一种高速场景下大规模mimo自适应多波束成形方法
【专利摘要】本发明提出一种高速场景下大规模MIMO自适应多波束成形方法，具体为：针对高铁环境稀疏散射体与视距LOS径明显而导致的MIMO信道强相关性，基于到达角DoA进行高速场景下大规模MIMO的波束成形设计。对各车载移动车厢终端MCT分别进行波束成形，通过分别计算不同子波束的信干噪比SINR从而自适应调节各子波束所需的发射天线数。当列车距离基站较远时，子波束间干扰严重，本发明所提方法可以根据系统总容量自适应调节子波束数目，使系统性能得到提升。
【专利说明】
一种高速场景下大规模ΜI MO自适应多波束成形方法
技术领域
[0001] 本发明主要涉及高铁环境的通信机制，针对大规模ΜΜ0设计的一种自适应多波束 成形方法。
【背景技术】
[0002] 随着高速铁路的迅速发展，中国铁路通信使用的GSM-R(GSM for Railway)体系主 要用于列车控制信息且最高提供200kb/s的数据率，已不能满足高铁用户对高速移动互联 网业务的需求。为此，国际铁路联盟UIC计划由GSM-R逐渐演变为LTE-R(Long Term Evolution for Railway)。研究表明基站侧配置几十甚至几百根大规模多入多出 (Multiple Input Multiple Output,ΜΙΜ0)天线，可有效提升频谱效率至数十甚至数百 bits/s/Hz。理论上，随着天线数的增加，噪声和快衰落会逐渐减小，并且空间自由度也会逐 渐提尚。
[0003] 对于高铁通信，典型的场景为高架桥，这就导致很强的视距(Line of Sight，L0S) 和稀疏散射体分布的环境，使得信道的相关性非常强，当在高铁环境应用大规模ΜΙΜΟ技术 时，各天线发送的子流间存在很强的干扰，严重影响系统性能，几乎无法获得多天线带来的 增益。
[0004] 为解决上述问题，一个有效的方案就是对多天线进行波束成形设计。根据调研发 现，已有大量学者对波束成形方面做出许多贡献，例如相邻BS协作波束成形技术、跟踪波束 成形体系、分布式波束成形和基于位置信息的伺机波束成形等，但大部分的波束成形设计 只是针对低速场景，针对高铁环境的波束成形设计方法较少，例如基于毫米波的自适应波 束分合传输方案，通过列车位置的不同自适应合并成较宽单波束或分裂成两个子波束，提 升传输可靠性，但是毫米波在大气中衰减严重，列车距离基站较远时，系统容量下降较快。
[0005] 在高速移动环境下的无线通信系统中，列车大部分时间运行在高架桥、郊区等视 野开阔的区域，列车与基站之间的散射体比较稀疏，因此L0S路径较强，信道相关性较大，各 个天线经历的衰落差异性不大，分集增益并不明显。另一方面，由于接收端与发射端之间的 相对高速运动，多径时变和多普勒频移将会导致严重的信道快速时变，因此无论是通过时 分双工(TDD)上下行链路互易性或频分双工(FDD)反馈方式而获的信道状态信息（Channel State Information，CSI)均会存在较大延时，此时若通过该CSI进行波束成形设计则无法 将波束调整到目标用户。尤其是当列车与基站非常近时，方位角变化非常迅速。因此本文采 用基于到达角(Direction of Arrival，DoA)进行波束成形设计。
[0006] 基于此，本发明针对高铁环境，提出一种高速场景下大规模ΜΙΜΟ自适应多波束成 形方法。该方法基于DoA进行波束成形设计，无需用户端反馈信道信息，通过多天线对不同 用户设计多个波束成形从而降低干扰、提升系统容量。
【发明内容】
[0007]发明目的：高速移动场景下，提出一种高速场景下大规模ΜΙΜ0自适应多波束成形 方法，从而保证通信的可靠性并提升系统容量。
[0008] 本发明的技术方案：
[0009] 考虑高铁移动车厢终端(Mobile Carriage Terminal，MCT)与铁路沿线的基站之 间的大规模ΜΙΜΟ通信系统。如图1所示，车内用户与地面基站之间的通信采用双层结构，分 别由两部分组成:一部分为车地通信，即道旁的基站与高铁车载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与用户之间的通信。车内用户对宽带通信 的需求可以通过车地通信中MCT的SINR和容量进行体现。因而本发明主要研究其中的车地 通信。
