5G-R高鐵車站場(chǎng)景MIMO天線陣列結(jié)構(gòu)與傳輸性能研究

劉立海，弓子悅，李津漢，吳 宇，官 科，單馨漪

自2000年鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications-Railway，GSM-R）被確立為中國(guó)鐵路的專用通信系統(tǒng)以來，其一直承載著列車調(diào)度指揮、列車控制，以及信號(hào)設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等鐵路重要應(yīng)用業(yè)務(wù)。然而，隨著鐵路車地、車車之間調(diào)度業(yè)務(wù)需求的提高，GSM-R 已經(jīng)不能夠滿足行車速度快、傳輸數(shù)據(jù)量大、業(yè)務(wù)延遲低、通信可靠性高等實(shí)際運(yùn)營(yíng)要求［1-2］。2020年，第三代伙伴計(jì)劃協(xié)議（3GPP）標(biāo)準(zhǔn)的R16 版本完成凍結(jié)，主要從基礎(chǔ)能力拓展優(yōu)化、垂直行業(yè)能力增強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)智能化提升3 個(gè)方向?qū)15 進(jìn)行增強(qiáng)，標(biāo)志著5G 技術(shù)逐步成熟走向商用 。近3 年，5G 技術(shù)快速發(fā)展并廣泛應(yīng)用到各行業(yè)中，已經(jīng)成為支撐全球通信業(yè)務(wù)發(fā)展的重要新型基礎(chǔ)設(shè)施［3-4］。加快推動(dòng)5G 在鐵路業(yè)務(wù)中的應(yīng)用進(jìn)程，有利于加速GSM-R 向鐵路5G 專網(wǎng)（5G-Railway，5G-R）的過渡，引領(lǐng)鐵路智能化、數(shù)字化發(fā)展。

5G-R 網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用于高鐵正線、高鐵沿線地面基礎(chǔ)設(shè)施、高鐵車站等場(chǎng)景。其中高鐵車站是連接乘客與鐵路基礎(chǔ)設(shè)施和列車的重要樞紐，相較于高鐵正線和沿線場(chǎng)景，高鐵車站具有電磁環(huán)境復(fù)雜、接入終端量大、業(yè)務(wù)水平要求高等特點(diǎn)，是通信強(qiáng)度高、密度大的熱點(diǎn)區(qū)域。文獻(xiàn)［5］利用射線跟蹤技術(shù)研究了2100 MHz 頻段半封閉式高鐵站臺(tái)場(chǎng)景下的信道特性。文獻(xiàn)［6］將射線跟蹤與粒子群算法結(jié)合，提出了高鐵車站場(chǎng)景的反/散射功率增長(zhǎng)模型，并完成了高鐵車站場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。文獻(xiàn)［7］在高鐵車站場(chǎng)景引入智能超表面（Reconfigurable Intelligent Surface， RIS）技術(shù)，分析了RIS 部署前后的無線信道特征。文獻(xiàn)［8］提出多根天線在空間中的排布多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output， MIMO）技術(shù)，可成為提高通信系統(tǒng)傳輸速率和可靠性的有效手段，已經(jīng)應(yīng)用于多種無線通信系統(tǒng)。文獻(xiàn)［9］提出了一種基于幾何半圓形隧道散射模型的寬帶MIMO 車對(duì)車信道模型，并通過與測(cè)量數(shù)據(jù)的擬合對(duì)比驗(yàn)證了該模型的有效性。文獻(xiàn)［10］在28 GHz 毫米波頻段的圓形隧道場(chǎng)景下進(jìn)行了信道測(cè)量工作，并得出了隧道場(chǎng)景下信道容量更高的MIMO 天線陣元極化方式。文獻(xiàn)［11］通過改變天線陣列的排列方式在巴黎隧道進(jìn)行信道測(cè)量，研究了不同天線陣列排布方式對(duì)MIMO信道容量的影響。文獻(xiàn)［12］分別在3.5 GHz和5.6 GHz 頻段的地鐵隧道場(chǎng)景下采用復(fù)用天線陣列法進(jìn)行MIMO 測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)隧道場(chǎng)景下MIMO 的信道容量進(jìn)行研究。文獻(xiàn)［13］在北京地鐵16號(hào)線進(jìn)行FR1頻段下的MIMO無線信道的測(cè)量，提取均方根時(shí)延擴(kuò)展、萊斯K因子等重要的信道特征，用于評(píng)估地鐵場(chǎng)景和高速列車高架橋場(chǎng)景下的MIMO 系統(tǒng)信道性能。文獻(xiàn)［14］針對(duì)高鐵5G-R鐵路干線場(chǎng)景研究了部署RIS前后的信道特征、2T2R 信道相關(guān)性、MIMO 信道容量的變化。文獻(xiàn)［15］在南京的無線谷進(jìn)行了8T-128R 超大規(guī)模MIMO 信道測(cè)量，對(duì)典型城區(qū)場(chǎng)景下的MIMO信道波束域傳播特性進(jìn)行分析。

