CN110891255A - 一种在高速铁路场景下上行链路的波束宽度调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种在高速铁路场景下上行链路的波束宽度调整方法，包括以下步骤：利用列车的速度、位置信息，确定列车发出的波束在基站侧左边界、右边界的宽度；基于有效波束成形概率，设定波束区间保护角的宽度；利用得到的波束区间的保护角的宽度计算列车在服务范围内划分的切换区间个数；根据得到的切换区间的个数计算每个切换区间的长度；在获得切换区间的宽度之后计算每一个时刻波束宽度。该方法基于有效波束成形的概率，实时的调整波束宽度，来最大化波束的方向性，使系统得到最优的性能，且每个切换区间内采用相同的计算方法，避免了重复的计算，降低了系统的复杂度。

Description

一种在高速铁路场景下上行链路的波束宽度调整方法

技术领域

本发明涉及波束成形领域，特别是涉及一种在高速铁路场景下上行链路的波束宽度调整方法。

背景技术

随着铁路的全球发展，对高速铁路(HSR)通信中的高信息传输率和高可靠性的需求不断增加。但是，现有的全球移动通信系统(GSM-R)系统只能支持200kbps的最大数据传输速率。即使能够实现3Mbps传输速率的WiMAX系统也无法满足人们日益增长的需要。因此，需要具有更可靠和更高数据速率的HSR通信系统。国际铁路联盟(IRU)已确定LTE-R是下一代高铁通信系统的理想选择，但还没有形成统一的标准。提供可靠的宽带无线通信是HSR场景中的主要挑战。大规模MIMO作为关键技术可以将波束集中在一个很窄范围内，产生分集增益和信号多路复用，以提高频谱效率。但是，通过天线阵发射子波束会造成严重影响，从而降低系统性能。波束成形技术可以有效地解决上述问题。

在HSR场景中，传统的波束成形技术主要分为两种类型：波束切换和波束跟踪。波束跟踪技术是当列车进入基站(BS)服务范围时，需要不断更新位置信息以调整波束方向，使波束始终指向高速行驶的列车。虽然波束跟踪技术具有高容量和高灵活性，但它需要不断调整波束指向，这使其难以在工程中实现；波束切换技术是预先设置想要发送的波束。当列车通过该位置时，基站(BS)将设定的定向的波束发送给列车。波束切换方案具有低复杂度和低调整开销。它并不需要始终调波束的方向，因此波束切换技术在工程上易于实现。

经对现有发明的检索发现，Xuhong Chen等人在《IEEE Access,Volume:5,Apr.2017，pp:5936-5946(电气与电子工程师学会接入会刊，2017年4月，第5卷，第5936-5946页》上发表了题为“Directivity-Beamwidth Tradeoff of Massive MIMO UplinkBeamforming for High Speed Train Communication(用于高速列车通信的大规模MIMO上行链路波束成形的波束方向性和波束宽度权衡)”一文。该文主根据波束覆盖范围的平分角度，通过设置有效波束成形概率的阈值，选择适合的波束宽度，尽可能的增大波束的方向性。但是该方法是基于二分法进行查找波束宽度，当该方法确定的波束宽度不是最优的。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种高速铁路通信中上行链路的波束宽度调整方法，该方法通过划分多个切换区间，在每个区间内自适应的调节波束宽度大小，解决现有技术中需要时刻调整波束的角度对准基站的问题，进一步提升了系统的性能。

技术方案：本发明所述的在高速铁路场景下上行链路的波束宽度调整方法，其特征在于，该方法包括：

(1)根据列车的速度、位置信息，确定列车发出的波束在基站侧左边界γ_l、右边界γ_r的宽度；

(2)获得波束在基站侧左边界γ_l、右边界γ_r的宽度之后，基于有效波束成形的概率公式，在每个波束切换区间内设定相同的保护角宽度，以保证服务质量；

(3)列车在一个扇形区域内向基站发射波束，根据设定的波束切换区间保护角的宽度，划分波束的切换区间，计算波束切换区间的个数和波束切换区间的长度；

(4)利用得到的波束切换区间的个数和波束切换区间的长度，根据有效波束成形的概率公式，对预先设定好的有效波成形的概率P_th进行更新，得到一个更新后的有效波束成形概率P′_th；

