CN109347525B - 毫米波高铁车地通信的自适应多波束成形与波束切换方法 - Google Patents

毫米波高铁车地通信的自适应多波束成形与波束切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种毫米波高铁车地通信的自适应多波束成形与波束切换方法，该方法首先进行多波束成形，其次进行多车载移动中继节点波束分配，接着进行波束切换，然后建立容量优化问题，最后激活最佳波束。本发明采用的毫米波高铁车地通信自适应多波束成形与波束切换技术，不仅可以显著提升高铁无线通信系统的容量，还可以降低整个系统的通信中断概率。

Description

毫米波高铁车地通信的自适应多波束成形与波束切换方法
技术领域
本发明涉及一种高铁移动通信与毫米波多波束无线传输技术，具体的说是一种毫米波高铁车地通信的自适应多波束成形与波束切换方法，属于无线移动通信技术领域。
背景技术
随着高速铁路的迅速发展，各种智能设备(比如监控、录像等)将投入到高铁上来，这些设备以及车上的用户对高移动性场景下高速率和高可靠性业务的需求与日俱增。现有的GSM-R(Global System for Mobile Communications-Railway或GSM-Railway)系统所提供的数据速率已不能满足这些需求，而升级版的LTE-R(Long Term Evolution-Railway)系统还没有形成统一的标准。因此，如何大幅提升高铁无线通信系统的数据速率引起了业内的广泛关注。拓展新的频谱资源，开发毫米波频段能够提供极宽的带宽资源，但是高频波段的路径损耗很大，而波束成形技术可以集中发射信号的能量以传播更远的距离。所以，毫米波技术与定向波束成形技术相结合将是一个富有前景的提升系统容量的方案。此外，单波束成形所提供的容量十分有限，采用多波束成形方案能进一步提升无线通信系统的容量。
近年来，国内外一些文献已经围绕高铁场景下利用波束成形技术提升系统容量问题开展了一系列研究。Ke Xiong等人在《IEEE Transactions on Vehicular TechnologyNov.2017,pp.10546-10550(电气和电子工程师协会车载技术会刊，2017年11月，第10546-10550页)》上发表了题为“A Broad Beamforming Approach for High-MobilityCommunications(高移动性通信中宽波束成形方法)”一文。该文提出根据用户当前的位置和速度信息，利用宽波束来追踪、覆盖移动用户，以提升接收信噪比。但是当列车远离基站时，路径损耗增大，而宽波束的波束成形增益较低，所以接收信噪比会降低，从而使系统容量减小。另经检索发现，Li Yan等人在《IEEE Transactions on Vehicular TechnologyFeb.2018(电气和电子工程师协会车载技术会刊，2018年2月)》发表了题为“StableBeamforming with Low Overhead for C/U-plane Decoupled HSR Wireless Networks(用于C/U平面分离的高铁无线网络的低开销稳定波束成形)”一文。该文提出一种C/U平面分离的架构，控制信息用具有高可靠性的低频波段传输，而用户数据用毫米波传输以提升容量；在发射波束覆盖的范围内，接收端也采用波束成形技术进行接收；该系统不仅可以减少反馈开销，还可以将信噪比保持在一个较高较稳定的水平。但是，仅采用单波束来传输信号限制了容量的进一步提升。经检索还发现，Meng Cheng等人在《China CommunicationsSep.2016,pp.12-23(中国通信，2016年9月，第12-23页)》上发表了题为“AdaptiveAntenna-Activation Based Beamforming for Large-Scale MIMO CommunicationSystems of High Speed Railway(基于自适应天线激活的高速铁路大规模MIMO通信系统波束成形)”一文。该文对两个移动中继参与的场景进行了研究，提出了基于自适应天线激活的波束成形方案，该方案在一定程度上提升了系统的容量和鲁棒性能。但是该文通过划分列车经过的区域来激活不同的天线数量，不能实时地获取当前时刻系统的最优容量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足而提供一种毫米波高铁车地通信的自适应多波束成形与波束切换方法，该方法能进一步提升高铁无线通信系统的容量，降低通信中断概率。
本发明提供一种毫米波高铁车地通信的自适应多波束成形与波束切换方法，包括以下步骤：