[0010] 自适应多波束大规模ΜΙΜΟ收发系统模型如图2所示，设高铁有S节车厢，每节车厢 顶部安装有1个MCT，每个MCT有Nr根天线，基站等距离地部署Nt(N t>Nr)根天线，阵元与阵元 间的距离为Α λυλ。为载波波长，△为归一化的阵元间距。设每截车厢长度为1，列车与基站 垂直距离为Dmin，基站天线高度与MCT天线高度差为h BS，di表示第i个MCT (记为MCTi)与基站 在轨道上垂直投影点的距离，d表示列车与基站在轨道上投影的的实时距离，设Θ,为第i个 MCT视距接收方向在xoy平面与y轴的夹角，(iM为第i个MCT视距接收方向与z轴的夹角，假设 为MCh设计的波束所需天线数为m。
[0011] 由于天线间距远小于通信距离，因此天线阵列的远场可以表示为阵列因子(Array Factor，AF)与阵元因子(Element Factor，EF)的乘积。EF取决于无线信道的传输电磁特性， 而AF跟阵元间距、排列结构等相关。于是图2中所示的高铁系统中，不同波束的发送阵列控 制向量为：
[0012]
(1)
[0013] di = di+(i-l) · 1,1 = 1,2,...,S (2) 其中
是结合基站与列车间方位角和仰角的角度因子，是d的函数，而
示第i个波束峰值处(设为cU)对应的角度因子。角度因子κ控制着波束成形 的角度。cU是第1个MCT所在的位置，各波束的发送阵列因子可以由Z(cU)各元素之和得到，表 示为：
[0014] (3)
[0015] 其中，队=j2ii · Δ · |>(d)-K(di)]，从图2中可以得出：
[0016]
(4) [0017]从而得出角度因子表达式为：
[0018]
(5)
[0019] 发射端天线整合的数据发送矩阵为：
[0020]
(6)
[0021]车顶共有S个MCT，每个MCT配置Nr根天线，假设天线配置均相同，则总的接收天线 数为Ns = S · Nr，则接收端接收到的数据可以表示为：
[0022]
(7)
[0023] 其中，Pt为总的发射功率，为信道状态矩阵，Χ=[Χ1Χ2· · ·κ]τ为发送数据， no是噪声项，i
[0024] 将所有MCT上的接收信号进行合并，接收端的等增益合并矩阵为：
[0025]
(8)
[0026] 则接收端的接收矩阵为：
[0027]
(9)
[0028] 在设计波束成形时，天线间距需比较小，天线经历的衰落具有强相关性，根据前文 的分析，高铁环境中的信道具有强L0S特征，散射环境较少，因此为简化分析，这里仅考虑 L0S情况，将式(6)和式(8)代入式(9)中可得：
[0029](10) L------
7 ---^ 7 一.，」1_:
[0030] 从上式可以看出，对于数据Xl而言，有效增益项为AF(cU，i)，而六？((11，州 1内为来自 其他波束对Xi的干扰，因此子流&的31冊为
[0032] 兵屮σ<Γ衣不μ栄尸卞沉功半，很做b 1離则R」侍出列车不同时刻随距离d变化的单位 带宽系统容量：
[0031] (11)
[0033]
(12)
[0034] 由于列车的位置在不断变化中，因此发射端对不同车厢MCT设计波束所需的天线 数m需要实时做出调整以适应MCT所处的不同位置，从而达到提升或保持系统容量的目的。 同时当列车行驶至离BS较远时，由于各个子波束间的夹角非常小，因此波束间的干扰会非 常严重，此时如果仍以S束波束进行传输，不仅不会提升系统容量，反而会造成系统性能的 下降，因此需要对波束数目进行实时调整以保证系统总容量。例如，当列车驶离BS并越行越 远时，各波束间干扰加剧，因此可以减少波束数目来降低干扰，减少波束数目的原则是减少 波束数时不降低系统总容量，那么最优波束则为此时对应的波束数。优化函数表示为：
[0035]
(13)
