基于天線分組的高鐵大規(guī)模多輸入多輸出自適應(yīng)波束賦形方案

席皓哲 王瑞峰

摘 要：針對(duì)高鐵大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)的吞吐量未被充分提升的問(wèn)題，提出一種基于天線分組的自適應(yīng)波束傳輸方案。首先利用基站（BS）預(yù)知的列車位置信息，并將波束賦形技術(shù)引入高速場(chǎng)景，建立高鐵大規(guī)模MIMO的三維模型;其次驗(yàn)證BS天線分組情況下，子波束的吞吐量與其對(duì)應(yīng)的發(fā)射天線數(shù)滿足非線性關(guān)系，且子波束天線數(shù)變化并未對(duì)其他波束的吞吐量產(chǎn)生影響?；诖耍蕴炀€分組的自適應(yīng)波束賦形方案對(duì)列車運(yùn)行至不同位置的波束數(shù)和子波束所需的發(fā)射天線數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保證不同位置的最優(yōu)系統(tǒng)吞吐量。計(jì)算機(jī)仿真表明，該方案與傳統(tǒng)的單波束、雙波束、八波束相比，在列車距基站125m范圍內(nèi)分別實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)吞吐量87.9%、62.3%、50.6%的提升，在125m之外與單波束賦形的系統(tǒng)吞吐量相近。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方案無(wú)論列車距BS較近或較遠(yuǎn)時(shí)，系統(tǒng)吞吐量均處于最佳水平，更好地適應(yīng)高速鐵路環(huán)境。

關(guān)鍵詞：吞吐量;高速鐵路;波束賦形;大規(guī)模多輸入多輸出;多波束

中圖分類號(hào)： TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-9081（2019）03-0839-06

Abstract： Aiming at the throughput of high-speed railway Multiple Input Multiple Output （MIMO） system has not been fully improved， an adaptive beam transmission scheme based on antenna grouping was proposed. Firstly， the train position information was predicted by the Base Station （BS）， and the beamforming technology was introduced into high-speed railway environment to establish a high-speed Massive MIMO three-dimensional model. Secondly， it was verified that in BS antenna grouping situation， the throughput of a sub-beam and its corresponding number of transmit antennas satisfied nonlinear relationship and the number change of sub-beam antennas did not affect the throughput of other beams. Finally， based on the above， an adaptive beamforming scheme based on antenna grouping was used to adjust the number of beams required and the number of transmit antennas required by the sub-beams when the train runed at different locations to ensure optimal system throughput at all the locations. The computer simulation results show that compared with the traditional single-beam， dual-beam and eight-beam schemes， the proposed scheme achieves 87.9%， 62.3%， and 50.6% improvement respectively in system throughput when the distance between the train and the BS is less than 125m， achieves a similar system throughput of single beamforming when the distance is more than 125m. The experimental results show that the proposed scheme has best system throughput whether the train is far away from or close to the BS， and is better adapted to high-speed railway environment.

Key words： throughput; high-speed railway; beamforming; massive MIMO （Multiple Input Multiple Output）; multi-beam

0 引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，未來(lái)鐵路旅客移動(dòng)通信業(yè)務(wù)將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l監(jiān)控、無(wú)線語(yǔ)音、電視和廣播等高速數(shù)據(jù)接入業(yè)務(wù)。目前的鐵路專用全球數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications-Railway， GSM-R）主要承載低速率的車地雙向數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，無(wú)法滿足旅客多樣的通信業(yè)務(wù)需求，這就迫切地要求通信系統(tǒng)提供更高的吞吐量并保障高可靠性。

