块，将光信号转换为微波信号，通过大规模MIMO天线将NOMA信号发送给车载MCT。
在发射端，假定有K个用户，可用带宽被划分为N个子载波。用户k∈{1,2,...,K}，通过子载波n(n∈{1,2,...,N})传送数据，pk,n是用户k在子载波n上的发射功率，Pk是单个用户的最大功率，即有：
根据香农公式，第k个用户速率可以表示为：
其中，Rk是用户k的用户速率，hk,n是用户k在子载波n上的信道增益，σ2是每个子载波上的噪声功率，Ik,n表示用户k在子载波n上传送数据受到来自其他用户的干扰。
每个用户分配到相应的用户速率后，通过前向纠错编码映射到符号流a1,…,aK,再经过串/并转换分别得到对应的Xk,p，其中Xk,p＝[Xk,p(1),...,Xk,p(n),...Xk,p(N)]，Xk,p(n)表示用户k在子载波n的第p个发射天线发送的NOMA符号。由单个RAU NT个发射天线发送的NOMA符号可以表示为
在CCS里，对用户k将要发射到第p根天线的信号Xk,p分别进行IFFT。信号Xk,p经过IFFT模块之后变为xk,p，xk,p表示用户k对应第p根发射天线的时域调制信号，即xk,p＝[xk,p(1),...,x(n),...,xk,p(N)]T，该IFFT变换可以写成一个矩阵变换，即
xk,p＝FHXk,p
其中，F是N×N的IFFT矩阵，其组成元素为ωr,s＝e-j2πst/N，其中，s是行，t是列，且s,t＝1,...,N。
此外，设Sn是子载波n上活跃的用户数，例如：Sn＝{k:pk,n＞0}，对于OFDMA、SC-FDMA等来说，每个用户在同一个时刻不能共享相同的子载波，也就意味着Sn∈{0,1}；而本项目拟采用的NOMA方案可以实现不同的用户在同一个时刻共享相同的子载波，用户之间可以重叠，即Sn≥1，故能有效地提高频谱效率。设置T为每条子载波上所能接受的最大用户数,其中
车载MCT接收端的信号流程如附图3(b)所示。在接收端，RAU通过大规模MIMO天线接收NOMA信号，信号流经过串/并转换后变换为并行的子流，分别得到对应的rk,p，其中rk,p＝[rk,p(1),...,rk,p(n),...rk,p(N)]，rk,p(n)表示接收到的用户k在子载波n的第p根接收天线的NOMA符号。MCT NR根接收天线接收的NOMA符号可以表示为
接着去掉先前为了避免多径时延造成的ISI所插入到信号流中的CP。对接收到的信号rk,p分别进行FFT。信号rk,p经过FFT模块之后变为Rk,p，Rk,p表示用户k对应第p根接收天线的频域解调信号，即Rk,p＝[Rk,p(1),...,Rk,p(n),...,Rk,p(N)]T，该FFT变换也可以写成一个矩阵变换，即
Rk,p＝(F-1)Hrk,p
经过解调后在子载波n上的接收信号表达式如下：
其中，ak,n是用户k在子载波n上的传送符号，是通过信道估计模块得到的用户k在子载波n上的信道增益估计值，wq(n)是加性高斯白噪声。
接收信号yn再通过多用户检测模块，采用最大似然准则进行用户信号的检测，最大似然函数p(yn|an)的表达式如下：
其中，||·||表示二范数，an和分别是子载波n上的传送符号和相应的估计的信道增益。
最后将得到的估计符号结果通过前向纠错解码出来。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1高速移动切换下分布式大规模MIMO系统网络架构；图2高速移动切换下分布式大规模MIMO通信系统模型；
图3高速移动切换下分布式大规模MIMO-NOMA车地通信系统；
图4大规模MIMO-NOMA车地通信系统信号处理流程。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
大规模MIMO-NOMA车地通信系统信号处理流程如图4所示，具体步骤如下：
步骤10，开始；
步骤20，为需要通信的每个用户分配相应的用户速率Rk，如式
步骤30，每个用户的信息流通过前向纠错编码映射到符号流a1,…,aK，经过串/并转换分别得到对应的Xk,p；
步骤40，对用户k将要发射到第p根天线的信号Xk,p分别进行IFFT变为xk,p；