已經(jīng)在多個(gè)典型場(chǎng)景下開展的MIMO 信道測(cè)量工作和仿真研究結(jié)果表明：MIMO 技術(shù)能在頻譜資源匱乏、多徑豐富的情況下提高頻帶利用率，為通信需求高、接入密度大的熱點(diǎn)區(qū)域提供更大的信道容量和更快的數(shù)據(jù)傳輸速率。盡管目前針對(duì)高鐵車站這一重要軌道交通樞紐的研究已經(jīng)從無線信道建模、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、RIS 覆蓋增強(qiáng)等多方面展開，并且，MIMO 系統(tǒng)性能的測(cè)量與評(píng)估工作大部分也集中在隧道、礦井、高架橋等終端接入量少的場(chǎng)景中推進(jìn)，但針對(duì)電磁環(huán)境復(fù)雜、終端接入量大的5G-R 頻段高鐵車站場(chǎng)景研究較少，且已有的MIMO 相關(guān)研究工作也是參考相似場(chǎng)景的收發(fā)端天線陣列數(shù)量、排布方式、調(diào)制階數(shù)等參數(shù)進(jìn)行研究。然而，高鐵車站的實(shí)際電磁環(huán)境復(fù)雜多變，且受環(huán)境限制，在不影響乘客和車地通信的前提下很難完成對(duì)MIMO 系統(tǒng)的性能測(cè)試和評(píng)估。因此，在5G-R 頻段高鐵車站場(chǎng)景下，采用一種能夠高度還原現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，保證研究可靠性的方法對(duì)MIMO 系統(tǒng)進(jìn)行研究不可或缺。

針對(duì)上述問題，本文面向高鐵車站場(chǎng)景，通過對(duì)高鐵車站進(jìn)行精細(xì)化建模，依托我國(guó)完全自主研發(fā)的高性能射線跟蹤仿真云平臺(tái)［16］，在2 155～2 165 MHz 頻段開展射線跟蹤動(dòng)態(tài)鏈路仿真。假定在信道估計(jì)準(zhǔn)確的情況下，通過改變4 對(duì)收發(fā)端天線陣列的排布方式，得到不同的射線跟蹤仿真結(jié)果?；谏渚€跟蹤仿真結(jié)果，研究部署不同收發(fā)端天線陣列排布方式時(shí)的信道相關(guān)性，得到高鐵車站場(chǎng)景下MIMO信道的最大傳輸層數(shù)?；谧畲髠鬏攲訑?shù)計(jì)算每層傳輸?shù)男旁氡萐NR，分別在64QAM（相正交振幅調(diào)制）和256QAM調(diào)制方式下，對(duì)比研究不同天線陣列排布時(shí)各接收點(diǎn)位的下行峰值傳輸速率，并確定傳輸峰值速率對(duì)應(yīng)的MIMO信道最佳傳輸層數(shù)。

1 仿真建模與配置

本文使用三維建模軟件SketchUp 對(duì)高鐵車站場(chǎng)景進(jìn)行高度還原，對(duì)場(chǎng)景中的典型物體進(jìn)行精細(xì)化建模，并對(duì)其表面材料的電磁參數(shù)準(zhǔn)確賦值，通過改變MIMO 系統(tǒng)收發(fā)端的天線陣列排布方式進(jìn)行多次射線跟蹤動(dòng)態(tài)鏈路仿真，根據(jù)仿真結(jié)果研究MIMO系統(tǒng)天線收發(fā)端的多層傳輸性能。