無(wú)線通信一直以來(lái)備受許多科研院所和高校的關(guān)注。文獻(xiàn)[1]對(duì)高鐵車地通信的大規(guī)模單輸入多輸出信道建模并對(duì)容量進(jìn)行了改善，卻未深入研究高速場(chǎng)景的大規(guī)模多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output， MIMO）系統(tǒng)。文獻(xiàn)[2]提出了一種多波束機(jī)會(huì)波束成形。文獻(xiàn)[3-7]均是基于單流或雙流波束賦形，未分析多波束賦形下系統(tǒng)性能。文獻(xiàn)[8]提出采用二分法的組內(nèi)天線數(shù)調(diào)整策略。文獻(xiàn)[9]以提高系統(tǒng)能效為目標(biāo)研究波束賦形技術(shù)，并未從選擇性激活天線角度，提高系統(tǒng)能效性能。因此，高鐵大規(guī)模多輸入多輸出波束賦形技術(shù)還有待進(jìn)一步研究。

本文從最大化系統(tǒng)吞吐量角度出發(fā)對(duì)大規(guī)模MIMO波束賦形展開(kāi)研究，提出基于天線分組的大規(guī)模MIMO自適應(yīng)多波束賦形方案。在這種方案設(shè)計(jì)中，列車車頂?shù)乳g隔配置多根接收天線，再將基站天線根據(jù)接收天線個(gè)數(shù)分成若干組，基站每個(gè)天線組生成的波束分別指向不同的接收天線，與此同時(shí)，根據(jù)列車的不同運(yùn)行位置，自適應(yīng)調(diào)節(jié)波束數(shù)和子波束所需的發(fā)射天線數(shù)目，以實(shí)現(xiàn)高吞吐量的車地?zé)o線傳輸。

1 高鐵MIMO建模

目前CRH這一新型列車，列車長(zhǎng)度至少達(dá)200m，由于我國(guó)鐵路列車車身較長(zhǎng)的實(shí)際特點(diǎn)，可以在列車車廂頂部等間隔安裝多根接收天線。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，基站采用單天線組發(fā)送，列車車載臺(tái)（Mobile Relay Station， MRS）采用多天線進(jìn)行接收的分布式MIMO系統(tǒng)。

假設(shè)基站可根據(jù)上行信道檢測(cè)獲得完全的信道狀態(tài)信息（Channel State Information， CSI）[10]，系統(tǒng)的同步問(wèn)題也可以得到解決[11]，且車載臺(tái)相對(duì)于基站處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，發(fā)生的無(wú)線信號(hào)頻偏可以被有效地估計(jì)[12]和補(bǔ)償[13]。下行鏈路的高速鐵路大規(guī)模MIMO單波束傳輸建模如圖2。

2 自適應(yīng)多波束賦形

2.2 子波束性能分析

由2.1節(jié)式（14）可知不同位置時(shí)子波束i的吞吐量為：

從上式可知子波束的吞吐量與其對(duì)應(yīng)的基站端發(fā)射天線數(shù)和列車到基站在軌道上投影點(diǎn)的距離有關(guān)。對(duì)靠近車尾子波束1、子波束2和靠近車頭子波束7、子波束8的吞吐量與列車到基站在軌道投影點(diǎn)距離l和子波束發(fā)射天線數(shù)n之間的關(guān)系依據(jù)式（15）在Matlab中仿真。即i=1，2，7，8。

主要仿真參數(shù)的設(shè)置如下：

總的發(fā)射天線數(shù)Nt=512;波束數(shù)Nopt=8;每組天線數(shù)ni=64;系統(tǒng)帶寬10MHz;載頻2.5GHz;基站發(fā)射功率閾值46dBm;基站天線高度35m;基站與鐵軌垂直距離35m;車載天線高度5m;注：n1、n2、n7、n8均在0～64之間。

仿真結(jié)果為圖4和圖5。

圖4為在l=10m時(shí)子波束的吞吐量與其他波束對(duì)應(yīng)的發(fā)射天線數(shù)變化之間的關(guān)系?？梢钥闯觯硬ㄊ耐掏铝看笮〔⑽磁c其余波束對(duì)應(yīng)的發(fā)射天線數(shù)目相關(guān)。以每個(gè)子波束64根發(fā)射天線作為參照組，當(dāng)波束2、波束7和波束8的發(fā)射天線均由64降為58時(shí)，并未影響波束1的吞吐量大小。