第一步、多波束成形—在列车的每节车厢顶部安装一个车载移动中继节点，车载移动中继节点与发射基站之间通信连接，发射基站利用毫米波同时发射多个不同宽度的波束进行信号传输，在一个发射波束的覆盖范围内，车载移动中继节点可根据列车的位置自适应地调整接收波束的宽度和方向；
第二步、多车载移动中继节点波束分配—制定一种多车载移动中继节点波束分配方案，给出车载移动中继节点在发射基站覆盖范围内各点处所需的发射波束宽度和对应的波束切换点；
第三步、波束切换—根据波束分配方案中获得的发射波束宽度和波束切换点以及列车位置信息为每个车载移动中继节点选择相应的波束；
第四步、建立容量优化问题；
第五步、激活最佳波束—利用最佳波束激活方法求解最优容量和最佳激活波束以优化高铁车地通信系统的通信容量和通信质量。
本发明的方法，首先，公开一种多车载移动中继通信节点波束分配技术方案，给出车载移动中继节点在基站覆盖范围内各点所需的波束宽度和对应的波束切换点；然后，公开一种可根据列车的位置和波束分配方案为每个移动中继选择相应波束的方法；接着，公开一种可使车地通信容量和通信质量优化的最佳波束激活方法。本发明能够显著提升高铁无线通信系统的容量，并降低通信中断概率。
第一步中，设列车长度为Ltrain，列车共有NS节车厢，在每节车厢的顶部安装一个车载移动中继节点，相邻两车载移动中继节点之间的距离为l；发射基站利用毫米波同时发射L个不同宽度的波束来传输信号，其中L≤NS，车载移动中继节点距离发射基站越近，发射波束越宽，距离发射基站越远，发射波束越窄；设发射波束到达第i个车载移动中继节点的到达角为φi，在一个发射波束的覆盖范围内，车载移动中继节点可以自适应地调整接收波束的宽度和方向。
进一步的，所述发射基站、车载移动中继节点均采用天线阵列进行发射和接收信号。
对于每个车载移动中继节点，在一个发射基站的覆盖范围内，当列车处于不同的位置时，发射波束的宽度是不同的。车载移动中继节点距离发射基站较近时，发射波束比较宽，当车载移动中继节点远离发射基站时，发射波束也随之变窄。第二步中，计算发射基站小区覆盖范围内各点处发射波束的宽度和波束切换点的具体步骤如下：
(21)设第i个车载移动中继节点在点k处(k是指小区覆盖范围内各点的发射波束编号)的发射波束宽度为θi(k)，将当前发射波束宽度θi(k)设为波束宽度的最大值θmax(θmax是该系统中所有波束宽度的上限值)，即θi(k)＝θmax；转至步骤(22)；
(22)检查接收端是否达到接收门限，若达到，则将θi(k)作为该点处的发射波束宽度，并根据(1)式计算当前总的发射波束宽度Bsumi，转至步骤(25)，
Bsumi＝Bsumi+θi(k) (1)
(1)式中第一个Bsumi为当前总的发射波束宽度，第二个Bsumi为原来总的发射波束宽度，θi(k)＝θmax；若没达到，则进入步骤(23)；
(23)将发射波束宽度θi(k)减小一个步长，即根据(2)式计算新的发射波束宽度θi(k)，
θi(k)＝θi(k)－δ (2)
其中，(2)式中第一个θi(k)为新的发射波束宽度，第二个θi(k)为原来的发射波束宽度，δ为步长；转至步骤(24)；
(24)判断计算后新的(即减小后的)发射波束宽度θi(k)是否小于波束宽度的最小值θmin，若小于，则将该新的发射波束宽度θi(k)设为波束宽度的最小值θmin，即θi(k)＝θmin，然后根据(1)式计算当前总的发射波束宽度Bsumi以更新Bsumi，转至步骤(25)，
Bsumi＝Bsumi+θi(k) (1)
(1)式中第一个Bsumi为当前总的发射波束宽度，第二个Bsumi为原来总的发射波束宽度，否则返回步骤(22)；
(25)根据(3)式计算波束切换点BSPi(k)，
BSPi(k)＝-dmintan(arctan((i-1)l/dmin)-Bsumi+θi(k)) (3)
其中，dmin表示发射基站与车载移动中继节点之间的最短传输距离，且
Figure GDA0001934629060000051
dp表示发射基站与轨道之间的垂直距离，HBS表示发射基站的高度，HMR表示接收移动中继节点的高度，l为相邻两车载移动中继节点之间的距离，Bsumi为根据(1)式得到的当前总的发射波束宽度，转至步骤(26)；
(26)判断波束切换点BSPi(k)是否在发射基站覆盖范围内，若在，则返回步骤(21)，计算下一点k+1处的波束宽度θi(k+1)和波束切换点BSPi(k+1)；若不在，则输出所有的发射波束宽度和波束切换点。
第三步中，波束切换方法如下：
当列车处于某一确定位置时，判断每个车载移动中继节点是否到达各自的波束切换点BSPi(k)，若到达，则切换为其对应的发射波束θi(k)，在该车载移动中继节点到达下一个波束切换点之前，发射基站不会改变发射波束的宽度和方向；若未到达，该车载移动中继节点继续使用上一发射波束θi(k-1)进行服务。