1.1 仿真建模

1.1.1 場(chǎng)景模型

準(zhǔn)確的仿真場(chǎng)景和場(chǎng)景中典型物體的材料電磁參數(shù)是確保射線跟蹤仿真結(jié)果有效的基礎(chǔ)［17］。因此，對(duì)研究場(chǎng)景以及場(chǎng)景中典型物體進(jìn)行準(zhǔn)確地還原建模至關(guān)重要。圖1 為使用SketchUp 精細(xì)化建模的高鐵車站三維模型，對(duì)該場(chǎng)景中的旅客站臺(tái)、旅客扶梯、線纜、電力牽引架、鐵路軌道、高鐵列車等典型物體進(jìn)行等比例高精度還原，并根據(jù)物體表面的不同材料，設(shè)置相應(yīng)的材料電磁參數(shù)［18］。

圖1 高鐵車站三維模型

1.1.2 移動(dòng)散射體模型

在射線跟蹤仿真中，除了仿真場(chǎng)景中固有的靜態(tài)散射體，移動(dòng)散射體同樣會(huì)對(duì)無線電波的傳播特性產(chǎn)生重要影響。圖2（a）所示為根據(jù)我國(guó)常見高速列車的建造材料和尺寸高度還原的高鐵列車精細(xì)模型。為提高仿真效率，在保證仿真精度的同時(shí)簡(jiǎn)化移動(dòng)散射體模型是必要的。經(jīng)過多次修改，將列車精細(xì)模型等效為如圖2（b）所示的列車簡(jiǎn)化模型。

圖2 高鐵列車三維模型

1.1.3 天線模型

MIMO 系統(tǒng)利用收發(fā)端天線陣列的空間多樣性，能夠?qū)崿F(xiàn)在相同的頻帶中同時(shí)傳輸多個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，從而提高數(shù)據(jù)傳輸速率。因此，對(duì)射線跟蹤仿真中天線陣列的選擇以及天線模型的構(gòu)建，是研究MIMO系統(tǒng)傳輸性能的重要基礎(chǔ)。

根據(jù)3GPP TR37.840［19］技術(shù)報(bào)告中規(guī)定的典型天線陣列參數(shù)，可以計(jì)算得到天線H 面和V 面的增益，經(jīng)過插值處理可以得到如圖3（a）所示的Tx 天線陣列三維模型，圖3（b）和圖3（c）分別是Tx天線陣列H 面和V 面的增益。由圖3可知，發(fā)射端天線陣列的最大增益為8 dBi，天線水平方向和垂直方向的3 dB波束寬度均為65°。

圖3 發(fā)射端天線陣列方向圖

1.2 仿真配置

1.2.1 射線跟蹤仿真

射線跟蹤技術(shù)多用于預(yù)測(cè)無線電波的傳播特性，是基于幾何光學(xué)理論、麥克斯韋方程組、電磁波理論等原理來模擬電磁波在仿真場(chǎng)景中的傳播，可準(zhǔn)確地刻畫電磁波與場(chǎng)景中不同散射體相互作用后發(fā)生的反射、散射、繞射等現(xiàn)象［20］。射線跟蹤法能突破實(shí)際測(cè)量中頻率、場(chǎng)地、移動(dòng)散射體速度等限制，準(zhǔn)確地完成在各類復(fù)雜場(chǎng)景中的無線信道建模。

在射線跟蹤過程中，將一對(duì)Tx-Rx 在仿真場(chǎng)景中的某一點(diǎn)位的射線追蹤仿真定義為一個(gè)快照，每對(duì)Tx-Rx 的鏈路由一個(gè)或多個(gè)快照組成。仿真后得到中心頻率f處的信道傳遞函數(shù)H（f）為