[0036]综上，本发明基于以上背景，提出了一种高速场景下大规模ΜΜ0自适应多波束成 形方法。具体流程如下： Nr
[0037] 步骤 1、初始化m与Sopt，其中Sopt=S，", =-f-L.，i = l，2, · · ·，Sopt; ^.opt
[0038] 步骤2、计算每个子流的信干噪比SNIRi，
[0039] 步骤3、计算天线调整数Δ m，天线调整数按照下式进行：
[0040]
[0041 ]步骤4、更新m，咚=，+，其中表示四舍五入取整符号；
[0042] 步骤5、判断更新后的系统容量与功率，若同时满足C'>C且W 2 则跳转到步 NjS 1 骤2,否则进入步骤6;
ΝΓ
[0043] 步骤 6、判！ ，若成立则 Sopt = Sopt-l，％=^， ^Opt 否则结束。
[0044] 如上所述，本发明基于DoA，研究了高速移动场景下的大规模ΜΜ0自适应多波束成 形设计方法，根据各个波束不同的容量与干扰对BS侧的波束数目和各个波束所需天线数进 行自适应调节，该方法可以保证高铁在运行中处于任何位置均能获得最优系统容量，提升 系统性能。
【附图说明】
[0045] 本发明的上述和/或附加的方面和优点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：
[0046] 图1高速场景下大规模ΜΙΜΟ系统网络架构；
[0047] 图2高铁环境下大规模ΜΙΜΟ多天线多波束的收发结构图；
[0048] 图3高速场景下的大规模MBTO自适应多波束成形的设计流程。
【具体实施方式】
[0049] 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。
[0050] 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。
[0051] 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。
[0052]下面结合附图3对本发明做进一步描述。
[0053]参照附图3，一种高速场景下大规模ΜΜ0自适应多波束成形方法，具体实施步骤如 下：
[0054] 步骤100,开始； Nr
[0055] 步骤 110、初始化m与Sopt，其中Sopt = S，", =^-i = l，2, · · ·，Sopt; *^Opl
[0056] 步骤120、计算不同波束的发送阵列控制向量z(di);
[0057] 步骤130、对Z(cU)元素进行求和，得出各波束的发送阵列因子AF(d，i);
[0058] 步骤140、综合各个子波束Z(cU)得出发射天线整合后的发射数据矩阵1
[0059] 步骤150、计算各个子流的信干噪比SNIRi;
[0060] 步骤160、计算天线调整数Am;
[0061] 步骤170、更新m，/% =%+「如厂|，其中「*]表示四舍五入取整符号；
[0062] 步骤180、判断更新后的系统容量与功率，若同时满足C'>C且|%s|2 ，则跳转到步骤150，否则进入步骤190;
[0063] 步骤190、判B 皆成立则进入步骤200,否则 进入步骤210; Ντ
[0064] 步骤200、3_ = 3_-1，"/=厂； ^：opt
[0065] 步骤210、结束。
[0066] 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。
[0067]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。
【主权项】