第四步中，建立容量优化问题的具体方法如下：
(41)第i个车载移动中继节点的接收信号为：
Figure GDA0001934629060000061
其中，pi为分配给第i个波束的功率，βi为从发射基站到第i个车载移动中继节点的大尺度衰落因子，di为从发射基站到第i个车载移动中继节点的距离；GTi为第i个发射波束的波束成形增益，GRi为第i个接收波束的波束成形增益，hi为第i个信道矢量，wi为第i个天线阵的权值矢量，xi为第i个发射信号，ni为第i个加性高斯白噪声；pj为分配给第j个波束的功率，βj为从发射基站到第j个车载移动中继节点的大尺度衰落因子，dj为从发射基站到第j个车载移动中继节点的距离；GTj为第j个发射波束的波束成形增益，GRj为第j个接收波束的波束成形增益，hj为第j个信道矢量，wj为第j个天线阵的权值矢量，xj为第j个发射信号且j≠i；Bopt为最佳激活波束集；
(42)根据接收信号计算接收信噪比：
Figure GDA0001934629060000062
其中，
Figure GDA0001934629060000063
为加性高斯白噪声ni的方差；
(43)系统总容量为：
Figure GDA0001934629060000064
其中，W为信道带宽；
(44)将优化目标设为最大化系统容量，约束条件设定为发射功率和激活波束限制，则
Figure GDA0001934629060000071
其中，Ω为所有待激活波束的集合，P为基站的总发射功率。
第五步中，最佳波束激活方法如下：
(51)计算每个发射波束所对应的容量，并求其最大值；
(52)计算每两个发射波束所对应的容量(这两个波束中必须包含上一步所求最大容量对应的那一个波束)，并求其最大值；
(53)计算每三个发射波束所对应的容量(这三个波束中必须包含上一步所求最大容量对应的那两个波束)，并求其最大值；
(54)依次类推，求得NS-1个发射波束所对应容量的最大值以及NS个发射波束所对应容量的最大值；
(55)选取上述最大容量中的最大值作为该高铁通信系统在当前时刻的最优容量，该最优容量所对应的激活波束作为该系统当前时刻的最佳激活波束。
本发明还包括第六步、计算系统通信中断概率，只有当所有激活波束链路同时发生中断时，整个系统才会发生通信中断，其中断概率为：
Figure GDA0001934629060000072
其中，Bopt为最佳激活波束集，Pout为一个波束链路的中断概率，Δangle(i)为第i个角度误差，θr(i)为第i个接收波束宽度，Q函数，又称互补累计分布函数，
Figure GDA0001934629060000081
di为从发射基站到第i个车载移动中继节点的距离，
Figure GDA0001934629060000082
为距离误差的方差，
Figure GDA0001934629060000083
dp为发射基站与列车轨道之间的垂直距离，HBS为发射基站的高度，HMR为接收移动中继节点的高度。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：发射基站和车载移动中继节点均采用天线阵列进行发射和接收信号，发射基站利用毫米波同时发射多个不同宽度的波束来传输信号，并构建容量最大化问题，通过计算不同波束数目的容量，求解出最大的容量值作为高铁通信系统在当前位置处的最优容量；而且多个波束同时传输信号，即使某些波束链路发生通信中断，整个系统也不会发生中断。总之，本发明采用的毫米波高铁车地通信自适应多波束成形与波束切换技术，不仅可以显著提升高铁无线通信系统的容量，还可以降低整个系统的通信中断概率。
附图说明
图1为本发明中多波束成形方案的系统模型图。
图2为本发明中第i个车载移动中继节点的波束切换方案示意图。
图3为本发明中NS为8时每个车载移动中继的波束宽度和波束切换点的仿真结果图。
图4为本发明与现有技术容量仿真结果对比图。
图5为本发明中最佳的激活波束数目仿真结果图。
图6为本发明与现有技术通信中断概率仿真结果对比图。
图7为本发明中计算波束宽度和波束切换点的流程图。
图8为本发明中波束选择流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
