[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

说明书

本发明提出了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，该方法首先进行多波束成形，其次进行多车载移动中继节点波束分配，接着进行波束切换，然后建立容量优化问题，最后激活最佳波束。本发明采用的毫米波高铁车地通信自适应多波束成形与波束切换技术，不仅可以显著提升高铁无线通信系统的容量，还可以降低整个系统的通信中断概率。

技术领域

本发明涉及一种高铁移动通信与毫米波多波束无线传输技术，具体的说是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，属于无线移动通信技术领域。

背景技术

随着高速铁路的迅速发展，各种智能设备(比如监控、录像等)将投入到高铁上来，这些设备以及车上的用户对高移动性场景下高速率和高可靠性业务的需求与日俱增。现有的GSM-R(Global System for Mobile Communications-Railway或GSM-Railway)系统所提供的数据速率已不能满足这些需求，而升级版的LTE-R(Long Term Evolution-Railway)系统还没有形成统一的标准。因此，如何大幅提升高铁无线通信系统的数据速率引起了业内的广泛关注。拓展新的频谱资源，开发毫米波频段能够提供极宽的带宽资源，但是高频波段的路径损耗很大，而波束成形技术可以集中发射信号的能量以传播更远的距离。所以，毫米波技术与定向波束成形技术相结合将是一个富有前景的提升系统容量的方案。此外，单波束成形所提供的容量十分有限，采用多波束成形方案能进一步提升无线通信系统的容量。

近年来，国内外一些文献已经围绕高铁场景下利用波束成形技术提升系统容量问题开展了一系列研究。Ke Xiong等人在《IEEE Transactions on Vehicular TechnologyNov.2017,pp.10546-10550(电气和电子工程师协会车载技术会刊，2017年11月，第10546-10550页)》上发表了题为“A Broad Beamforming Approach for High-MobilityCommunications(高移动性通信中宽波束成形方法)”一文。该文提出根据用户当前的位置和速度信息，利用宽波束来追踪、覆盖移动用户，以提升接收信噪比。但是当列车远离基站时，路径损耗增大，而宽波束的波束成形增益较低，所以接收信噪比会降低，从而使系统容量减小。另经检索发现，Li Yan等人在《IEEE Transactions on Vehicular TechnologyFeb.2018(电气和电子工程师协会车载技术会刊，2018年2月)》发表了题为“StableBeamforming with Low Overhead for C/U-plane Decoupled HSR Wireless Networks(用于C/U平面分离的高铁无线网络的低开销稳定波束成形)”一文。该文提出一种C/U平面分离的架构，控制信息用具有高可靠性的低频波段传输，而用户数据用毫米波传输以提升容量；在发射波束覆盖的范围内，接收端也采用波束成形技术进行接收；该系统不仅可以减少反馈开销，还可以将信噪比保持在一个较高较稳定的水平。但是，仅采用单波束来传输信号限制了容量的进一步提升。经检索还发现，Meng Cheng等人在《China CommunicationsSep.2016,pp.12-23(中国通信，2016年9月，第12-23页)》上发表了题为“AdaptiveAntenna-Activation Based Beamforming for Large-Scale MIMO CommunicationSystems of High Speed Railway(基于自适应天线激活的高速铁路大规模MIMO通信系统波束成形)”一文。该文对两个移动中继参与的场景进行了研究，提出了基于自适应天线激活的波束成形方案，该方案在一定程度上提升了系统的容量和鲁棒性能。但是该文通过划分列车经过的区域来激活不同的天线数量，不能实时地获取当前时刻系统的最优容量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足而提供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，该方法能进一步提升高铁无线通信系统的容量，降低通信中断概率。