基于高速鐵路通信的多波束機會波束賦形技術

高 倩，張福金

瓊州學院 電子信息工程學院，海南 三亞 572022

基于高速鐵路通信的多波束機會波束賦形技術

高 倩，張福金

瓊州學院 電子信息工程學院，海南 三亞 572022

鐵路運輸以其經濟、運輸量大的優勢，成為各國大陸運輸的主要方式，并朝著重載化、高速化和多模式運輸的趨勢發展。近年來，高速鐵路逐漸成為世界各國主要的交通工具，高速鐵路最高時速都超過300 km/h，大大縮短了列車運行時間，但對通信系統的要求越來越高。

高速鐵路移動通信系統一直作為廣大企業、研究院所以及高校的研究熱點。文獻[1]介紹了高速鐵路寬帶無線通信的業務類型，分別為：列車控制通信業務、列車乘客通信業務和公務信息通信業務。列車控制通信業務和公務信息通信業務主要是列車調度信息的交互通信，以保證列車可以正常運行、提供必要的應急通信，目前GSM-R通信系統已經可以實現這些需求；乘客寬帶通信業務主要包括乘客在列車行駛過程中的語音傳輸、多媒體數據流的高質量傳輸，例如PIS業務、電視和廣播業務、視頻監控業務、無線互聯網絡、無線語音等業務，GSM-R目前尚不能正常提供這些服務。文獻[2]中，作者在鐵路兩旁引入了分布式天線，采用MIMO系統，提出了一種車載雙天線切換流程。文獻“Location information-assisted opportunistic beamforming in LTE system for high-speed railway”（Meng Cheng，et al.），介紹了兩種能夠明顯提高Opportunistic Beamforming（OBF）系統性能的算法。總體來說，基于LTE高速鐵路場景多天線技術的研究還相對較少，但選擇合適的MIMO制式對于高鐵通信系統干擾消除，以及吞吐量的提升意義重大。因此，本文主要研究高速鐵路環境下基于LTE的MIMO波束賦形技術。

波束賦形技術也稱線性預編碼技術，是一種接近臟紙編碼（Dirty Paper Coding，DPC）[3]信道容量的低復雜度信號處理技術。其主要應用于小間距天線陣列，在發射信號時利用波的強干涉性產生的輻射方向圖具有強方向性，使得輻射方向圖的主瓣根據用戶來波方向自適應地改變，可有效地抑制發射功率向非目標用戶的功率泄漏，提高系統信噪比和覆蓋范圍[4-6]。

MIMO系統不但提高了數據速率以及誤碼性能，也在多用戶場景中抑制共信道干擾（Co-Channel Interference，CCI），提高了接收端SINR。這些MIMO的優點可通過合適的波束賦形技術來實現。

1 高速鐵路場景下MIMO信道建模

當前我國使用較多的新型空調列車車身高度大概3 m，車廂長26 m多，一般為16到20節車廂，因此整個列車車身長度大約500 m左右。考慮我國鐵路列車車身較長的實際情況，以及高鐵場景中存在明顯的遠近效應，本文重點研究基于高速鐵路列車的分布式MIMO技術，應用列車車身較長的特點，在列車上安置多個MIMO天線組，且假設：在不同的天線組之間間距足夠大，且各自的散射條件分別不同；而在相同的天線組內部，各天線間間距較小，這樣散射環境往往比較類似，因此在分布式天線組內部相關天線的特性需要考慮，而各天線組之間是各自獨立的。位于列車上的解調器對每個天線組接收到的符號進行分析對比，選擇性能好的信號進行解調，由于在不同天線組之間的散射條件各不相同，而各組天線同時處于較差通信環境的可能性幾乎很小，這樣，可以很大地提高接收信號質量，同時能夠充分利用列車車身的特點。基于列車環境的分布式系統結合了普通MIMO系統和分布式天線系統的特點[7]，系統模型如圖1所示。

圖1 列車分布式MIMO系統

根據圖1的模型，列車通信系統中采用分布式MIMO結構，L組MIMO天線組在列車上等間距布設，每個天線組可看做一個用戶端口，各MIMO天線組的天線陣元分別有N根收發天線，基站端布設一個Μ根天線的天線組。可將該通信系統表示為（Μ，L，N）的MIMO模型。傳統的分布式天線可表示成（l，L，l），點對點的MIMO系統可表示成（Μ，1，N）。

若H為系統的信道矩陣，由前面的假設得出，基站到每組MIMO天線組的信道矩陣都是相互獨立的，其天線組的子信道矩陣為H1，H2，…，HL，而分布式MIMO系統的信道矩陣可以表示為：