圖5為子波束的吞吐量與列車到基站在鐵軌投影點(diǎn)的距離和子波束發(fā)射天線數(shù)的關(guān)系。從圖（a）和（b）看出，在至少l=110m范圍內(nèi)，子波束的吞吐量與天線數(shù)存在一種非線性關(guān)系，隨著天線數(shù)目的增長(zhǎng)，子波束吞吐量整體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。從圖（c）和（d）中可以看出，當(dāng)MRS距基站的距離變大后，子波束的吞吐量與天線數(shù)變?yōu)榉蔷€性增長(zhǎng)關(guān)系。而子波束的吞吐量與距離的關(guān)系，也可經(jīng)由理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：理論上，在距基站較近時(shí)，隨著距離的增大，各個(gè)波束的波達(dá)角之差會(huì)減小，因此波束間干擾量變大，SINR降低，導(dǎo)致子波束吞吐量下降;距離較遠(yuǎn)后，波束間的波達(dá)角之差接近0，因此干擾量趨于穩(wěn)定，此時(shí)SINR變化不大，子波束的吞吐量改變量也變化不大。同時(shí)圖5也表明，在相同的發(fā)射天線數(shù)情況下，距基站較近的子波束其吞吐量隨距離的增大，整體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，而距基站較遠(yuǎn)的子波束的吞吐量隨距離增加變化不顯著。

2.3 波束選擇算法

由2.2節(jié)的分析可知，子波束天線數(shù)的變化并未對(duì)其他波束吞吐量產(chǎn)生影響;在列車距基站一定范圍之內(nèi)時(shí)，天線分組情況下會(huì)存在子波束的吞吐量與其對(duì)應(yīng)的發(fā)射天線數(shù)呈非線性非單調(diào)遞增關(guān)系;在一定范圍之外，子波束的吞吐量與其對(duì)應(yīng)的發(fā)射天線數(shù)呈非線性增加關(guān)系。因此本文提出一種基于天線分組的波束選擇方法。在最大化系統(tǒng)吞吐量的目標(biāo)下，求解基站最優(yōu)波束數(shù)。該目標(biāo)函數(shù)可構(gòu)建如下：

3 仿真與分析

本文以整個(gè)高鐵運(yùn)行場(chǎng)景中，常見(jiàn)的高架橋作為仿真場(chǎng)景，主要仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖6為單波束、雙波束、八波束、本文方案的系統(tǒng)吞吐量仿真結(jié)果對(duì)比。

采用單波束賦形時(shí)，激活車尾天線;雙波束賦形時(shí)，同時(shí)激活車頭和車尾的天線;八波束賦形時(shí)，激活所有的列車頂部天線。從圖中看出，當(dāng)采用單波束、雙波束或八波束時(shí)，隨著列車位置的改變，會(huì)存在不同的最優(yōu)波束數(shù)。在列車距基站較近時(shí)，八波束相比單雙波束傳輸，系統(tǒng)會(huì)得到更高的吞吐量;在列車距基站較遠(yuǎn)時(shí)，由于八波束間的夾角逐漸減小，因此干擾作用增加，使得其系統(tǒng)吞吐量迅速下降，出現(xiàn)雙波束傳輸時(shí)的系統(tǒng)吞吐量大于八波束的情況，而單波束因發(fā)射端功率調(diào)節(jié)的原因，傳輸時(shí)系統(tǒng)會(huì)有穩(wěn)定的吞吐量。本文所提出的方案，根據(jù)列車位置的不同，對(duì)激活波束數(shù)自適應(yīng)調(diào)整，能獲得最優(yōu)的波束數(shù)，從而最大化系統(tǒng)吞吐性能。

圖7為列車距基站不同距離時(shí)，所提方案中選擇的最佳波束數(shù)目。從圖中可以看出，在列車距基站較近時(shí)，選擇激活的波束數(shù)目比較多，但隨著列車距基站距離的增大，激活的波束數(shù)目會(huì)不斷減少，最終會(huì)在l=175m時(shí)變?yōu)閱尾ㄊ鴤鬏?。同時(shí)也說(shuō)明系統(tǒng)的吞吐量與選擇的激活的波束數(shù)并非正比例關(guān)系。

