[发明专利]高速列车通信系统中基于位置信息和接收波束成形的智能切换方法

权利要求书

1.一种高速列车通信系统中基于位置信息和接收波束成形的智能切换方法，其特征在于，列车以速度v沿已知轨迹行驶于蜂窝网中，蜂窝半径R，载波频率f_c,列车车顶装备有呈等间距线性分布的多根天线，数量为M，间距为d,服务基站和目标基站都装备有单天线，服务基站和目标基站首先将信号传到列车上的M根天线，然后此M根天线再将信号转发到车厢内用户，起到中继的作用，此处只考虑基站到多根天线中继的下行链路；下行链路建模为莱斯衰落，信道增益矩阵HD=DSH~SDDTH~TDM×2,]]>[D_S]_M×M、[D_T]_M×M分别为服务基站、目标基站到列车各天线的大尺度衰落矩阵，且为维度为M×M的对角阵，为小尺度衰落矩阵，且为维度为M×1的莱斯分布，每一个元素可以表示为exp(.)为指数运算，t为信号的采样时刻，为服务基站到天线m的莱斯因子，为瑞利分布，同理可得的每一个元素，假定服务基站到中继阵列的入射角为θ_S，为正值，服务基站到中继阵列的入射角为θ_T，为负值，服务基站信号到列车各天线主径信号与到第一根天线主径信号的角度之差表示为0≤m≤M-1，目标基站信号到列车各天线主径信号与到第一根天线主径信号的角度之差表示为0≤m≤M-1，假定两接收波束增益均为g_M且为定值，白高斯噪声方差为σ²，大尺度衰落系数δ，各中继到服务基站、目标基站的距离分别为0≤m≤M-1，针对各莱斯因子基本相等，假定为K，列车位于两蜂窝重叠处，两基站相距列车的距离相当于蜂窝半径的三分之一以上，分别视为相等，假定为D_S、D_T，两基站总功率限制为P，按照如下步骤完成通信和切换过程：

步骤（1.1）、在列车刚进入两蜂窝重叠处进行基站的功率分配，服务基站、目标基站得到的功率P_S、P_T由下述方程组获得：

DSδ(PSαS+DSδσ2)2+gMPS(PSαS+DSδσ2)=DTδ(PTαT+DTδσ2)2+gMPT(PTαT+DTδσ2)]]>

P_S+P_T＝P

P_S≥0,P_T≥0

式中为列车针对服务基站、目标基站信号的多普勒频移，T_s为一个符号的时间，c为电磁波传播速度，即真空中3×10⁸m/s，采用牛顿微分法解此方程，得到P_S、P_T；

步骤(1.2)、在时间Δt内，服务基站、目标基站根据步骤（1.1）中分配的功率对需要传输的不同信源消息进行独立编码并发送；

步骤(1.3)、在接收端基于两个维度为1×M的接收矢量c_S和c_T进行接收波束成形，接收波束成形矢量表示为

c_S＝Cheb.*v^H(φ_S)

c_T＝Cheb.*v^H(φ_T)

式中Cheb为维度1×M的切比雪夫窗矩阵，作用在于抑制旁瓣，v^H(φ_S)、v^H(φ_T)为v(φ_S)、v(φ_T)的共轭转置，维度为1×M，.*为点乘运算

v(φS)=[1,exp(j2πfccdsinθS),...,exp(j2πfcc(M-1)dsinθS)]M×1T]]>

v(φT)=[1,exp(j2πfccdsinθT),...,exp(j2πfcc(M-1)dsinθT)]M×1T]]>

式中c为电磁波传播速度，即真空中3×10⁸m/s；

步骤(1.4)、接收端对根据两个接收波束成形矢量得到的两路信号进行独立译码；

步骤(1.5)、重复步骤(1.2)到步骤(1.4)，直至经过时间Δt之后，对两基站信号大尺度衰落、入射角、两路信号多普勒频移进行更新，对服务基站和目标基站分配的功率进行更新，对接收波束成形矢量进行更新，更新完成后，重复步骤(1.2)到步骤(1.4)，此过程不断循环，直至列车驶出两蜂窝重叠处，功率全部分配到目标基站，目标基站成为新一个服务基站，切换过程结束。