基站到第l個移動臺的N×Μ維的子信道矩陣為Hl(l=1，2，…，L)，表示為：

表示基站第m根天線到第l個MIMO組端口的第n根天線之間的信道衰落，且各信道的小尺度衰落之間相互獨立。這樣（Μ，L，N）系統的信號模型表達式如下：

式中r(t)表示接收端信號向量，s(t)表示Μ×1的信號向量，n(t)表示零均值高斯白噪聲向量。

2 位置信息輔助的多波束機會波束賦形方案

高速鐵路通信系統主要關心通信的有效性與可靠性。列車上站點的高速移動性引起嚴重的多普勒效應以及頻繁切換，這些都嚴重影響了通信性能。高速鐵路的一些固有特點，比如線性的小區拓撲結構、列車的規則運動、列車的位置信息以及列車的速度信息等這些特點都是可以預測的。這些特點給通信系統的設計以及運行維護帶來了便利，如果能夠合理利用則會大大提高通信系統性能。

我們國家提出的準四代移動通信標準TD-LTE，其中MIMO技術，OFDM技術，時分雙工技術的信道互易性等都給高速鐵路場景的應用提供了技術優勢。考慮到高速鐵路通信具有嚴重的多普勒效應，頻繁切換，以及車體材料造成的信號損耗，LTE-R考慮在列車頂部設置中繼轉發天線，乘客可以通過WiFi或微波進行通信[8]，從而在基站與車頂中繼轉發天線組之間形成分布式MIMO系統。同時，列車乘客數量大，數據流量也大，理論上在列車頂部需要放置多個中繼轉發天線組以滿足大量的通信業務需求。一方面，中繼轉發天線可以在列車經過鄰居小區覆蓋重疊區域時增加切換成功概率，另一方面，車頂中繼轉發天線的使用也便于采用多用戶分集或選擇性分集進而提高系統性能。在任何時候通信系統都將信道分配給具有最好信道特性的中繼天線，進而轉發給用戶，這樣實現了系統吞吐量的最大化。為了獲得多用戶分集增益，用戶信道需要較大動態起伏范圍。在高速鐵路場景下，除了在列車經過隧道或山地場景時，車頂中繼轉發天線與基站間一般都具有良好的視距路徑。從文獻[9]的分析來看，信道小動態范圍起伏引起的小散射不利于多用戶分集。為了彌補這個缺陷，機會波束賦形（OBF）在每個天線端口乘上一個復權值向量，可被用來改變信道動態起伏，更有效地達到多用戶分集。

所謂機會波束賦形，即將信道分配給那些瞬時信道增益以最大概率接近匹配的發射端當前功率或相位的用戶。發送端天線隨機產生復權值向量，根據用戶端反饋的SNR測量值進行用戶選擇；在用戶端，當特定時隙內信道參數正好匹配權值矢量時，此用戶的SNR達到最大。系統中用戶數足夠多，每個時隙內總會存在與權值矢量相匹配的用戶信道參數，又由于權值矢量隨機產生，這樣可認為每個接收端具有同樣的信道占用機會，因此獲得分集增益的同時保障了系統公平性。

在高速鐵路通信場景中，由于列車長度有限，車頂中繼轉發天線組（用戶）個數也是有限的，進行機會波束賦形OBF時選擇范圍較小，車頂中繼轉發天線組匹配權值矢量的概率下降，系統吞吐量會隨著下降。另外，高速鐵路通信系統也存在一些固有優勢，比如可預測的位置信息，列車速率，列車車身長度等。鑒于高速鐵路通信系統的這些特點，本文提出一種多波束機會波束賦形技術，其主要基于空間子信道的選擇，并借助列車通信時可預測的位置信息。所謂多波束，主要是在導頻的時隙內，每個車頂中繼轉發節點（用戶）反饋各自對接收信號測量得到的SNR值，基站根據反饋量隨機生成多個權值矢量，并形成多波束，根據匹配情況基站可選擇反饋SNR最大的用戶進行通信。所謂空間子信道選擇，意義在于每個用戶在多波束接收的情況下，反饋給基站所有空間子信道的SNR，基站根據收到的反饋信息，選擇合適的通信子信道以及波束。所謂位置信息輔助，即借助可預測的位置信息，以及列車車身長度，可估計出車頂中繼轉發天線到達角DOA的范圍。該角度值范圍可幫助隨機復權值矢量的生成，使發射波束隨機相位與來波相位匹配的概率更高。

