高速鐵路通信系統(tǒng)大規(guī)模天線技術(shù)的應(yīng)用研究

摘? 要：大規(guī)模多天線技術(shù)（Massive MIMO）被認(rèn)為是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，Small Cell是其低功率的無線接入節(jié)點，該技術(shù)在天線數(shù)以及信號覆蓋維度方面比傳統(tǒng)技術(shù)有量級提升。本文針對高速鐵路不同場景，設(shè)計出單小區(qū)和多小區(qū)兩種模型，并提出能效最優(yōu)部署方案。能夠為高速鐵路5G-R系統(tǒng)中大規(guī)模天線技術(shù)的應(yīng)用提供理論支持。

關(guān)鍵詞：高速鐵路;5G;Massive MIMO;Small Cell;能效

隨著中國高鐵的不斷發(fā)展，高速鐵路車地信息傳輸對高速率、高質(zhì)量和穩(wěn)定性的需求不斷提高。本文研究在不同高速鐵路環(huán)境下，利用兩種基于Massive MIMO系統(tǒng)的Small Cell基站部署方案，控制整個系統(tǒng)的功率消耗，實現(xiàn)最大化能效，保證5G-R通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，這對高鐵5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與建設(shè)、無線通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化具有重要參考意義。

1.系統(tǒng)模型

針對中國高速鐵路線路分布和組網(wǎng)情況，本文提出了單小區(qū)均勻部署和多小區(qū)非均勻部署兩種模型，可以適用于線路單一、行車數(shù)量較少的場景和多線路交叉并線區(qū)段場景。在單小區(qū)系統(tǒng)模型中，宏基站部署在整個小區(qū)的中心位置，Small Cell以一定比例均勻部署在宏基站覆蓋半徑的不同位置，用戶隨機(jī)分布在整個區(qū)域內(nèi);多小區(qū)系統(tǒng)模式適用于高速鐵路繁忙干線、多小區(qū)、多用戶的情景，模型利用泰森多邊形的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來模擬多小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，Small Cell的服務(wù)范圍對Macro Cell進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，這樣對于繁忙干線或者地勢復(fù)雜的線路，可以大大提高覆蓋率和切換質(zhì)量，同時Small Cell成本較低，也可以降低建設(shè)成本。

2 最優(yōu)無線接入節(jié)點部署方案

2.1? 單小區(qū)優(yōu)化部署方案

單小區(qū)系統(tǒng)模型適用于線路單一，行車數(shù)量較少的區(qū)段，如呼和浩特鐵路局新上線、響四線等線路，宏基站和Small Cell的交互通過無線鏈路相互連接，每一個用戶可以被多個基站服務(wù).即用戶可以同時接收到宏基站與Small Cell的發(fā)送信號，宏基站和Small Cell共同服務(wù)用戶時的信干噪比（SINR）表示為 。單小區(qū)系統(tǒng)模型的能效EE表示為 式中? 表示基站正常工作所需要的功耗，P dynamic為基站的實際發(fā)射功率，系統(tǒng)總功率消耗為兩者之和。

2.2? 多小區(qū)優(yōu)化部署方案

在多小區(qū)優(yōu)化方案中，主要考慮在組網(wǎng)復(fù)雜的高鐵線路下Massive MIMO系統(tǒng)中多用戶多小區(qū)的下行鏈路，在保證良好服務(wù)質(zhì)量的同時，實現(xiàn)能效最大化。并在此基礎(chǔ)上，研究如何選擇多小區(qū)系統(tǒng)模型的基站發(fā)射天線數(shù)和基站密度。系統(tǒng)功率消耗PC表示輻射功率和模擬硬件的損耗、回程信令和開銷成本之和，表示為 式中，K為用戶數(shù)，M為宏基站天線，S為小區(qū)數(shù)。

3? 仿真分析

3.1? 單小區(qū)仿真分析

通過仿真結(jié)果得出，當(dāng)Small Cell放置在宏基站不同距離的半徑內(nèi)，系統(tǒng)功耗會有差別，并且功耗隨著QoS值的增加而增加。Small Cell距離宏基站 200m和450m處的位置時，功耗最大，距離 350m出系統(tǒng)總功耗最小。所以在這種情況下，將Small Cell部署在距離宏基站350米附近的位置上最優(yōu)，此時覆蓋效果好，功率損耗低。從不同宏基站天線下的功耗仿真試驗得出，增加宏基站天線數(shù)量可以降低功耗，但無限制的增加又會增加功耗。因此，宏基站天線數(shù)不能無限增加，試驗得出，當(dāng)宏基站天線數(shù)為40，Small Cell距離宏基站為350m時系統(tǒng)總功耗最少。

3.2? 多小區(qū)仿真分析

在多小區(qū)系統(tǒng)模型仿真實驗得出，Massive MIMO系統(tǒng)的能效隨著宏基站天線數(shù)量的增加而增加，當(dāng)天線數(shù)量達(dá)到 120 根，并且將宏基站以距離內(nèi)部區(qū)域半徑500m進(jìn)行部署，多小區(qū)系統(tǒng)模型的能效接近于最優(yōu)。通過上文的理論分析得知，無限制的部署Small Cell是不切實際的。所以，對Smal Cell的泊松分布密度λ2取1到10 BS / km2的區(qū)間進(jìn)行仿真。當(dāng)Small Cell以基站密度λ=7 BS / k m2 和宏基站天線數(shù)M=120時，多小區(qū)系統(tǒng)模型的能效最高。

4? 結(jié)論

通過分析和仿真試驗表明，利用單小區(qū)和多小區(qū)兩種基于Massive MIMO系統(tǒng)中的Small cell部署方案，可以有效提高系統(tǒng)能效，滿足5G-R高速鐵路車地信息傳輸對高速率、高質(zhì)量和穩(wěn)定性等方面的需求。隨著高速鐵路的快速發(fā)展及運行速度的不斷提高，對車地通信業(yè)務(wù)和傳輸數(shù)據(jù)質(zhì)量要求將不斷增加，采用Massive MIMO技術(shù)保證通信質(zhì)量將是高速鐵路通信的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

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姓名：馮鐸（1993.06--）;性別：男;籍貫：內(nèi)蒙古自治區(qū);民族：漢族;學(xué)歷：本科，畢業(yè)于珠?？萍紝W(xué)院;現(xiàn)有職稱：助理工程師;研究方向：鐵路通信。