发射基站利用毫米波同时发射多个不同宽度的波束进行信号传输，如图1所示，列车长为Ltrain，共有NS节车厢，每节车厢顶部安装一个车载移动中继节点，相邻两车载移动中继节点之间的距离为l，将发射波束到达第i个车载移动中继节点的到达角设为Φi。发射基站和接收信号的车载移动中继节点均采用天线阵列进行发射和接收信号，其天线阵元数分别为NT和NR。当发射基站同时发射L个不同宽度的波束来传输信号(L≤NS)时，车载移动中继节点距离基站越近，发射波束越宽，因为此时路径损耗较低，宽波束提供的能量能够满足接收要求，而且宽波束可以增大发射波束的覆盖范围，从而减少发射波束的更新次数；车载移动中继节点距离基站越远，发射波束越窄，因为远距离的路径损耗较大，需要具有较高波束成形增益的窄波束来补偿增加的路径损耗。发射基站和车载移动中继节点均可以根据列车的位置自动地调整波束的宽度和方向，在一个发射波束的覆盖范围内，车载移动中继节点可以根据当前的信道状态信息自适应地调整接收波束的宽度和方向以提高信号接收质量。该技术方案可以显著提升高铁无线通信系统的容量，同时又能够降低通信中断概率。
本发明所采用的技术方案具体包括以下内容：
一、多车载移动中继通信节点波束分配方案
在多车载移动中继通信节点中，对于第i个移动中继节点，在一个基站的覆盖范围内，列车处于不同的位置，发射波束的宽度是不同的。当接收信噪比满足接收灵敏度要求时，发射基站采用尽可能宽的发射波束来增加每个波束的覆盖范围以减少波束更新的次数。在发射基站附近，由于路径损耗不是很大，宽波束可以提供足够的能量来满足接收要求；但是在靠近小区边缘部分，由于路径损耗比较大，基站需要采用具有较高波束成形增益的窄波束来补偿增加的路径损耗。将发射波束边界与列车轨道的交点称为波束切换点BSPi，发射波束在轨道上的有效覆盖范围记为Li。按照图7所示，可以预先计算出第i个移动中继节点在小区覆盖范围内所需的所有发射波束宽度θi(k)以及相应的波束切换点BSPi(k)。具体计算方法如下：
(21)设第i个车载移动中继节点在点k处(k指的是某个移动中继在一个小区覆盖范围内不同的点处对应的发射波束代号，如图2所示，在一个小区内，从左到右，为第i个移动中继服务的发射波束依次为第1个发射波束、第2个发射波束、…、第k个发射波束…，对于不同的移动中继，由于发射波束宽度不同，所以k的取值范围也不同，在一个小区内，有的中继需要3个发射波束就能覆盖完，有的也许需要5个对于第i个车载移动中继节点，k的取值范围为1～Ni)的发射波束宽度为θi(k)，将当前发射波束宽度θi(k)设为波束宽度的最大值θmax(θmax是该系统中所有波束宽度的上限值)，即θi(k)＝θmax；转至步骤(22)；
(22)检查接收端是否达到接收门限，若达到，则将θi(k)作为该点处的发射波束宽度，并根据(1)式计算当前总的发射波束宽度Bsumi，转至步骤(25)，
Bsumi＝Bsumi+θi(k) (1)
(1)式中第一个Bsumi为当前总的发射波束宽度，第二个Bsumi为原来总的发射波束宽度，θi(k)＝θmax；若没达到，则进入步骤(23)；
(23)将发射波束宽度θi(k)减小一个步长，即根据(2)式计算新的发射波束宽度θi(k)，
θi(k)＝θi(k)－δ (2)
其中，(2)式中第一个θi(k)为新的发射波束宽度，第二个θi(k)为原来的发射波束宽度，δ为步长；转至步骤(24)；
(24)判断计算后新的(即减小后的)发射波束宽度θi(k)是否小于波束宽度的最小值θmin，若小于，则将该新的发射波束宽度θi(k)设为波束宽度的最小值θmin，即θi(k)＝θmin，然后根据(1)式计算当前总的发射波束宽度Bsumi以更新Bsumi，转至步骤(25)，
Bsumi＝Bsumi+θi(k) (1)
(1)式中第一个Bsumi为当前总的发射波束宽度，第二个Bsumi为原来总的发射波束宽度，否则返回步骤(22)；
(25)根据(3)式计算波束切换点BSPi(k)，
BSPi(k)＝-dmintan(arctan((i-1)l/dmin)-Bsumi+θi(k)) (3)
其中，dmin表示发射基站与车载移动中继节点之间的最短传输距离，且
Figure GDA0001934629060000111
dp表示发射基站与轨道之间的垂直距离，HBS表示发射基站的高度，HMR表示接收移动中继节点的高度，l为相邻两车载移动中继节点之间的距离，Bsumi为根据(1)式得到的当前总的发射波束宽度，转至步骤(26)；
(26)判断波束切换点BSPi(k)是否在发射基站覆盖范围内，若在，则返回步骤(21)，计算下一点k+1处的波束宽度θi(k+1)和波束切换点BSPi(k+1)；若不在，则输出所有的发射波束宽度和波束切换点。
二、基于列车位置和波束分配方案的波束切换方法