(5)根据更新后的有效波束成形P′_th，波束宽度在波束切换区间内调整，计算每一时刻的波束宽度变化，输出最佳波束宽度。

进一步地，步骤(1)中，所述列车的速度、位置信息通过GPS或车载传感器确定。

进一步地，步骤(2)包括：

(21)设置一个定位误差，该定位误差服从高斯分布Δη～N(0,σ²)；

(22)计算有效波束成形的概率：

其中，Q(·)表示互补累计分布函数，γ_l表示波束在基站侧左边界宽度，γ_r表示右边界的宽度；

(23)根据有效波束成形概率在γ_l＝0或γ_r＝0处有效波束成形概率有最小值，为保证有效波束成形的概率满足传输的要求，在每个切换区间的右边界设定保护角，宽度为Δl。

进一步地，步骤(3)包括：

(31)计算波束切换区间的个数为K：

其中，d₀为基站到轨道的垂直距离，Δl为切换区间的保护角，Q(·)为互补累计分布函数，P_th为预先设定好的有效波束成形概率，取值范围为0.7≤P_th≤1，有效的波束成形概率越高，代表传输信息的可靠性越高；

(33)计算波束切换区间的长度L：

其中，

表示在列车向基站发射波束时所能覆盖的最大范围，C表示天线设计的参数，λ表示载波的波长，K表示切换区间的个数。

进一步地，步骤(4)包括：根据有效波束成形的概率公式，计算更新后的有效波束成形概率P′_th为：

其中，σ为高斯分布的标准差。

进一步地，步骤(5)包括：

(51)初始化波束在基站的右边界宽度的值，令γ_r＝0；

(52)当γ_r<L时,则认为当前基站位于波束覆盖的范围内，判定可以进行波束调整；

当0<γ_r<L/2时，固定右边界的位置到右切换点，调整波束左边界的宽度；

当L/2≤γ_r<L时，固定左边界到左切换点，调整右边界的宽度，进入步骤(53)；

当γ_r≥L时，判定当前的基站位于下一个波束覆盖范围内，则切换到下一个波束切换区间，波束向右侧调整Δl的距离，返回步骤(52)，重新调整γ_r的宽度；

(53)根据步骤(52)调整得到的右边界的宽度γ_r，在满足有效波束成形概率的条件下，计算接近最优的左边界的长度γ_l：

其中，Q^-1(x)表示为Q(x)的反函数，P′_th表示更新的有效波束成形的概率；

(54)计算波束在基站侧的覆盖范围：γ＝r_r+γ_l+Δl，并利用几何关系，得出波束宽度Θh；

(55)重新获取列车的位置信息，更新右边界的长度γ_r。

有益效果：本发明具有如下有益效果：

1、考虑在波束覆盖的扇形区域内划分多个切换区间，在每一个切换区间内，采用相同的方法计算左右边界的宽度，通过公式推导得出切换区间的波束宽度，仅需要计算其中一个切换区间的波束宽度变化，相比通过二分法查找的波束宽度的方式，避免了重复的迭代，降低了系统计算的复杂度；

2、在每个切换区间内增加一个保护角，避免了列车在运行过程中，基站在波束的边界位置有效波束成形概率过低的现象，相比通过二分法查找的波束宽度的方式，在波束的边界位置本发明获得的波束增益更高，系统的性能得到了提高；

3、在每一时刻都能得到一个最优的波束宽度，提高了系统的最大服务容量。

附图说明

图1为本发明所述的在高速铁路场景下上行链路的波束宽度调整方法的流程示意图；

图2为本发明上行链路的高铁无线通信系统模型图；

图3为在波束宽度与波束方向性的关系说明图；

图4为采用本发明方案与其他技术方案的定位误差在不同方案下与波束方向性的关系的仿真结果图；

图5为采用本发明方案的相对位置信息与波束方向性之间的关系仿真结果图；

图6为本发明方案与其他技术方案的整个服务期间与最大服务容量之间的关系的仿真结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的介绍。

如图1所示，本发明所述的一种在高速铁路场景下上行链路的波束宽度调整方法，应用于如图2所示的上行链路的高铁无线通信系统上。

请参见图2，列车的顶部在车厢上配置具有M个天线的均匀线性阵列，并在车厢的顶部安装移动中继节点。d₀表示基站到轨道的垂直距离，α表示列车向基站发射波束的扇形区域。θ_b表示列车对于基站的相对位置信息，Θ_h表示为波束的宽度。Ψ表示为基站接收波束的最大范围。我们将列车向基站发射波束的扇形区域划分K个切换区间，且在基站侧的波束覆盖范围宽度为L。通过增加一个保护角Δl，保证基站在波束边缘处满足设定的有效波束成形概率的阈值。在列车运行过程中我们不考虑多普勒效应所带来的影响，列车以一个恒定的速度通过基站服务覆盖范围。需要注意的是，图2中的线仅用于标注角度，对本发明方法的描述本身并无实质性含义。