式中：NRays為一個(gè)快照下的多徑總數(shù)；GTx為單一發(fā)射端天線陣列增益，單位dBi；φD和θD分別為射線相對(duì)于發(fā)射天線的天頂離開角和水平離開角，單位弧度；an（f）為第n條射線的幅度值；φn（f）為第n條射線的相位值；GRx為單一接收端天線陣列增益，單位dBi；φA和θA分別為射線相對(duì)于接收天線的天頂?shù)竭_(dá)角和水平到達(dá)角，單位度。

1.2.2 MIMO收發(fā)端天線陣列部署

在高鐵車站部署的MIMO 下行鏈路系統(tǒng)天線陣列數(shù)量通常為4 對(duì)（4Tx-4Rx，4T4R），圖4 和圖5 分別為發(fā)射端和接收端天線陣列按照線陣和方陣排列的示意。圖4（a）中發(fā)射端的4個(gè)天線陣列垂直于地面等距離排布，組成一塊線陣發(fā)射天線；圖4（b）中發(fā)射端的4個(gè)天線陣列按正方形等距離排布，組成一塊方陣發(fā)射天線；圖5（a）中接收端的4 個(gè)天線陣列平行于高鐵列車車體等距離安裝在列車的車頭，組成一塊線陣接收天線；圖5（b）中接收端的4 個(gè)天線陣列以正方形安裝在列車的車頭，組成一塊方陣接收天線。每個(gè)線陣天線中相鄰兩個(gè)天線陣元的間距為半波長(zhǎng)，每個(gè)方陣天線中正方形邊線上相鄰兩個(gè)天線陣元的間距為半波長(zhǎng)。

圖4 發(fā)射端天線陣列部署

圖5 接收端天線陣列部署

1.2.3 仿真參數(shù)

面向高鐵車站場(chǎng)景，在我國(guó)當(dāng)前5G-R 主要測(cè)試頻段2 155～2 165 MHz下進(jìn)行仿真，將前文所述的場(chǎng)景模型、高鐵列車模型、天線模型，以及文獻(xiàn)［9］確定的高鐵車站場(chǎng)景射線跟蹤仿真?zhèn)鞑C(jī)理作為仿真基礎(chǔ)，采用不同的收發(fā)端天線陣列排布方式分別進(jìn)行射線跟蹤仿真，研究不同天線陣列部署方式對(duì)MIMO系統(tǒng)傳輸性能的影響。表1為射線跟蹤仿真參數(shù)及配置，表2 為計(jì)算下行傳輸速率所需的簡(jiǎn)化系統(tǒng)級(jí)仿真（Simplified System Level Simulation，SSLS）參數(shù)配置，其中PDCCH（Physical Downlink Control Channel）為下行鏈路控制信道，DMRS（Demodulation Reference Signal）為解調(diào)參考信號(hào)。

表1 射線跟蹤仿真參數(shù)配置

表2 SSLS參數(shù)配置

2 高鐵車站場(chǎng)景MIMO多層傳輸

2.1 信道相關(guān)性

在MIMO 傳輸系統(tǒng)中，信道相關(guān)性的研究是非常重要的一環(huán)，信道相關(guān)性的大小決定MIMO系統(tǒng)的性能。當(dāng)信道相關(guān)性較大時(shí)，MIMO 系統(tǒng)更適合進(jìn)行分集傳輸，提高通信的可靠性；當(dāng)信道相關(guān)性較小時(shí)，MIMO 系統(tǒng)更適合進(jìn)行空間復(fù)用［21］，提高通信的有效性。本文面向高鐵車站場(chǎng)景采用4T4R 進(jìn)行仿真，計(jì)算每對(duì)收發(fā)天線陣列之間的信道傳遞函數(shù)H為

式中：Hij為當(dāng)中心頻率為2 160 MHz時(shí)，第i根接收端天線陣列與第j根發(fā)射端天線陣列之間的信道傳遞函數(shù)。

信道矩陣奇異值分解表達(dá)式為

式中：λn為n階信道矩陣的第n個(gè)奇異值。

奇異值擴(kuò)展S是信道矩陣中最大奇異值與最小奇異值的比值，通常用于衡量信道矩陣滿秩數(shù)量的信道之間的相關(guān)性。為更好地逐層研究信道之間的相關(guān)性，將奇異值按照降序排列，Si定義為同一信道矩陣中最大奇異值與其他奇異值的比值，單位dB。