根据上述确定的波束宽度和波束切换点，当列车处于某一确定位置时，判断每个车载移动中继节点是否到达各自的波束切换点BSPi(k)。若到达，则切换为其对应的波束θi(k)；否则，未到达切换点的车载移动中继节点继续使用上一波束θi(k-1)进行服务。如图2所示，对于第i个车载移动中继节点，当其到达波束切换点BSPi(0)时，发射基站会发射一个宽度为θi(1)的波束来传输信号，在该车载移动中继节点到达波束切换点BSPi(1)之前，基站不会改变发射波束的宽度和方向。当车载移动中继节点处于BSPi(0)和BSPi(1)之间时(即移动中继节点在发射波束θi(1)的覆盖范围内)，车载移动中继节点会根据自身的位置自适应地调整接收波束的宽度和方向来提升接收性能。当接收移动中继节点到达波束切换点BSPi(1)时，发射基站会重新发射一个宽度为θi(2)的波束来覆盖、追踪该移动中继节点。依此类推，当车载移动中继节点到达波束切换点BSPi(Ni-1)时，发射基站会将当前服务波束切换为宽度为θi(Ni)的波束。因此，当车载移动中继节点的位置确定后，为其服务的波束便可以确定。同理，所有接收移动中继节点的服务波束均按照此方法进行切换。当列车处于某一确定的位置时，所有车载移动中继节点的服务波束都可以确定。
三、优化通信容量与通信质量的波束成形与波束激活方法
该方法包含两个主要过程：波束成形和波束激活。其中，波束成形的方法为发射基站和接收移动中继节点均采用天线阵列进行发射和接收信号，发射基站利用毫米波同时发射多个不同宽度的波束进行信号传输，接收移动中继节点距离发射基站越近，发射波束越宽，距离发射基站越远，发射波束越窄。在一个发射波束的覆盖范围内，接收中继节点可以根据列车的位置自适应地调整接收波束的宽度和方向。波束激活的过程如下：首先，计算每个波束所对应的容量，并求其最大值。然后，计算每两个波束所对应的容量(这两个波束中必须包含上一步所求最大容量所对应的那一个波束)，并求其最大值。接着，计算每三个波束所对应的容量(这三个波束中必须包含上一步所求最大容量所对应的那两个波束)，并求其最大值。依次类推，求得NS-1个波束所对应容量的最大值以及NS个波束对应容量的最大值。最后，选取这些最大值中的最大值作为该高铁通信系统在当前时刻的最大容量，该最大容量所对应的激活波束作为该系统当前时刻的最佳激活波束。具体的波束激活过程如图8所示：
(一)初始化：设Cmax＝0，Ci＝0，si＝0，其中Cmax为容量的最大值，Ci为激活波束的容量，si为最后激活的那个最佳波束；转至步骤(二)；
(二)设待激活波束集Ω＝{1,2，…，Ns}，m个最佳激活波束集为Bopt(m)，m指的是最佳激活波束的个数，且最佳的激活波束
Figure GDA0001934629060000131
Figure GDA0001934629060000132
为空集符号，即0个最佳激活波束集是空的；转至步骤(三)；
(三)判断m是否在1～Ns范围内(即1≤m≤Ns)，若是，假设激活波束集为B，则激活波束集B为
Figure GDA0001934629060000133
(即
Figure GDA0001934629060000134
)，进入步骤(四)，否则设Cmax＝maxC(m)且Bopt＝Bopt(m)，其中m＝1、2、3…，将这个循环进行下去，直至m>Ns循环结束，按照上述方法能够求出最大容量和最佳激活波束，输出最大容量Cmax和最佳激活波束集Bopt，操作结束；
(四)fori∈Ωdo(循环语句，意为对于Ω中的每个i，比如Ω中有8个波束，对于第1个波束，按照流程做一遍，然后对于第2个波束按照流程做一遍，直到8个波束全部做完)；将待激活波束集Ω中每个波束i激活，则B＝Bopt(m-1)∪{i}(将激活的波束i放到激活波束集B中，∪表示集合之间的并运算)；转至步骤(五)；
(五)根据下式计算激活波束集合B中波束所有波束所提供的容量Ci，
Figure GDA0001934629060000141
转至步骤(六)；
(六)根据下式求出m个激活波束所提供容量的最大值，
C(m)＝maxCi
其中，i∈Ω；
根据下式求出上述最大容量所对应的第m个最佳波束si，
Figure GDA0001934629060000142
转至步骤(七)；
(七)将该最佳波束si从待激活波束集Ω中激活，则Bopt(m)＝
Bopt(m-1)∪si(将si放入最佳激活波束集Bopt中，Bopt(m-1)是指上一轮的所有最佳激活波束)
Ω＝Ω-si(集合之间的减运算，表示将该最佳激活波束si从Ω中减去，)；转至步骤(八)；
(八)返回步骤(三)计算同时激活m+1个波束的容量。
该算法的简要说明：总共有Ns个待激活的波束，都存储在集合Ω中，首先，计算每一个波束提供的容量，第i个激活波束的容量为Ci，将Ns个波束的容量计算完之后，求取一个波束提供的容量的最大值C(m),这里m＝1，即得到一个波束容量的最大值C(1)，该最大容量对应的那个波束记为si，即一个波束中的那个最佳波束，将该波束激活，也就是将该最佳波束从待激活波束集Ω中去掉，放入最佳激活波束集Bopt中(刚开始计算容量时，波束并没有真正激活，最佳激活波束才会被激活)；然后计算每两个波束的容量，计算两个波束的容量是以刚刚得到的那个最佳波束为基准的，比如，设Ns＝8，刚刚得到的最佳波束为第3个波束，那么计算每两个波束的组合只能是(3,1)、(3,2)、(3,4)、(3,5)、(3,6)、(3,7)、(3,8)，每一个组合中波束提供的容量仍然记为Ci，计算完之后，求取两个波束容量的最大值C(m),m＝2,即得到两个波束容量的最大值C(2)，该最大容量对应的后激活的那个波束记为si，例如：两个波束容量的最大值C(2)对应的那两个波束为(3,5)，则第5个波束记为si，将该波束激活；依次类推，计算3个波束的容量的组合为(3,5,1)、(3,5,2)、(3,5,4)、(3,5,6)、(3,5,7)、(3,5,8)。