圖8為子波束的發(fā)射天線與列車到基站在鐵軌投影點(diǎn)距離l的關(guān)系。從圖中可以看出看出，子波束7和子波束8的發(fā)射天線數(shù)總為0;子波束1的天線數(shù)始終都不為0，其他波束的發(fā)射天線在不同l時(shí)變?yōu)?。在l=0m時(shí)，系統(tǒng)采用5個(gè)波束傳輸，圖8中波束6、波束7和波束8的發(fā)射天線數(shù)恰好為0;在l=5m時(shí)，波束數(shù)由5變?yōu)?，對(duì)應(yīng)波束6的發(fā)射天線數(shù)量增加，而其他波束對(duì)應(yīng)的發(fā)射天線相應(yīng)地減少;在l=150m時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)波束1的發(fā)射天線數(shù)為1024，而其余所有波束的發(fā)射天線數(shù)都為0;在l=175m時(shí)，波束1的發(fā)射天線數(shù)量又變?yōu)?024，而其他波束對(duì)應(yīng)的發(fā)射天線數(shù)量都為0，即列車距基站175m時(shí)后系統(tǒng)會(huì)退化為單波束賦形。實(shí)際上，上述列車在不同運(yùn)行位置時(shí)子波束天線數(shù)量的變化，是波束選擇算法對(duì)列車不同位置時(shí)波束數(shù)量和子波束所需發(fā)射天線數(shù)自適應(yīng)調(diào)整之后的結(jié)果。

圖9為迭代次數(shù)與列車到基站在鐵軌投影點(diǎn)距離l的關(guān)系。從圖中發(fā)現(xiàn)在l=70m以內(nèi)，迭代次數(shù)的變化非常密集，表明這時(shí)波束數(shù)的選擇和組內(nèi)天線數(shù)的調(diào)整動(dòng)作很頻繁。從l=175m開(kāi)始，迭代次數(shù)僅為1，即最優(yōu)波束數(shù)變?yōu)?時(shí)，只需要迭代1次?？梢钥闯鰜?lái)，雖然存在組內(nèi)天線遍歷的過(guò)程，但此算法在本文的仿真參數(shù)下，迭代次數(shù)只有在l=0m時(shí)出現(xiàn)最高值20次，而隨著l的增加，波束數(shù)目整體上出現(xiàn)減少的趨勢(shì)，同時(shí)迭代次數(shù)也減少，這樣可減少波束成形的設(shè)計(jì)時(shí)間，更好地適應(yīng)高鐵通信場(chǎng)景。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從最大化系統(tǒng)吞吐量角度出發(fā)對(duì)高鐵大規(guī)模MIMO波束賦形進(jìn)行了研究，首先分析了基站天線分組情況下子波束的性能，結(jié)果表明子波束吞吐量隨著天線數(shù)增加整體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但并不是線性增長(zhǎng)關(guān)系;并且子波束的吞吐量大小并未與其他波束對(duì)應(yīng)的發(fā)射天線數(shù)目相關(guān)?；诖耍岢龌谔炀€分組的波束數(shù)調(diào)整策略，根據(jù)系統(tǒng)吞吐量最優(yōu)原則，對(duì)波束數(shù)、不同子波束所需的發(fā)射天線數(shù)自適應(yīng)選擇。最后仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)吞吐量與激活的波束數(shù)目呈非線性關(guān)系，且提出的波束賦形方案與以往的單波束、雙波束和八波束賦形方案相比，在距基站較近時(shí)性能優(yōu)勢(shì)更明顯，在距基站較遠(yuǎn)時(shí)也可保證與單波束相同的吞吐量，可適應(yīng)列車的不同運(yùn)行位置，使系統(tǒng)吞吐量始終處于最佳的水平。

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