一种在高速铁路场景下上行链路的波束宽度调整方法，包括以下步骤：

1)基于列车的速度、位置信息，确定列车发出的波束在基站侧左边界γ₁、右边界γ_r的宽度。

2)获得波束在基站侧左边界γ_l、右边界γ_r的宽度之后，基于有效波束成形的概率公式，在每个波束切换区间内设定相同的保护角宽度，以保证服务质量；

3)列车在一个扇形区域内向基站发射波束，根据设定的切换区间保护角的宽度，划分波束的切换区间，计算波束切换区间的个数和波束切换区间的长度。

4)利用得到的波束切换区间的个数和波束切换区间的长度，根据有效波束成形的概率公式，更新预先设定好的有效波成形概率P_th的值，得到一个更新后的有效波束成形概率P′_th。

5)根据更新后的有效波束成形的阈值P′_th，波束宽度在切换区间内调整，计算每一时刻的波束宽度变化。

所述的步骤1)中基于列车的速度、位置信息是指：在高速铁路通信中，列车的轨道是固定的，且列车在运行过程中，列车的速度、位置信息通过GPS或车载传感器确定。

所述的步骤2)基于有效波束成形的概率公式，设定每个切换区间的保护角宽度是指：

列车在行驶过程中向基站发射一定宽度的波束，并且列车向基站发射的波束方向不发生变化。此时，随着列车的移动，列车发射的波束随着移动在基站侧进行平移。我们不改变波束在基站右侧的波束位置，调整波束在基站左边界的波束位置来调节波束的宽度。有效波束成形的概率P如下式所示，仅与波束在基站侧的左边界γ_l和右边界r_r有关。考虑一个定位误差，该定位误差服从高斯分布Δη～N(0,σ²)。

其中，

是互补累计分布函数，γ_l表示波束在基站侧左边界宽度，γ_r表示右边界的宽度。有效波束成形概率在γ_l＝0或γ_r＝0处有效波束成形概率有最小值。为保证有效波束成形的概率满足传输的要求，在每个切换区间的右边界设定保护角，宽度为Δl。

所述的步骤3)根据设定的切换区间保护角的宽度，计算波束切换区间的个数和波束切换区间的长度为：

列车在行驶过程中，固定波束在基站右边界的波束位置，调整波束在基站左边界的位置。当右侧的波束宽度固定时，左边界越大，波束宽度就越大，有效波束成形的概率就会越高。我们希望波束宽度足够窄，来提高波束的方向性。因此可以划分多个区间，来避免这种问题。假设波束切换区间的个数为K，则根据下式计算切换区间个数K的取值：

其中，d₀为基站到轨道的垂直距离，Δl为切换区间的保护角，Q(x)为互补累计分布函数，P_th为设定好的有效波束成形阈值，取值范围为0.7≤P_th≤1，有效的波束成形概率越高，代表传输信息的可靠性越高；

通过确定切换区间K的值，来计算切换区间的长度L。当列车向基站发射波束的时，波束宽度的调整在当前区间内进行。切换区间的长度L为：

其中，

表示在列车向基站发射波束时所能覆盖的最大范围。C表示天线设计的参数，λ表示载波的波长，K表示切换区间的个数。

所述的步骤4)根据有效波束成形的概率公式，更新后的有效波束成形概率P′_th为：

根据步骤3)计算出切换区间长度L。由于波束在切换区间内进行波束宽度的调整，且波束在基站的右边界固定不变，仅仅需要调整左边界的宽度。波束的宽度在波束切换区间内调整，当列车接近基站的左边界时，会造成期望的波束宽度小于计算得到的波束宽度，因此要更新有效波束成形概率，使得基站与波束左、右边界重合时，所需要的波束宽度正好等于切换区间的宽度。更新后的有效波成形的阈值P′_th为：

所述的步骤5)根据更新后的有效波束成形的阈值，波束宽度在切换区间内调整，计算每一时刻的波束宽度变化，有如下5个步骤：

步骤一：初始化波束在基站的右边界宽度的值，令γ_r＝0。

步骤二：判决。

随着列车的运动，γ_r的值越来越大。首先进行判决，当γ_r<L时,则认为当前基站位于波束覆盖的范围内，可以进行波束调整，当0<γ_r<L/2时，固定右边界的位置到右切换点，调整波束左边界的宽度；当L/2≤γ_r<L时，固定左边界到左切换点，调整右边界的宽度。继续下一步。当γ_r≥L时，则认为当前的基站位于下一个波束覆盖范围内，这时需要切换到下一个区间，波束向右侧调整Δl的距离，返回步骤二，重新调整γ_r的宽度。