实施例1
如图1所示，本实施例高铁通信系统中发射基站和接收移动中继节点均采用天线阵列进行信号的发射和接收。发射基站和车载移动中继节点分别采用具有NT和NR个天线阵元的均匀直线阵。列车长为Ltrain，共有NS节车厢，每节车厢顶部安装一个车载移动中继节点MR，相邻MR之间的距离为l(25m)，发射波束到达第i个移动中继节点的到达角设为φi。发射基站利用毫米波同时发射L个不同宽度的波束来传输信号(L≤NS)。
在这L个激活的波束中(即激活波束集Bopt中)，第i个波束是由图2所示的波束分配方案确定的。在一个发射基站的覆盖范围内，列车处于不同的位置，发射波束的宽度是不同的。当接收信噪比满足接收灵敏度要求时，发射基站采用尽可能宽的发射波束来增加每个波束的覆盖范围以减少波束更新配置的次数。在发射基站附近，由于路径损耗不是很大，宽波束可以提供足够的能量来满足接收要求，但是在靠近小区边缘部分，由于路径损耗比较大，基站需要采用具有较高波束成形增益的窄波束来补偿增加的路径损耗。发射波束在轨道上的有效覆盖范围记为Li，Li的端点称为波束切换点BSPi。基站预先计算出每个移动中继节点在各点处所需的波束宽度θi(k)以及相应的波束切换点BSPi(k)。当列车处于某一确定位置时，判断每个移动中继节点是否到达各自的波束切换点BSPi(k)，若到达，则切换为对应的波束θi(k)，未到达切换点的移动中继节点继续使用上一波束θi(k-1)。
在所有激活的波束中，第i个接收信号为：
Figure GDA0001934629060000161
等式右边三项分别是期望的接收信号、干扰信号和噪声。pi是分配给第i个波束的功率；βi是从基站到第i个移动中继节点MR的大尺度衰落因子，它由路径损耗PL(di)和阴影衰落指数σp共同决定。其中di是从发射基站到第i个MR的距离；GTi和GRi分别是发射波束和接收波束的波束成形增益，它们的表达式如下：
Figure GDA0001934629060000162
其中，η是一个常数，取值为4lg2；W3dB是波束的3dB带宽；在理想情况下，Δθ是波束主瓣方向和到达角方向的角度差。信道矢量：
Figure GDA0001934629060000163
其中，αi～N(0,1)，λc是载波波长，r(φi)是天线阵方向矢量：
Figure GDA0001934629060000164
Figure GDA0001934629060000165
是天线阵的权值矢量，其值为
Figure GDA0001934629060000166
xi是第i个发射信号，满足
Figure GDA0001934629060000167
Figure GDA0001934629060000168
是加性高斯白噪声。
根据接收信号可以计算出第i个MR所对应的接收信干噪比SINRi：
Figure GDA0001934629060000171
其中，
Figure GDA0001934629060000172
为加性高斯白噪声ni的方差；
则高铁无线通信系统在某时刻的总容量可以表示为：
Figure GDA0001934629060000173
其中，W为信道宽度；
由于多个波束之间会产生波束间干扰问题，从而降低系统容量，而且列车与基站之间的距离越远，波束之间的分辨率就越低，这种波束间干扰就越严重，本实施例方案提出一种自适应波束激活算法来减少波束间干扰，使容量保持在一个最佳值。本实施例的优化问题就是使系统容量最大化：
Figure GDA0001934629060000174
其中，Ω是所有待激活波束的集合，P是总的发射功率。
本实施例通过表Ⅰ所述的自适应波束激活算法可以求解上述优化问题，找出容量最大值Cmax和所需激活的最佳波束集Bopt。
表Ⅰ
Figure GDA0001934629060000175
Figure GDA0001934629060000181
本实施例采用的多波束成形与波束切换技术方案可以降低通信中断概率，因为只有当所有激活波束链路同时发生中断时，整个高铁通信系统才会发生通信中断，该系统的通信中断概率可以表示为：
Figure GDA0001934629060000182
