一种分布式大规模mimo-noma高铁移动通信系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明主要设及高铁移动通信，尤其设及高铁移动车厢终端（MobileCarriage Terminal,MCT)与铁路沿线的分布式远端天线单元（RemoteAntennaUnit,RAU)之间的大 规模MIMO通信系统。
【背景技术】
[0002] 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 网络炬roa化andWirelessNetwork,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BWNW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佑SM化rRailway)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。该是由于该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口的设计。
[000引LTE-R(LongtermEvolutionforRailway)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炬aseStation,B巧直接通信，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W上考虑，需要设计针对高铁的 宽带无线通信系统。
[0004] 因此，本发明针对上述的高铁覆盖通信架构问题W及相关技术进行了调研。其 中，大规模MIM0技术作为5G的候选关键技术之一，由于可W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/化，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-化thogonalMultiple Access,NOMA)，在OFDM的基础上增加功率控制，可W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W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W不需要知道每个信道的信道状态信息（化annelState In化rmation，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 4GOFDM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的候选关键技术一一大规模 MIMO和NOMA组成的大规模MIMO-NOMA系统应用于高铁该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。
[0005] 基于此，本发明将大规模MIM0-N0MA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】
[0006] 发明目的：针对高铁移动车厢终端（MobileCarriageTerminal,MCT)与铁路沿线 的分布式远端天线单元化emoteAntenna化it,RAU)之间的大规模MIMO通信系统，将大规 模MIM0-N0MA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。
[0007] 本发明的技术方案；
[000引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MIM0中央控制基站（CentralControl Station,CC巧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WiFiAP之间的通信化及WiFiAP与固定 座位用户通信，如附图1所示。本发明主要设及其中的车地通信。
[0009] 高速移动切换下分布式大规模MIM0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，该将大大减小系统的射频开销，同时相邻大规模MIM0RAU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（RadiooverFiber,Ro巧进行连接。高铁有S节车厢，每节车厢顶部安装有1个MCT，每 个MCT有Nk根天线。MCT通过RoF与车厢内的WiFiAP连接。分布式大规模MIM0CCS和 高铁MCT构成车地通信，MCT和WiFiAP化及WiFiAP和固定座位用户之间构成车内通信。
[0010] 大规模MIM0-N0MA车地通信系统信号处理流程；
[ocm] 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Nc根接收天 线的分布式大规模MIM0-N0MA系统。分布式大规模MIM0-N0MA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（C巧将插入到信号中。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MIM0天线将NOMA信 号发送给车载MCT。
[0012] 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kG(1,2, 通过子载波n(nG(1,2, 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