步骤四:计算列车波束在基站侧的右边界γ_l。

根据上一步骤可以得到右边界γ_r的值，在满足有效波束成形概率的条件下，根据公式可以得到接近最优的左边界的宽度γ_l，则根据下式，确定取值：

其中，Q^-1(x)表示为Q(x)的反函数。P′_th表示更新的有效波束成形的概率。

步骤五：计算波束在基站侧的覆盖范围：γ＝γ_r+γ_l+Δl，并利用几何关系，得出波束宽度Θh。

步骤六：重新获取列车的位置信息，更新右边界的长度γ_r。

本发明通过有效波束成形概率，在每一时刻自适应的改变波束的宽度，不用实时的调整波束的角度对准基站，能够得到最佳的波束宽度，获得最大的波束增益，和以前的技术方案相比，该技术方案可以显著的提升列车在服务范围内的最大服务容量，降低系统计算的复杂度。具体的性能分析将在仿真结果中详细的阐述。

仿真结果

仿真参数如表1所示，仿真结果如图3-6所示。

表1仿真参数

参数	定义	取值
			d<sub>0</sub>	基站到轨道的垂直距离	50m
f<sub>c</sub>	载波频率	2.4G/Hz
			v	列车的速度	360km/h
H<sub>BS</sub>	基站的高度	20m
			H<sub>MRN</sub>	移动中继节点的高度	3m
α<sub>0</sub>	路径损耗因子	3
			Δl	保护角的宽度	3m
λ	天线间距	1/f<sub>c</sub>
			d	载波波长	1/λ

图3是波束方向性D和半功率波束宽度Θh之间的关系。选取Θh在[0,α]之间，α表示列车向基站发射波束时所能覆盖的最大的波束宽度。由图可知，波束宽度与波束方向性呈负相关。与宽波束相比，窄波束能够产生更高的方向性，D随着Θh增加而减少。因此，在一定的定位误差条件下，通过分析波束宽度的变化，确保安全的信息传输，获得最佳波束方向性D，从而实现HSR通信系统的最优性能。

图4是波束宽度调整方案和先前的方案的波束方向性D，在不同定位误差的条件下的性能。虽然有效波束成形概率取值是0.7-1之间，但是有效波束成形的概率跟保护角的宽度有关，如果要在切换区间边缘处增大有效波束成形的概率到1，需要更大的保护角宽度，目前设定的保护角宽度达不到1。另外，当有效波束成形概率增大时，波束的宽度会随之增大，从而波束增益变小，使系统的整体性能降低。实际上在民用通信系统中，不需要这么高的有效波束成形概率，需要在有效波束成形概率和系统的性能之间综合考虑。

因此，通过给出三个有效的波束成形概率阈值P_th＝0.7，0.75和0.8，分析波束方向性D的变化。分析结果可以看出，波束方向性D随着定位误差减小而减小，并且随着传输误差的概率增加。与之前的方案相比，在相同的定位误差条件下，波束宽度调整方案能够以接近最优的方式获得最佳的波束宽度，从而使波束方向性能够最大。先前的方案采用了二分法来划分波束宽度，很难获得最佳的波束方向性D,尤其是在波束宽度变换点，表现出的性能很差。例如，所提出的方案的波束方向性分别比先前的方案当σ＝7,16和30时，获得的增益更高。因此，波束宽度设计方案在不同的定位误差下具有更好的性能。

图5中，可以看出有效波束成形概率的不同，对应的波束切换区间的个数是不同的。列车在每个切换点的波束方向很差，是由于有效波束成形概率决定的，有效波束成形概率仅仅与波束在基站端的左边界、右边界有关。在切换区间内，波束覆盖的宽度呈中心对称关系，相同的覆盖宽度，列车离BS的距离越近，对应的波束宽度越大。当列车在该区间内行驶的距离不足切换区间的一半时，固定右边界的位置到右切换点，调整左边界的宽度；当列车在该区间内行驶的距离超过切换区间的一半时，调整左、右边界，固定左边界到左切换点，调整右边界的宽度，再利用几何关系求得的波束宽度，因此在切换区间的中心位置出现跳变的现象。当列车行驶到左切换点，左边界γ_l等于0，当要满足一定有效波束成形概率时，计算出基站右边界的宽度γ_r最大，并且波束覆盖范围达到最大值。然后通过计算相应的波束宽度，得到波束方向性D.