1. 本发明提出一种高速场景下大规模Mnro自适应多波束成形方法，具体为： 高速运行环境中稀疏散射体与强视距LOS特性使得信道具有强相关性，因而大规模 Mnro在高速移动场景下的应用受到极大的限制，无法获得有效的分集与复用增益，为解决 此问题的有效方案就是波束成形设计，然而高速移动场景特有的分布特性使得波束间干扰 非常严重，针对这个难题，本发明提出一套基于到达角DoA的大规模Mnro自适应多波束成形 方法； 该方法包含的创新有： Sl，高铁通信场景通常为郊区、原野等开阔区域，LOS径明显；另一方面，高铁只沿着特 定线路运行，其方位角与位置信息可根据先验信息很容易得到，因此将DoA运用于高铁多天 线更能获得较高的系统性能； 52, 若发射端采用单波束进行波束成形，系统容量较低，而当采用固定多波束设计时， 在列车距离基站较远处时，各波束夹角非常小，相互干扰严重，势必影响系统性能;基于此， 本发明提出自适应多波束方法，根据系统总容量的变化自适应地选择增加或减少子波束数 目； 53, 不同移动车厢终端MCT处于不同位置，因而对应子波束的容量各不相同，通过各个 子波束的容量自适应地调节各个子波束所需的发射天线数，从而最大化系统总容量。2. 根据权利要求1所述的一种高速场景下大规模MIMO自适应多波束成形方法，其特征 在于，所述权利要求1中将DoA运用于高铁多天线，具体包括： 符号说明如下： 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，基站等距离地部署 Nt(Nt>Nr)根天线，阵元与阵元间的距离为Δ · λ〇，λ。为载波波长，Δ为归一化的阵元间距;每 截车厢长度为1，列车与基站垂直距离为Dmin，基站天线高度与MCT天线高度差为h BS，di表示 第i个MCT(记为MCT1)与基站在轨道上垂直投影点的距离，d表示列车与基站在轨道上投影 的实时距离，设 θι为第i个MCT视距接收方向在xoy平面与y轴的夹角， φι为第i个MCT视距接 收方向与z轴的夹角，为MCT1设计的子波束所需天线数为m; 一种高速场景下大规模Mnro自适应多波束成形方法的具体流程如下：步骤2、计算不同波束的发送阵列控制向量Z (di); 步骤3、对Z(Cl1)元素进行求和，得出各波束的发送阵列因子AF(d，i); 步骤4、综合各个子波束z (Cl1)得出发射天线整合后的发射数据矩阵; 步骤5、计算各个子流的信干噪比SNIRi; 步骤6、计算天线调整数Δ m; 步骤7、更新m，，=/? +「Δ^ 1其中「·1表示四舍五入取整符号； 步骤8、判断更新后的系统容量与功率，若同时满足C'>C且W 2 S 则跳转到步骤5， NtS 1 否则进入步骤9; 步骤10、结束。3. 根据权利要求2中一种高速场景下大规模ΜΙΜΟ自适应多波束成形方法的具体流程， 其特征在于，所述步骤2、步骤3和步骤4基于DoA进行波束成形设计，具体为： 由于天线间距远小于通信距离，因此天线阵列的远场可以表示为阵列因子与阵元因子 的乘积;阵元因子取决于无线信道的传输电磁特性，而阵列因子跟阵元间距、排列结构等相 关。4. 根据权利要求2中一种高速场景下大规模MIMO自适应多波束成形方法的具体流程， 其特征在于，所述步骤5、步骤6、步骤7和步骤8体现了各子波束所需发射天线数自适应条件 的思想，具体为： 计算不同子波束对应的信干噪比，由于列出位置一直在变化，其与基站的方位角随之 变化，信干噪比SINR亦随时间变化，为保证所有MCT均能可靠通信且系统总容量不降低，自 适应调节各子波束发射天线数，平衡子波束的SINR，而步骤8则保证系统总容量不会随着下 降。5. 根据权利要求2中一种高速场景下大规模MIMO自适应多波束成形方法的具体流程， 其特征在于，所述步骤9体现自适应选择子波束数目的思想，具体为： 当前最优子波束数目为Scipt，当列车离基站越来越远时，子波束间的干扰会加剧，严重 影响多波束性能，因此进行判定，若减少子波束数目能保证系统容量不下降时，则执行Scipt =Scipt-I，此时子波束减少，相互干扰也会相应降低;相反，若列车是逐渐靠近基站时，子波 束数目会逐步增加以提升系统性能。
【文档编号】H04B7/04GK105933045SQ201610387503
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月2日
【发明人】廖勇, 李瑜锋
【申请人】重庆大学