采用基于高速鐵路的分布式MIMO（Μ，L，N）結構。其中，Μ為基站端天線數；L為列車車頂中繼轉發天線組數，即系統用戶數；N為每個用戶的天線數，為了簡化分析過程，取N為1，即（Μ，L，1）的分布式MIMO系統。R表示基站的覆蓋范圍，列車長度為D，則車頂中繼轉發天線的距離相等，都為D/(L-1)。如圖2所示。

圖2 高速鐵路通信系統

在本文中，假設發射天線之間距離很小，因此天線的衰落是相關的[10]。依據文獻[11]用戶l與天線m間的相關萊斯衰落信道為：

式中，Kl代表基站到用戶l之間的K因子萊斯物理信道，bml(t)表示散射成分，bml(t)服從均值為0，方差為1的獨立復高斯隨機分布，即bml(t)～CN(0,1)。

根據文獻[12]發射天線m到用戶l的直射角為：

式中兩個天線單元間隔d小于半波長，Θl表示用戶l的移動方向跟其與基站的直接路徑間的夾角，即到達角DOA。

因為高速鐵路場景中，列車速度信息以及位置信息在列車控制系統中可預測，設列車剛進入小區的時刻記為0，用dmin表示用戶l在時所經過的距離，則此時DOA可表示為：

2.1 傳統的OBF在高鐵場景的應用

文獻[13]中的傳統OBF，在時隙t對發射端的每個天線端口m=1，2，…，Μ，分別乘上一個復數并且幅值滿足。用戶l的接收信號表示為：

式中，x(t)表示基站的發射信號，nl(t)表示加性白高斯噪聲，即nl(t)～CN(0,σ2IΜ），則用戶l總信道增益為：

用Hl(t)表示用戶l的總信道增益矩陣h~l(t)的模值，依據前面的分析則有：

其中，ψl～U(0，2π)。

2.2 位置信息輔助的多波束并行傳輸的OBF

用戶l在時隙t的接收信號：

基站發射端將隨機生成的酉矩陣承載在發射天線的m個數據流上，且在m根天線的隨機波束上攜帶新形成的m數據流，發射信號為x(t)，且Hl(t)=[h1，l，h2，l，…，hΜ，l]。本文將這種方式進行推廣，如果在基站Μ根發射天線中選擇Μt根天線，隨機形成Μt個子流。根據文獻[13]擴展可得系統框圖3。

圖3 多流機會波束賦形框圖

2.2.1 波束賦形權值矢量的生成

首先分析波束賦形向量的隨機生成。由2.1節中傳統OBF情況進行分析可知，每個發射天線的波束相位當與任意用戶l的發射天線的相位越接近，系統性能越好。因此，需要在每個發射天線波束上乘上一個復權值，以實現波束賦形的效果。

高速鐵路通信具有一些固有特點，比如可預測的位置信息，即在時隙t，列車車頭進入位置s，列車恒定的車身長度以及車尾的位置信息。借助這些信息，列車頭部和尾部的DOA分別可算得，用ψh和ψt表示。對于地理位置輔助的OBF，每個天線上承載的復權值向量的大小跟傳統OBF時一樣，但是相位的產生則更加精確，即任意用戶l的因此，隨機相位可表示為：

考慮萊斯信道K因子的影響，為了最大化用戶l的總信道增益Hl(t)，必須滿足φm(t)=-θml。此時，即實現了最佳波束權值。

根據式（5）和式（10），在傳統的OBF中可得到：

根據式（5）和式（11），在地理位置輔助的OBF系統中，可得到：

由前面的分析已知任意用戶l到基站直射路徑的夾角Θl，ψl～U(0，2π)和～U(ψh，ψt)，這樣生成的隨機相位接近Θl的概率更大，從而提高了傳統OBF獲得多用戶分集增益。

2.2.2 多波束的選擇

前面給出了波束產生時，考慮地理位置信息生成的波束賦形權值矢量。接下來分析，獲得權值矢量后，在列車車頂天線（即用戶）數有限的情況下，支持多波束并行傳輸，進行波束選擇，以實現更好的系統性能。

實際通信中反饋量應盡量小，考慮將用戶反饋給基站的γ（即SINR）進行量化后反饋。從文獻[13]中可知潛吞吐率C=lb(1+γ)，在用戶需要反饋SINR給基站端時，用戶端將其吞吐率C進行量化后反饋給基站與γ的量化可達到相同的結果，所以可將用戶端吞吐率C的量化結果作為反饋量。根據反饋量，即可進行波束選擇，完成波束賦形。

