【技术实现步骤摘要】
本专利技术主要涉及高铁环境的通信机制，针对大规模MIMO设计的一种自适应多波束成形方法。
技术介绍
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,MIMO)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高。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,LOS)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MIMO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。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...
【技术保护点】
本专利技术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：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MIMO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，本专利技术提出一套基于到达角DoA的大规模MIMO自适应多波束成形方法；该方法包含的创新有：S1，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；S2，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，本专利技术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；S3，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...
【技术特征摘要】
1.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：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MIMO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MIMO自适应多波束成形方法；该方法包含的创新有：S1，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；S2，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；S3，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·λc，λc为载波波长，Δ为归一化的阵元间距；每截车厢长度为l，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hBS，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实时距离，设θi为第i个MCT视距接收方向在xoy平面与y轴的夹角，φi为第i个MCT视距接收方向与z轴的夹角，为MCTi设计的子波束所需天线数为ni；一种高速场景下大规模MIMO自适应多...
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