图6是波束宽度调整方案的最大服务容量和先前的方案在整个服务期间的性能的比较。发射功率分别设为p₀＝37dBm和p₀＝43dBm。在图4分析中，在切换区间内波束方向性D先增大，当基站位于波束切换区间的中间点位置，波束方向性D达到最大值。当BS到达覆盖的中心位置时，波束方向性最小值。仿真结果表明，随着时间的推移，本发明的最大的服务容量性能更好。当列车离开BS服务范围之后，本发明比之前方案的最大服务容量S性能提高了一倍。

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。

Claims (6)

1.一种在高速铁路场景下上行链路的波束宽度调整方法，其特征在于，该方法包括：

(1)根据列车的速度、位置信息，确定列车发出的波束在基站侧左边界γ_l、右边界γ_r的宽度；

(2)获得波束在基站侧左边界γ_l、右边界γ_r的宽度之后，基于有效波束成形的概率公式，在每个波束切换区间内设定一个相同的保护角宽度；

(3)列车在一个扇形区域内向基站发射波束，根据设定的波束切换区间保护角的宽度，划分波束的切换区间，计算波束切换区间的个数和波束切换区间的长度；

(4)利用得到的波束切换区间的个数和波束切换区间的长度，根据有效波束成形的概率公式，对预先设定好的有效波成形的概率P_th进行更新，得到一个更新后的有效波束成形概率P′_th；

(5)根据更新后的有效波束成形概率P′_th，波束宽度在波束切换区间内调整，计算每一时刻的波束宽度变化，输出最佳波束宽度。

2.根据权利要求1所述的在高速铁路场景下上行链路的波束宽度调整方法，其特征在于，步骤(1)中，所述列车的速度、位置信息通过GPS或车载传感器确定。

3.根据权利要求1所述的在高速铁路场景下上行链路的波束宽度调整方法，其特征在于，步骤(2)包括：

(21)设置一个定位误差，该定位误差服从高斯分布Δη～N(0,σ²)；

(22)计算有效波束成形的概率：

其中，Q(·)表示互补累计分布函数，γ_l表示波束在基站侧左边界宽度，γ_r表示右边界的宽度；

(23)根据有效波束成形概率在γ_l＝0或γ_r＝0处有效波束成形概率有最小值，在每个切换区间的右边界设定用于保证有效波束成形的概率满足传输要求的保护角，宽度为Δl。

4.根据权利要求1所述的在高速铁路场景下上行链路的波束宽度调整方法，其特征在于，步骤(3)包括：

(31)计算波束切换区间的个数为K：

其中，d₀为基站到轨道的垂直距离，Δl为切换区间的保护角，Q(·)为互补累计分布函数，P_th为预先设定好的有效波束成形概率，取值范围为0.7≤P_th≤1，有效的波束成形概率越高，代表传输信息的可靠性越高；

(32)计算波束切换区间的长度L：

其中，

表示在列车向基站发射波束时所能覆盖的最大范围，C表示天线设计的参数，λ表示载波的波长，K表示切换区间的个数。

5.根据权利要求1所述的在高速铁路场景下上行链路的波束宽度调整方法，其特征在于，步骤(4)包括：根据有效波束成形的概率公式，计算更新后的有效波束成形概率P′_th为：

其中，σ为高斯分布的标准差。

6.根据权利要求1所述的在高速铁路场景下上行链路的波束宽度调整方法，其特征在于，步骤(5)包括：

(51)初始化波束在基站的右边界宽度的值，令γ_r＝0；

(52)当γ_r<L时,则认为当前基站位于波束覆盖的范围内，判定可以进行波束调整；

当0<γ_r<L/2时，固定右边界的位置到右切换点，调整波束左边界的宽度；

当L/2≤γ_r<L时，固定左边界到左切换点，调整右边界的宽度，进入步骤(53)；

当γ_r≥L时，判定当前的基站位于下一个波束覆盖范围内，则切换到下一个波束切换区间，波束向右侧调整Δl的距离，返回步骤(52)，重新调整γ_r的宽度；

(53)根据步骤(52)调整得到的右边界的宽度γ_r，在满足有效波束成形概率的条件下，计算接近最优的左边界的长度γ_l：

其中，Q^-1(x)表示为Q(x)的反函数，P′_th表示更新的有效波束成形的概率；

(54)计算波束在基站侧的覆盖范围：γ＝γ_r+γ_l+Δl，并利用几何关系，得出波束宽度Θh；

(55)重新获取列车的位置信息，更新右边界的宽度γ_r。

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