[发明专利]面向高铁车厢服务质量保障的波束成形与功率分配方法

说明书

本发明提出了一种面向高铁车厢服务质量保障的波束成形与功率分配方法，该方法首先采用基站获得列车内部接入点反馈的每节车厢的最小速率需求，再判断基站提供的发射功率是否能满足列车每节车厢的最小速率需求，然后根据判断结果选择不同的方式确定波束分配方案，获得每个时刻的波束分配方案后，优化功率分配，以最大化列车总的移动服务量。本发明考虑了列车在穿过基站覆盖区域的每个时刻不同用户的速率公平性问题，且在此条件下使列车总的移动服务量达到最大。

技术领域

本发明涉及一种高铁无线通信技术，具体的说是一种基于位置信息面向高铁车厢服务质量保障的大规模MIMO波束成形与功率分配方法，属于高铁通信技术领域。

背景技术

近年来，随着高速铁路的快速发展，人们对高移动性场景下无线通信质量的要求越来越高，因此提供稳定而快速的信号传输服务成为当前研究新一代高铁无线通信系统的重点。大规模MIMO(多输入输出)技术在基站侧和接收端均采用多天线进行信号的发射和接收，不仅可以改善通信的质量，还能够充分利用空间资源；在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍地提高系统容量。波束成形技术可以通过调节权重把能量集中到特定方向以减少信号的传输损耗。将大规模MIMO技术与波束成形技术相结合可以提升下一代高铁通信系统的频谱利用效率和信号传输的可靠性。前人对高铁场景下大规模MIMO与波束成形技术相结合的研究已经做了大量的工作，但是大部分工作重心在于提升通信系统容量和信噪比，而对于高铁通信系统中速率分配的公平性问题研究较少。在高铁通信系统中，保证每节车厢信号传输速率公平性的情况下，如何提升列车传输速率是一个值得思考的问题。

经对现有技术文献的检索发现，Xuhong Chen等人在《2016IEEE 83rd VehicularTechnology Conference(VTC Spring)，15-18 May 2016(2016年IEEE第83届车载技术会议，2016年5月15日至18日》发表了题为“Location-Aided Umbrella-shaped Massive MIMOBeamforming Scheme with Transmit Diversity for High Speed RailwayCommunications(高速铁路通信中具有发射分集的定位辅助伞形大规模MIMO波束形成方案)”的一文，该文提出一种空时编码(Space-Time Block Coding，STBC)与伞形波束成形(Umbrella-Shaped Beamforming，UBF)结合使用的一种方法，用来减小列车在基站覆盖域行驶过程中的误码率，但该文对功率分配没有进行优化；Ximei Liu等人在2018年《IEEEAccess(Volume:6).pp.28632-28642，(IEEE Access第6卷，第28632-28642页)》发表了题为“Location-Fair Beamforming for High Speed Railway Communication Systems(定位公平的高速铁路通信系统的波束成形)”的一文，该文为保证高铁通信系统中多天线基站与列车之间传输的公平性，设计了一种基于扇形波束的传输方案，使列车在穿过基站覆盖区域过程中传输速率保持稳定，然而该文考虑的是列车的整体性能，并不能保证达到每个时刻不同车厢的速率需求都得到满足；Yang Lu等人在《IEEE Transactions onVehicularTechnologyVolumn:66,Issue:10,Oct.2017,pp:9603-9608(IEEE车载技术合约，2017年10月，第66卷第10期，第9603-9608页)》发表了题为“Optimal MultipleCoordinated Beamforming for Downlink High-Speed Railway Communications(下行链路高铁通信的最佳多小区协作波束成形)”的一文，该文研究了高铁通信的多个小区协作波束成形(Multicell Coordinated Beamforming，MCBF)，在满足列车外所有移动用户最低可达速率的前提下，通过优化MCBF矢量使服务基站到高移动性列车的信息传输速率达到最大，其不足之处在于没有考虑时间公平性问题；Jiaxun Lu等人在《2017 23^rd Asia-PacificConference on Communications(APCC),11-12Dec.2017(2017年12月11-12日的第23届亚太通信会议)》发表了题为“Differential Service in HSR Communication Systems:Power Allocation and Antenna Selection(高铁通信系统中的差别服务：功率分配和天线选择)”一文，该文研究了发射端采用分布式天线和列车上两个移动中继的场景，通过联合优化动态时域功率分配和天线选择来降低系统的功耗，但该文没有考虑每个中继的接收速率是否满足用户需求。