2.根据权利要求1所述的一种基于位置信息和接收波束成形的高速列车智能切换方法，其特征在于在蜂窝重叠处，每间隔Δt时间，参数进行一次更新，其更新过程如下：

步骤(2.1)、更新中继天线到服务基站、目标基站的距离，

D_S′＝D_S＋vΔtsinθ_S

D_T′＝D_T＋vΔtsinθ_T

式中，D_S′、D_T′为下一时隙服务基站、目标基站到中继天线距离，D_S、D_T为下一时隙服务基站、目标基站到中继天线距离，θ_S、θ_T为前一时隙服务基站、目标基站信号入射角；

步骤(2.2)、更新服务基站、目标基站信号的大尺度衰落的倒数，

DSδ′=DSδ+DSδ-1δvΔtsinθS]]>

DTδ′=DTδ+DTδ-1δvΔtsinθT]]>

式中为下一时隙服务基站、目标基站到中继天线的大尺度衰落倒数，为前一时隙服务基站、目标基站到列车的大尺度衰落的倒数，θ_S、θ_T为前一时隙服务基站、目标基站信号入射角；

步骤(2.3)、更新服务基站、目标基站信号入射角，

θ_S′＝θ_S＋Δθ_S

θ_T′＝θ_T＋Δθ_T

式中θ_S′、θ_T′为下一时隙服务基站、目标基站信号入射角，θ_S、θ_T为前一时隙服务基站、目标基站信号入射角，ΔθS=vDSΔtΔθT=vDTΔt;]]>

步骤(2.4)、更新服务基站、目标基站信号在列车接收端的多普勒频移，

fdS′=fdS+vfccosθScsinΔθS]]>

fdT′=fdT+vfccosθTcsinΔθT]]>

式中为下一时隙服务基站、目标基站信号针对列车的多普勒频移，为前一时隙服务基站、目标基站信号针对列车的多普勒频移，θ_S、θ_T为前一时隙服务基站、目标基站信号到列车入射角，c为电磁波传播速度，即真空中3×10⁸m/s；

步骤(2.5)、更新多普勒干扰因子α_S、α_T

αS′=αS+112(2πvfccTs)2sin2θSsinΔθS]]>

αT′=αT+112(2πvfccTs)2sin2θTsinΔθT]]>

式中α_S′、α_T′为下一时隙的多普勒干扰因子，α_S、α_T为上一时隙的多普勒干扰因子,T_s为一个符号的时间，θ_S、θ_T为前一时隙服务基站、目标基站信号到列车的入射角，Δθ_S、Δθ_T如步骤(2.3)所述，为入射角的增量，c为电磁波传播速度，即真空中3×10⁸m/s；

步骤(2.6)、更新服务基站和目标基站分配的功率，将步骤(2.2)中得到的大尺度衰落倒数更新值步骤(2.5)中得到的多普勒干扰因子更新值α_S′、α_T′代入步骤(1.1)中的功率分配方程，得到：

DSδ′(PS′αS′+DSδ′σ2)2+gMPS′(PS′αS′+DSδ′σ2)=DSδ′(PT′αT′+DTδ′σ2)2+gMPT′(PT′αT′+DTδ′σ2)]]>

P_S′＋P_T′＝P

P_S′≥0,P_T′≥0

解此方程，得到下一时隙服务基站、目标基站分配的功率P_S′、P_T′；

步骤(2.7)、更新接收波束成形矢量

c_SΔ＝c_S.*v^H(Δφ_S)

c_T′＝c_T.*v^H(Δφ_T)

式中.*为点乘运算，其中

vH(ΔφS)=[1,exp(-j2πfccdcosθSsinΔθS),...,exp(-j2πfcc(M-1)dcosθSsinΔθS)]]]>

vH(ΔφT)=[1,exp(-j2πfccdcosθTsinΔθT),...,exp(-j2πfcc(M-1)dcosθTsinΔθT)]]]>

式中c_S′、c_T′为下一时隙波束成形矢量，c_S、c_T为前一时隙波束成形矢量，θ_S、θ_T为前一时隙服务基站、目标基站信号入射角，Δθ_S、Δθ_T如步骤(2.3)中所述，exp（.）为指数运算，c为电磁波传播速度。