[发明专利]毫米波高铁车地通信的自适应多波束成形与波束切换方法

权利要求书

1.一种毫米波高铁车地通信的自适应多波束成形与波束切换方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、列车共有N_S节车厢，在列车的每节车厢顶部安装一个车载移动中继节点，车载移动中继节点与发射基站之间通信连接，发射基站利用毫米波同时发射多个不同宽度的波束进行信号传输，在一个发射波束的覆盖范围内，车载移动中继节点可根据列车的位置调整接收波束的宽度和方向；

第二步、制定一种多车载移动中继节点波束分配方案，给出车载移动中继节点在发射基站覆盖范围内各点处所需的发射波束宽度和对应的波束切换点；计算发射基站小区覆盖范围内各点处发射波束的宽度和波束切换点的具体步骤如下：

(21)设第i个车载移动中继节点在点k处接收的当前发射波束宽度为θ_i(k)，将当前发射波束宽度θ_i(k)设为波束宽度的最大值θ_max；转至步骤(22)；

(22)检查接收端是否达到接收门限，若达到，则将θ_i(k)作为该点处的发射波束宽度，并根据(1)式计算当前总的发射波束宽度B_sumi，转至步骤(25)，

B_sumi＝B_sumi+θ_i(k) (1)

若没达到，则进入步骤(23)；

(23)根据(2)式计算新的发射波束宽度θ_i(k)，

θ_i(k)＝θ_i(k)－δ (2)

其中，δ为步长；转至步骤(24)；

(24)判断计算后新的发射波束宽度θ_i(k)是否小于波束宽度的最小值θ_min，若小于，则将该新的发射波束宽度θ_i(k)设为波束宽度的最小值θ_min，然后根据(1)式计算当前总的发射波束宽度B_sumi，转至步骤(25)，

B_sumi＝B_sumi+θ_i(k) (1)

否则返回步骤(22)；

(25)根据(3)式计算波束切换点BSP_i(k)，

BSP_i(k)＝-d_mintan(arctan((i-1)l/d_min)-B_sumi+θ_i(k)) (3)

其中，d_min表示发射基站与车载移动中继节点之间的最短传输距离，且d_p表示发射基站与轨道之间的垂直距离，H_BS表示发射基站的高度，H_MR表示接收移动中继节点的高度，l为相邻两车载移动中继节点之间的距离；转至步骤(26)；

(26)判断波束切换点BSP_i(k)是否在发射基站覆盖范围内，若在，则返回步骤(21)，计算下一点k+1处的波束宽度θ_i(k+1)和波束切换点BSP_i(k+1)；若不在，则输出所有的发射波束宽度和波束切换点；

第三步、根据波束分配方案中获得的发射波束宽度和波束切换点以及列车位置信息为每个车载移动中继节点选择相应的波束；波束切换方法如下：

当列车处于某一确定位置时，判断每个车载移动中继节点是否到达各自的波束切换点BSP_i(k)，若到达，则切换为其对应的发射波束θ_i(k)，在该车载移动中继节点到达下一个波束切换点之前，发射基站不会改变发射波束的宽度和方向；若未到达，该车载移动中继节点继续使用上一发射波束θ_i(k-1)进行服务；

第四步、建立容量优化问题；建立容量优化问题的具体方法如下：

(41)第i个车载移动中继节点的接收信号为：

其中，p_i为分配给第i个波束的功率，β_i为从发射基站到第i个车载移动中继节点的大尺度衰落因子，d_i为从发射基站到第i个车载移动中继节点的距离；G_Ti为第i个发射波束的波束成形增益，G_Ri为第i个接收波束的波束成形增益，h_i为第i个信道矢量，w_i为第i个天线阵的权值矢量，x_i为第i个发射信号，n_i为第i个加性高斯白噪声；p_j为分配给第j个波束的功率，β_j为从发射基站到第j个车载移动中继节点的大尺度衰落因子，d_j为从发射基站到第j个车载移动中继节点的距离；G_Tj为第j个发射波束的波束成形增益，G_Rj为第j个接收波束的波束成形增益，h_j为第j个信道矢量，w_j为第j个天线阵的权值矢量，x_j为第j个发射信号且j≠i；B_opt为最佳激活波束集；

(42)根据接收信号计算接收信噪比：

其中，为加性高斯白噪声n_i的方差；

(43)系统总容量为：

其中，W为信道带宽；

(44)将优化目标设为最大化系统容量，约束条件设定为发射功率和激活波束限制，则

其中，Ω为所有待激活波束的集合，P为基站的总发射功率；

第五步、利用最佳波束激活方法求解最优容量和最佳激活波束以优化高铁车地通信系统的通信容量和通信质量；最佳波束激活方法如下：

(51)计算每个发射波束所对应的容量，并求其最大值；

(52)计算每两个发射波束所对应的容量，这两个波束中必须包含上一步所求最大容量对应的那一个波束，并求其最大值；

(53)计算每三个发射波束所对应的容量，这三个波束中必须包含上一步所求最大容量对应的那两个波束，并求其最大值；

(54)依次类推，求得N_S-1个发射波束所对应容量的最大值以及N_S个发射波束所对应容量的最大值；

(55)选取上述最大容量中的最大值作为该高铁车地通信系统在当前时刻的最优容量，该最优容量所对应的激活波束作为该系统当前时刻的最佳激活波束。