式中：λmax為n階信道矩陣中最大的奇異值；λi為同一n階信道矩陣中除最大奇異值以外的其他奇異值。

Si用于衡量信道相關(guān)性，Si越小表示信道之間的相關(guān)性越小，Si越大表示信道之間的相關(guān)性越大。當(dāng)Si小于40 dB 時(shí)，可以認(rèn)為信道相關(guān)性較小，適合進(jìn)行復(fù)用傳輸，i即為該傳輸點(diǎn)位處的MIMO 最大傳輸層數(shù)。圖6 為4T4R 的MIMO 系統(tǒng)收發(fā)端采用不同天線陣列排布時(shí)的Si累積分布函數(shù)（Cumulative distribution function，CDF）。根據(jù)Si與40 dB閾值對(duì)比，表3給出了不同天線陣列排布時(shí)的MIMO系統(tǒng)最大傳輸層數(shù)占比。由圖6和表3可知，4種天線陣列排布方式下最大傳輸層數(shù)為二層及以上的接收點(diǎn)位占所有接收點(diǎn)位的比例均超過了95%，這與以往在鐵路正線部署2T2R的MIMO系統(tǒng)［14］相對(duì)應(yīng)。但仿真結(jié)果顯示，4種天線陣列排布方式下最大傳輸層數(shù)為三層及以上的接收點(diǎn)位占所有接收點(diǎn)位的比例均超過了85%，這是由于高鐵車站場(chǎng)景下散射體數(shù)量多造成的。

表3 4T4R MIMO系統(tǒng)最大傳輸層數(shù)占比 %

圖6 不同天線陣列排布Si累積分布

2.2 MIMO系統(tǒng)傳輸性能

仿真結(jié)果表明，在高鐵車站場(chǎng)景和在鐵路正線場(chǎng)景下所能達(dá)到的MIMO 系統(tǒng)最大傳輸層數(shù)有較大差異，同時(shí)也給出了2 種場(chǎng)景下不同天線陣列排布方式所能達(dá)到的最大傳輸層數(shù)結(jié)果。因此，面向高鐵車站場(chǎng)景，根據(jù)4T4R MIMO 系統(tǒng)每個(gè)接收點(diǎn)位能達(dá)到的最大傳輸層數(shù)，確定能使該點(diǎn)位傳輸速率達(dá)到最大的天線陣列排布方式和傳輸層數(shù)，對(duì)5G-R 專網(wǎng)在高鐵車站場(chǎng)景部署MIMO 系統(tǒng)具有重要指導(dǎo)意義。

在面向高鐵車站場(chǎng)景的MIMO 系統(tǒng)傳輸層數(shù)研究中，由于射線跟蹤仿真以單基站為研究條件，因此可以將仿真場(chǎng)景中的信號(hào)與干擾加噪聲比等效為SNR，故第一步需根據(jù)每種天線陣列排布方式下的信號(hào)功率和環(huán)境熱噪聲計(jì)算SNR，并根據(jù)SNR映射調(diào)制編碼方案（Modulation and Coding Scheme， MCS）等級(jí)得到對(duì)應(yīng)等級(jí)的編碼率，進(jìn)而計(jì)算出每種天線陣列排布方式下每層傳輸分別以64QAM 和256QAM 作為調(diào)制方式時(shí)的下行峰值傳輸速率。通過比較每種天線陣列排布方式下每個(gè)接收點(diǎn)位處的不同傳輸層數(shù)、不同調(diào)制方式對(duì)應(yīng)的下行峰值傳輸速率，確認(rèn)適合高鐵車站場(chǎng)景的MIMO系統(tǒng)天線陣列排布方式和傳輸層數(shù)。

2.2.1 SNR

SNR衡量了有用信號(hào)強(qiáng)度與環(huán)境中噪聲水平之間的關(guān)系，射線跟蹤仿真能計(jì)算生成每對(duì)收發(fā)端天線陣列在中心頻率為2 160 MHz的信道傳輸函數(shù)（Channel Transfer Function，CTF），通過對(duì)CTF進(jìn)行傅里葉逆變換可得到信道沖激響應(yīng)，進(jìn)而得到傳輸信號(hào)功率Ps（單位dBm），其計(jì)算式為