其中，Bopt为最佳激活波束集，Pout为一个波束链路的中断概率，Δangle(i)为第i个角度误差，θr(i)为第i个接收波束宽度，Q为函数，又称互补累计分布函数，
Figure GDA0001934629060000183
di为从发射基站到第i个车载移动中继节点的距离，
Figure GDA0001934629060000184
为距离误差的方差，
Figure GDA0001934629060000185
dp为发射基站与列车轨道之间的垂直距离，HBS为发射基站的高度，HMR为接收移动中继节点的高度。
本实施例所述的技术方案利用表Ⅰ中自适应波束激活算法可以求得高铁通信系统的最大容量和最佳激活波束，与以前的技术方案相比，该技术方案可以显著提升高铁无线通信系统的容量，而且能够降低通信中断概率。具体的性能分析将在仿真结果中详细阐述。
仿真参数如表Ⅱ所示，仿真结果如图3、图4、图5和图6所示。
表Ⅱ
Figure GDA0001934629060000191
图3是NS等于8时每个移动中继节点的发射波束宽度和波束切换点的仿真结果图，它表明当列车在基站附近时，发射波束比较宽，因为此处路径损耗不是很严重，所以可以采用很宽的发射波束来传输信号，但是由于受最大波束宽度θmax的限制，发射波束宽度只能取θmax。而当列车逐渐远离基站时，发射波束宽度随之变窄，因为此时需要具有较高波束成形增益的窄波束来补偿逐渐增加的路径损耗。
图4表明本实施例所述的毫米波高铁车地通信自适应多波束成形与波束切换技术方案的容量在现有技术方案中是最优的。在靠近基站的区域内，波束间干扰较小，可并存服务的波束数目较多，该技术方案的容量远远高于其他技术方案；在远离基站的区域内，由于波束间干扰增大，需要适当减少波束的数目以控制波束间干扰的影响，这会导致系统容量有所下降，但其依然优于其他技术方案。
图5是列车在行驶过程中激活的波束数目。在基站附近，波束之间的分辨率较高，波束间干扰不是很严重，可以同时激活多个波束。但是随着列车与基站之间距离的增加，波束之间分辨率降低，波束间干扰越来越严重，需要实时调整激活波束、适当减少波束的数目以降低波束间干扰的影响，从而维持较高的容量性能。
图6表明本实施例方案的通信中断概率比设有保护角的单波束成形方案要低。由于相同的距离误差对应到角度误差上时，在基站附近的角度误差要大于小区边缘部分的角度误差，所以在基站附近，波束链路发生中断的概率较大。但是在基站附近，发射波束数目较多，可以降低系统的通信中断概率。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种毫米波高铁车地通信的自适应多波束成形与波束切换方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、列车共有NS节车厢，在列车的每节车厢顶部安装一个车载移动中继节点，车载移动中继节点与发射基站之间通信连接，发射基站利用毫米波同时发射多个不同宽度的波束进行信号传输，在一个发射波束的覆盖范围内，车载移动中继节点可根据列车的位置调整接收波束的宽度和方向；
第二步、制定一种多车载移动中继节点波束分配方案，给出车载移动中继节点在发射基站覆盖范围内各点处所需的发射波束宽度和对应的波束切换点；计算发射基站小区覆盖范围内各点处发射波束的宽度和波束切换点的具体步骤如下：
(21)设第i个车载移动中继节点在点k处接收的当前发射波束宽度为θi(k)，将当前发射波束宽度θi(k)设为波束宽度的最大值θmax；转至步骤(22)；
(22)检查接收端是否达到接收门限，若达到，则将θi(k)作为该点处的发射波束宽度，并根据(1)式计算当前总的发射波束宽度Bsumi，转至步骤(25)，
Bsumi＝Bsumi+θi(k) (1)
若没达到，则进入步骤(23)；
(23)根据(2)式计算新的发射波束宽度θi(k)，
θi(k)＝θi(k)－δ (2)
其中，δ为步长；转至步骤(24)；
(24)判断计算后新的发射波束宽度θi(k)是否小于波束宽度的最小值θmin，若小于，则将该新的发射波束宽度θi(k)设为波束宽度的最小值θmin，然后根据(1)式计算当前总的发射波束宽度Bsumi，转至步骤(25)，
Bsumi＝Bsumi+θi(k) (1)
否则返回步骤(22)；
(25)根据(3)式计算波束切换点BSPi(k)，
BSPi(k)＝-dmintan(arctan((i-1)l/dmin)-Bsumi+θi(k)) (3)
其中，dmin表示发射基站与车载移动中继节点之间的最短传输距离，且
Figure FDA0002887113420000021
dp表示发射基站与轨道之间的垂直距离，HBS表示发射基站的高度，HMR表示接收移动中继节点的高度，l为相邻两车载移动中继节点之间的距离；转至步骤(26)；
