[發明專利]毫米波高鐵車地通信的自適應多波束成形與波束切換方法

有效

• 申請號: 201811213410.9
• 申請日: 2018-10-18
• 公開（公告）號: CN109347525B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 徐友云;尹惠;蔣銳;李大鵬;陳建平;王云峰
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學;南京泰通科技股份有限公司
• 主分類號: H04B7/0413
• 分類號: H04B7/0413;H04B7/06;H04B7/08;H04B17/391
• 代理公司: 南京蘇科專利代理有限責任公司 32102
• 代理人: 姚姣陽;杜春秋

本發明提出了一種毫米波高鐵車地通信的自適應多波束成形與波束切換方法，該方法首先進行多波束成形，其次進行多車載移動中繼節點波束分配，接著進行波束切換，然后建立容量優化問題，最后激活最佳波束。本發明采用的毫米波高鐵車地通信自適應多波束成形與波束切換技術，不僅可以顯著提升高鐵無線通信系統的容量，還可以降低整個系統的通信中斷概率。

技術領域

本發明涉及一種高鐵移動通信與毫米波多波束無線傳輸技術，具體的說是一種毫米波高鐵車地通信的自適應多波束成形與波束切換方法，屬于無線移動通信技術領域。

背景技術

隨著高速鐵路的迅速發展，各種智能設備(比如監控、錄像等)將投入到高鐵上來，這些設備以及車上的用戶對高移動性場景下高速率和高可靠性業務的需求與日俱增?，F有的GSM-R(Global System for Mobile Communications-Railway或GSM-Railway)系統所提供的數據速率已不能滿足這些需求，而升級版的LTE-R(Long Term Evolution-Railway)系統還沒有形成統一的標準。因此，如何大幅提升高鐵無線通信系統的數據速率引起了業內的廣泛關注。拓展新的頻譜資源，開發毫米波頻段能夠提供極寬的帶寬資源，但是高頻波段的路徑損耗很大，而波束成形技術可以集中發射信號的能量以傳播更遠的距離。所以，毫米波技術與定向波束成形技術相結合將是一個富有前景的提升系統容量的方案。此外，單波束成形所提供的容量十分有限，采用多波束成形方案能進一步提升無線通信系統的容量。

近年來，國內外一些文獻已經圍繞高鐵場景下利用波束成形技術提升系統容量問題開展了一系列研究。Ke Xiong等人在《IEEE Transactions on Vehicular TechnologyNov.2017,pp.10546-10550(電氣和電子工程師協會車載技術會刊，2017年11月，第10546-10550頁)》上發表了題為“A Broad Beamforming Approach for High-MobilityCommunications(高移動性通信中寬波束成形方法)”一文。該文提出根據用戶當前的位置和速度信息，利用寬波束來追蹤、覆蓋移動用戶，以提升接收信噪比。但是當列車遠離基站時，路徑損耗增大，而寬波束的波束成形增益較低，所以接收信噪比會降低，從而使系統容量減小。另經檢索發現，Li Yan等人在《IEEE Transactions on Vehicular TechnologyFeb.2018(電氣和電子工程師協會車載技術會刊，2018年2月)》發表了題為“StableBeamforming with Low Overhead for C/U-plane Decoupled HSR Wireless Networks(用于C/U平面分離的高鐵無線網絡的低開銷穩定波束成形)”一文。該文提出一種C/U平面分離的架構，控制信息用具有高可靠性的低頻波段傳輸，而用戶數據用毫米波傳輸以提升容量；在發射波束覆蓋的范圍內，接收端也采用波束成形技術進行接收；該系統不僅可以減少反饋開銷，還可以將信噪比保持在一個較高較穩定的水平。但是，僅采用單波束來傳輸信號限制了容量的進一步提升。經檢索還發現，Meng Cheng等人在《China CommunicationsSep.2016,pp.12-23(中國通信，2016年9月，第12-23頁)》上發表了題為“AdaptiveAntenna-Activation Based Beamforming for Large-Scale MIMO CommunicationSystems of High Speed Railway(基于自適應天線激活的高速鐵路大規模MIMO通信系統波束成形)”一文。該文對兩個移動中繼參與的場景進行了研究，提出了基于自適應天線激活的波束成形方案，該方案在一定程度上提升了系統的容量和魯棒性能。但是該文通過劃分列車經過的區域來激活不同的天線數量，不能實時地獲取當前時刻系統的最優容量。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，克服現有技術的不足而提供一種毫米波高鐵車地通信的自適應多波束成形與波束切換方法，該方法能進一步提升高鐵無線通信系統的容量，降低通信中斷概率。