式中：hi（τ）為第i個(gè)時(shí)延為τ的信道沖激響應(yīng)；Hi（f）為第i個(gè)中心頻率為f的信道傳輸函數(shù)；n為信道矩陣中信道傳輸函數(shù)的數(shù)量。

環(huán)境熱噪聲Pn為

式中：K 為波爾茲曼常數(shù)，即1.381×10-23J/K；T為環(huán)境溫度，單位K；PRB為物理資源塊數(shù)量。

MIMO 系統(tǒng)傳輸層數(shù)為L(zhǎng)i時(shí)的等效傳輸信號(hào)功率Psi′為

式中：PTx為總發(fā)射功率，單位dBm。

MIMO系統(tǒng)傳輸層數(shù)為i時(shí)的SNR為

式中：Psi′′為傳輸層數(shù)為i時(shí)的等效傳輸信號(hào)線性功率，單位mW；Pn′為環(huán)境熱噪聲線性功率，單位mW。

通過對(duì)4 種天線陣列排布方式的射線跟蹤仿真結(jié)果進(jìn)行處理，分別計(jì)算得到4T4R MIMO 系統(tǒng)傳輸層數(shù)為i時(shí)的等效傳輸信號(hào)功率；在室溫為303 K（30 ℃）的條件下計(jì)算環(huán)境熱噪聲功率，進(jìn)而計(jì)算得到SNR。圖7 和表4 分別為每種天線陣列排布方式下每層傳輸對(duì)應(yīng)的SNRi累積分布和平均SNR參數(shù)?？梢钥闯?，當(dāng)MIMO 系統(tǒng)發(fā)射端的天線陣列部署為線陣時(shí)，每層傳輸?shù)钠骄鵖NR均比發(fā)射端的天線陣列部署為方陣時(shí)高約14 dB；而當(dāng)MIMO 系統(tǒng)的發(fā)射端天線陣列保持不變時(shí)，接收端天線陣列部署為線陣和方陣時(shí)的SNR相差均小于1 dB。因此，在5G-R 高鐵車站場(chǎng)景中部署MIMO 系統(tǒng)時(shí)發(fā)射端更適合按照線陣部署。

表4 4T4R MIMO系統(tǒng)平均SNR參數(shù)占比 %

圖7 4T4R MIMO系統(tǒng)SNR累積分布

2.2.2 下行傳輸速率及傳輸層數(shù)

根據(jù)SNR映射MCS 等級(jí)得到對(duì)應(yīng)等級(jí)的編碼率，進(jìn)而計(jì)算出MIMO 系統(tǒng)傳輸層數(shù)為i，第j個(gè)快照的下行傳輸速率R為

式中：Qm為數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)制階數(shù)；Ri，j為MIMO系統(tǒng)傳輸層數(shù)為i，第j個(gè)快照對(duì)應(yīng)的編碼率；Nsys為符號(hào)數(shù)；OH為資源開銷占比，3GPP TS38.306技術(shù)報(bào)告中規(guī)定FR 1頻段下OH為0.14［22］。