(26)判断波束切换点BSPi(k)是否在发射基站覆盖范围内，若在，则返回步骤(21)，计算下一点k+1处的波束宽度θi(k+1)和波束切换点BSPi(k+1)；若不在，则输出所有的发射波束宽度和波束切换点；
第三步、根据波束分配方案中获得的发射波束宽度和波束切换点以及列车位置信息为每个车载移动中继节点选择相应的波束；波束切换方法如下：
当列车处于某一确定位置时，判断每个车载移动中继节点是否到达各自的波束切换点BSPi(k)，若到达，则切换为其对应的发射波束θi(k)，在该车载移动中继节点到达下一个波束切换点之前，发射基站不会改变发射波束的宽度和方向；若未到达，该车载移动中继节点继续使用上一发射波束θi(k-1)进行服务；
第四步、建立容量优化问题；建立容量优化问题的具体方法如下：
(41)第i个车载移动中继节点的接收信号为：
Figure FDA0002887113420000031
其中，pi为分配给第i个波束的功率，βi为从发射基站到第i个车载移动中继节点的大尺度衰落因子，di为从发射基站到第i个车载移动中继节点的距离；GTi为第i个发射波束的波束成形增益，GRi为第i个接收波束的波束成形增益，hi为第i个信道矢量，wi为第i个天线阵的权值矢量，xi为第i个发射信号，ni为第i个加性高斯白噪声；pj为分配给第j个波束的功率，βj为从发射基站到第j个车载移动中继节点的大尺度衰落因子，dj为从发射基站到第j个车载移动中继节点的距离；GTj为第j个发射波束的波束成形增益，GRj为第j个接收波束的波束成形增益，hj为第j个信道矢量，wj为第j个天线阵的权值矢量，xj为第j个发射信号且j≠i；Bopt为最佳激活波束集；
(42)根据接收信号计算接收信噪比：
Figure FDA0002887113420000032
其中，
Figure FDA0002887113420000041
为加性高斯白噪声ni的方差；
(43)系统总容量为：
Figure FDA0002887113420000042
其中，W为信道带宽；
(44)将优化目标设为最大化系统容量，约束条件设定为发射功率和激活波束限制，则
Figure FDA0002887113420000043
Figure FDA0002887113420000044
Figure FDA0002887113420000045
其中，Ω为所有待激活波束的集合，P为基站的总发射功率；
第五步、利用最佳波束激活方法求解最优容量和最佳激活波束以优化高铁车地通信系统的通信容量和通信质量；最佳波束激活方法如下：
(51)计算每个发射波束所对应的容量，并求其最大值；
(52)计算每两个发射波束所对应的容量，这两个波束中必须包含上一步所求最大容量对应的那一个波束，并求其最大值；
(53)计算每三个发射波束所对应的容量，这三个波束中必须包含上一步所求最大容量对应的那两个波束，并求其最大值；
(54)依次类推，求得NS-1个发射波束所对应容量的最大值以及NS个发射波束所对应容量的最大值；
(55)选取上述最大容量中的最大值作为该高铁车地通信系统在当前时刻的最优容量，该最优容量所对应的激活波束作为该系统当前时刻的最佳激活波束。
2.根据权利要求1所述的毫米波高铁车地通信的自适应多波束成形与波束切换方法，其特征在于，第一步中，设列车长度为Ltrain，列车共有NS节车厢，在每节车厢的顶部安装一个车载移动中继节点，相邻两车载移动中继节点之间的距离为l；发射基站利用毫米波同时发射L个不同宽度的波束来传输信号，其中L≤NS；设发射波束到达第i个车载移动中继节点的到达角为φi。
3.根据权利要求2所述的毫米波高铁车地通信的自适应多波束成形与波束切换方法，其特征在于，所述发射基站、车载移动中继节点均采用天线阵列进行发射和接收信号。
4.根据权利要求1所述的毫米波高铁车地通信的自适应多波束成形与波束切换方法，其特征在于，还包括第六步、计算系统通信中断概率，只有当所有激活波束链路同时发生中断时，整个系统才会发生通信中断，其中断概率为：
Figure FDA0002887113420000051
其中，Bopt为最佳激活波束集，Pout为一个波束链路的中断概率，Δangle(i)为第i个角度误差，θr(i)为第i个接收波束宽度，Q函数，又称互补累计分布函数，
Figure FDA0002887113420000061
di为从发射基站到第i个车载移动中继节点的距离，
Figure FDA0002887113420000062
为距离误差的方差，
Figure FDA0002887113420000063
dp为发射基站与列车轨道之间的垂直距离，HBS为发射基站的高度，HMR为接收移动中继节点的高度。
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