3 仿真分析

高速鐵路通信的信道大多是慢衰落的瑞利信道，因此本章基于慢衰落瑞利信道進行OBF仿真分析。仿真參數的選取如表1[15-16]所示。

表1 仿真參數

使用MATLAB進行仿真。仿真曲線如圖4所示。

圖4 系統中不同波束賦形算法平均信道容量的比較

仿真結果圖中，帶紅色圓點的曲線表示相干波束賦形的性能，且相干波束賦形的信道容量可作為上限參考；帶三角的曲線表示傳統機會波束賦形系統的性能；帶正方形的曲線表示本文所提的改進波束賦形方案的性能。

由曲線圖可以看出，傳統的機會波束賦形可以提高系統性能，但是性能的提高有限，這是由于傳統的機會波束賦形相當于沒有實時信道反饋的解諧天線，隨機相位與來波相位匹配的概率較小；利用機會波束賦形無需反饋全部信道狀態信息，僅需較小的反饋開銷，且可以合理利用列車通信時位置信息可預測的優勢，使波束賦形權值向量的生成時，隨機相位與來波相位匹配的概率更高，并且利用空間子信道選擇，實現波束選擇，使在列車車頂天線（即用戶）較少的情況下也能達到較好的系統性能。另外，從曲線圖可以看出，隨著用戶數的增加，機會波束賦形平均信道容量也增加，這是由于多用戶分集增益隨著用戶數的增加而增加。

通過仿真，驗證了本文所提方案不僅有效利用列車位置信息可預測的特點以提高機會波束賦形的系統性能，而且在車頂中繼天線（即用戶）有限的情況下，將基于用戶選擇的波束賦形技術推廣到基于子信道選擇的機會波束賦形，實現多用戶分集，提高了系統吞吐量性能。

4 總結

本文首先描述了高速鐵路場景下MIMO信道建模，其次分析了高速鐵路環境下進行波束賦形所存在的技術問題。由于反饋開銷的限制，首先考慮使用機會波束賦形技術；為了達到更好的分集效果，引入了隨機矢量加載，并借助鐵路場景下可預測的位置信息，在生成波束賦形權值向量時，使發送波束的隨機相位與來波相位匹配的概率更高；另外由于各子信道之間相關性較小，可進行子信道波束選擇，實現了多波束機會波束賦形，達到多用戶分集的效果。最后經過仿真分析，可知本文所提出的位置信息輔助的多波束賦形可以實現較好的系統性能。

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GAO Qian,ZHANG Fujin

School of Electronic Information and Engineering,Qiongzhou University,Sanya,Hainan 572022,China

In the high-speed railway communication,the position information of train is predictable.However,the number of relaying antennas on the roof is limited,the feedback delay is large,Doppler effect is often serious,handover is frequent,and so on.Therefore,the traditional beamforming is not suitable for high speed railway communications.By taking the advantage of the predictability of the location information of the train,this paper proposes a kind of location information auxiliary multi-beam opportunistic beamforming,which can improve the accuracy of the weighted vector of the beam for the opportunistic beamforming algorithm.The scheme also supports multiple beam parallel transmission,so as to realize better multiuser diversity gain with multibeam selection.Because opportunistic beamforming needs only some parameters such as SNR in the receiver,the feedback overhead is also reduced.Thus,the scheme proposed in the paper is suitable for high speed railway communications.

high speed railway;multi-beam;opportunistic beamforming

鑒于高速鐵路通信中，列車位置信息可預測、列車車頂中繼轉發天線數有限，以及反饋信息時延大、多普勒衰落較大、頻繁切換等特性，傳統的波束賦形并不適用于高速鐵路場景。位置信息輔助的多波束機會波束賦形能夠利用列車位置信息可預測的優勢，在機會波束賦形算法中有效地提高發送波束隨機相位與來波相位匹配的概率，同時支持多個波束并行傳輸，以多波束選擇實現更好的多用戶分集增益，且機會波束賦形無需反饋完全信道狀態信息。因此位置信息輔助的多波束機會波束賦形技術適用于高速鐵路通信。

高速鐵路；多波束；機會波束賦形

A

TN929.53

10.3778/j.issn.1002-8331.1304-0259

GAO Qian,ZHANG Fujin.Multi-beam opportunistic beamforming for high-speed railway communication.Computer Engineering and Applications,2013,49（18）：56-60.

海南省自然科學基金（No.612167）。

高倩（1986—），女，助教，主要研究領域為無線通信、移動通信、傳感器網絡；張福金（1956—），男，教授。E-mail：gaoqian496@163.com

2013-04-18

2013-05-24

1002-8331（2013）18-0056-05