步骤50，将长度等于或大于信道期望最大时延的CP插入到信号中后进行信号传输；
步骤60，并行信号经过并/串转换为串行信号，经过CCS预编码处理模块形成下行传输矩阵；
步骤70，通过微波到光的转换模块将微波信号调制到光信号，并通过RoF将信号送达铁路沿线的RAU；
步骤80，接收端的RAU模块再通过光到微波转换模块，将光信号转换为微波信号，通过大规模MIMO天线将NOMA信号发送给车载MCT；
步骤90，车载MCT接收到NOMA信号，信号流经过串/并转换后变换为并行的子流；
步骤100，去掉先前为了避免多径时延造成的ISI所插入到信号流中的CP；
步骤110，接收到的信号rk,p分别进行FFT变为Rk,p，经过解调后在子载波n上的接收信号yn表达式如式
步骤120，接收信号yn通过多用户检测模块，采用最大似然准则进行用户信号的检测，最大似然函数p(yn|an)的表达式如公式
步骤130，将得到的估计符号结果通过前向纠错解码出来；
步骤140，结束；
如上所述，本发明创新性地将5G的候选关键技术——大规模MIMO和NOMA组成的大规模MIMO-NOMA系统用于高铁环境，分析了此类系统的具体的信号处理分析流程，为面向5G的高铁移动通信系统原型机和系统、链路级仿真提供了参考。
本发明的有益效果是：
采用本发明可以大大提升LTE-R系统的频谱效率，以达到提高车厢内固定座位终端用户的语音和数据通信性能的目标。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (2)
1.一种分布式大规模MIMO-NOMA高铁移动通信系统，其特征在于：
考虑每个RAU有NT根发射天线、MCT有NR根接收天线的分布式大规模MIMO-NOMA系统；在发射端，比特流通过前向纠错编码映射到符号流；然后，符号流通过串/并转换模块变换为并行的子流；调制通过IFFT实现；为了避免多径时延造成的ISI，在传输之前，长度等于或大于信道期望最大时延的CP将插入到信号中；然后信号经过并/串转换为串行信号，经过CCS预编码处理模块形成下行传输矩阵，然后通过微波到光的转换模块将微波信号调制到光信号，再通过RoF将信号送达铁路沿线的RAU，而RAU模块再通过光到微波转换模块，将光信号转换为微波信号，通过大规模MIMO天线将NOMA信号发送给车载MCT；
在发射端，假定有K个用户，可用带宽被划分为N个子载波；用户k∈{1,2,...,K}，通过子载波n(n∈{1,2,...,N})传送数据，pk,n是用户k在子载波n上的发射功率，Pk是单个用户的最大功率，即有：
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根据香农公式，第k个用户速率表示为：
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</mrow>
其中，Rk是用户k的用户速率，hk,n是用户k在子载波n上的信道增益，σ2是每个子载波上的噪声功率，Ik,n表示用户k在子载波n上传送数据受到来自其他用户的干扰；
每个用户分配到相应的用户速率后，通过前向纠错编码映射到符号流a1,…,aK,再经过串/并转换分别得到对应的Xk,p，其中Xk,p＝[Xk,p(1),...,Xk,p(n),...Xk,p(N)]，Xk,p(n)表示用户k在子载波n的第p个发射天线发送的NOMA符号；由单个RAU NT个发射天线发送的NOMA符号表示为：
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在CCS里，对用户k将要发射到第p根天线的信号Xk,p分别进行IFFT；信号Xk,p经过IFFT模块之后变为xk,p，xk,p表示用户k对应第p根发射天线的时域调制信号，即xk,p＝[xk,p(1),...,x(n),...,xk,p(N)]T，该IFFT变换写成一个矩阵变换，即
xk,p＝FHXk,p
其中，F是N×N的IFFT矩阵，其组成元素为ωr,s＝e-j2πst/N，s是行，t是列，且s,t＝1,...,N；