相同調(diào)制方式下，第j個(gè)快照處的最高下行傳輸速率為

式中：i為根據(jù)2.1 節(jié)確定的每個(gè)快照處所能達(dá)到的MIMO系統(tǒng)最大傳輸層數(shù)。

根據(jù)式（10）分別計(jì)算4 種天線陣列排布方式下每個(gè)接收點(diǎn)位處所能達(dá)到的最大下行傳輸速率，并得到對(duì)應(yīng)的MIMO 系統(tǒng)傳輸層數(shù)。圖8 和圖9 分別給出了4T4R MIMO 系統(tǒng)64QAM 和256QAM 最大下行傳輸速率折線圖和累積分布；表5 給出了4 種天線陣列排布方式下64QAM 和256QAM 的平均下行傳輸速率。由仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)MIMO 系統(tǒng)發(fā)射端的天線陣列部署為線陣時(shí)，64QAM 和256QAM 兩種調(diào)制方式下的平均下行傳輸速率均高于發(fā)射端天線陣列部署為方陣時(shí)的平均下行傳輸速率，該結(jié)果與2.2.1 節(jié)的SNR仿真結(jié)果相一致。當(dāng)MIMO 系統(tǒng)發(fā)射端的天線陣列均部署為線陣時(shí)，接收端天線陣列部署為方陣時(shí)的平均下行速率大于部署為線陣時(shí)的平均下行速率。因此，在高鐵車站場(chǎng)景5G-R 頻段下能使傳輸速率達(dá)到最大的MIMO 系統(tǒng)部署方式為Tx-線陣和Rx-方陣。

表5 4T4R MIMO系統(tǒng)平均下行傳輸速率 Mbps

圖8 4T4R MIMO系統(tǒng)64QAM最大下行傳輸速率

圖9 4T4R MIMO系統(tǒng)256QAM最大下行傳輸速率

圖10 為分別將64QAM 和256QAM 作為調(diào)制方式時(shí)，每種天線陣列排布方式下最大傳輸速率對(duì)應(yīng)的MIMO傳輸層數(shù)占比柱狀對(duì)比圖；表6給出了每種天線陣列排布的MIMO 系統(tǒng)最佳傳輸層數(shù)占比詳細(xì)參數(shù)。由仿真結(jié)果可以看出，面向高鐵車站場(chǎng)景，當(dāng)調(diào)制方式為64QAM 時(shí)，4 種天線陣列排布方式下MIMO 系統(tǒng)傳輸層數(shù)為二層的快照占所有快照的比例均為最多，根據(jù)前文研究高鐵車站場(chǎng)景5G-R頻段下能使傳輸速率達(dá)到最大的MIMO 系統(tǒng)部署方式為Tx-線陣、Rx-方陣，這種天線部署方式二層傳輸?shù)谋壤_(dá)到66.31%；當(dāng)調(diào)制方式為256QAM 時(shí)，Tx-線陣、Rx-方陣部署方式下MIMO 系統(tǒng)最佳傳輸層數(shù)為三層的快照占所有快照的比例最多，達(dá)到56.84%。

表6 4T4R MIMO系統(tǒng)最佳傳輸層數(shù)占比 %

圖10 4T4R MIMO系統(tǒng)最佳層數(shù)占比柱狀對(duì)比圖

3 結(jié)論

本文在2 155～2 165 MHz 頻段，面向5G-R 高鐵車站場(chǎng)景，采用射線跟蹤仿真技術(shù)對(duì)4 種不同天線陣列排布方式的MIMO 系統(tǒng)多層傳輸性能進(jìn)行對(duì)比研究。采用高性能射線跟蹤仿真技術(shù)，研究部署不同收發(fā)端天線陣列排布方式時(shí)的信道相關(guān)性，并計(jì)算得出了仿真場(chǎng)景中各接收點(diǎn)位MIMO 系統(tǒng)能達(dá)到的最大傳輸層數(shù)。基于最大傳輸層數(shù)計(jì)算每層傳輸?shù)腟NR，分別在64QAM 和256QAM 調(diào)制方式下對(duì)比研究了部署不同天線陣列排布時(shí)各接收點(diǎn)位的下行峰值傳輸速率，并確定了實(shí)現(xiàn)峰值傳輸速率對(duì)應(yīng)的MIMO 系統(tǒng)傳輸層數(shù)。研究結(jié)果表明：面向5G-R 高鐵車站場(chǎng)景，能使數(shù)據(jù)下行傳輸速率達(dá)到最大的MIMO 系統(tǒng)天線陣列的部署方式為Tx-線陣、Rx-方陣；根據(jù)調(diào)制方式的不同，高鐵車站場(chǎng)景下64QAM 的MIMO 系統(tǒng)為二層傳輸，256QAM 的MIMO 系統(tǒng)為三層傳輸。本文研究結(jié)果能為5G-R專網(wǎng)建設(shè)中在高鐵車站部署MIMO 系統(tǒng)提供技術(shù)積累和理論依據(jù)。