此外，设Sn是子载波n上活跃的用户数，Sn＝{k:pk,n＞0}，对于OFDMA、SC-FDMA等来说，每个用户在同一个时刻不能共享相同的子载波，也就意味着Sn∈{0,1}；能实现不同的用户在同一个时刻共享相同的子载波，用户之间能够重叠，即Sn≥1，故能有效地提高频谱效率；设置T为每条子载波上所能接受的最大用户数,其中
在接收端，RAU通过大规模MIMO天线接收NOMA信号，信号流经过串/并转换后变换为并行的子流，分别得到对应的rk,p，其中rk,p＝[rk,p(1),...,rk,p(n),...rk,p(N)]，rk,p(n)表示接收到的用户k在子载波n的第p根接收天线的NOMA符号；MCT NR根接收天线接收的NOMA符号能够表示为：
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<mi>T</mi>
</msup>
</mrow>
接着去掉先前为了避免多径时延造成的ISI所插入到信号流中的CP；对接收到的信号rk,p分别进行FFT；信号rk,p经过FFT模块之后变为Rk,p，Rk,p表示用户k对应第p根接收天线的频域解调信号，即Rk,p＝[Rk,p(1),...,Rk,p(n),...,Rk,p(N)]T，该FFT变换写成一个矩阵变换，即：
Rk,p＝(F-1)Hrk,p
经过解调后在子载波n上的接收信号表达式如下：
<mrow>
<msub>
<mi>y</mi>
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<mo>=</mo>
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</mrow>
</mrow>
其中，ak,n是用户k在子载波n上的传送符号，是通过信道估计模块得到的用户k在子载波n上的信道增益估计值，wq(n)是加性高斯白噪声；
接收信号yn再通过多用户检测模块，采用最大似然准则进行用户信号的检测，最大似然函数p(yn|an)的表达式如下：
<mrow>
<msub>
<mover>
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<mo>|</mo>
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<mo>|</mo>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，||·||表示二范数，an和分别是子载波n上的传送符号和相应的估计的信道增益；
最后将得到的估计符号结果通过前向纠错解码出来。
2.根据权利要求1所述的一种分布式大规模MIMO-NOMA高铁移动通信系统，其特征在于：包括：
大规模MIMO-NOMA车地通信系统信号处理具体流程如下，
步骤1、开始；
步骤2、为需要通信的每个用户分配相应的用户速率Rk，如式
步骤3、每个用户的信息流通过前向纠错编码映射到符号流a1,…,aK，经过串/并转换分别得到对应的Xk,p；
步骤4、对用户k将要发射到第p根天线的信号Xk,p分别进行IFFT变为xk,p；
步骤5、将长度等于或大于信道期望最大时延的CP插入到信号中后进行信号传输；
步骤6、并行信号经过并/串转换为串行信号，经过CCS预编码处理模块形成下行传输矩阵；
步骤7、通过微波到光的转换模块将微波信号调制到光信号，并通过RoF将信号送达铁路沿线的RAU；
步骤8、接收端的RAU模块再通过光到微波转换模块，将光信号转换为微波信号，通过大规模MIMO天线将NOMA信号发送给车载MCT；
步骤9、车载MCT接收到NOMA信号，信号流经过串/并转换后变换为并行的子流；
步骤10、去掉先前为了避免多径时延造成的ISI所插入到信号流中的CP；
步骤11、接收到的信号rk,p分别进行FFT变为Rk,p，经过解调后在子载波n上的接收信号yn表达式如式
步骤12、接收信号yn通过多用户检测模块，采用最大似然准则进行用户信号的检测，最大似然函数p(yn|an)的表达式如公式
步骤13、将得到的估计符号结果通过前向纠错解码出来；
步骤14、结束。
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