高速鐵路通信系統大規模天線技術的應用研究

摘? 要：大規模多天線技術（Massive MIMO）被認為是5G的關鍵技術之一，Small Cell是其低功率的無線接入節點，該技術在天線數以及信號覆蓋維度方面比傳統技術有量級提升。本文針對高速鐵路不同場景，設計出單小區和多小區兩種模型，并提出能效最優部署方案。能夠為高速鐵路5G-R系統中大規模天線技術的應用提供理論支持。

關鍵詞：高速鐵路;5G;Massive MIMO;Small Cell;能效

隨著中國高鐵的不斷發展，高速鐵路車地信息傳輸對高速率、高質量和穩定性的需求不斷提高。本文研究在不同高速鐵路環境下，利用兩種基于Massive MIMO系統的Small Cell基站部署方案，控制整個系統的功率消耗，實現最大化能效，保證5G-R通信系統的可靠性和穩定性，這對高鐵5G網絡規劃與建設、無線通信網絡優化具有重要參考意義。

1.系統模型

針對中國高速鐵路線路分布和組網情況，本文提出了單小區均勻部署和多小區非均勻部署兩種模型，可以適用于線路單一、行車數量較少的場景和多線路交叉并線區段場景。在單小區系統模型中，宏基站部署在整個小區的中心位置，Small Cell以一定比例均勻部署在宏基站覆蓋半徑的不同位置，用戶隨機分布在整個區域內;多小區系統模式適用于高速鐵路繁忙干線、多小區、多用戶的情景，模型利用泰森多邊形的網絡拓撲結構來模擬多小區的網絡系統，Small Cell的服務范圍對Macro Cell進行補強，這樣對于繁忙干線或者地勢復雜的線路，可以大大提高覆蓋率和切換質量，同時Small Cell成本較低，也可以降低建設成本。

2 最優無線接入節點部署方案

2.1? 單小區優化部署方案

單小區系統模型適用于線路單一，行車數量較少的區段，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.即用戶可以同時接收到宏基站與Small Cell的發送信號，宏基站和Small Cell共同服務用戶時的信干噪比（SINR）表示為 。單小區系統模型的能效EE表示為 式中? 表示基站正常工作所需要的功耗，P dynamic為基站的實際發射功率，系統總功率消耗為兩者之和。

2.2? 多小區優化部署方案

在多小區優化方案中，主要考慮在組網復雜的高鐵線路下Massive MIMO系統中多用戶多小區的下行鏈路，在保證良好服務質量的同時，實現能效最大化。并在此基礎上，研究如何選擇多小區系統模型的基站發射天線數和基站密度。系統功率消耗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，M為宏基站天線，S為小區數。

3? 仿真分析

3.1? 單小區仿真分析

通過仿真結果得出，當Small Cell放置在宏基站不同距離的半徑內，系統功耗會有差別，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，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，宏基站天線數不能無限增加，試驗得出，當宏基站天線數為40，Small Cell距離宏基站為350m時系統總功耗最少。

3.2? 多小區仿真分析

在多小區系統模型仿真實驗得出，Massive MIMO系統的能效隨著宏基站天線數量的增加而增加，當天線數量達到 120 根，并且將宏基站以距離內部區域半徑500m進行部署，多小區系統模型的能效接近于最優。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的區間進行仿真。當Small Cell以基站密度λ=7 BS / k m2 和宏基站天線數M=120時，多小區系統模型的能效最高。

4? 結論

通過分析和仿真試驗表明，利用單小區和多小區兩種基于Massive MIMO系統中的Small cell部署方案，可以有效提高系統能效，滿足5G-R高速鐵路車地信息傳輸對高速率、高質量和穩定性等方面的需求。隨著高速鐵路的快速發展及運行速度的不斷提高，對車地通信業務和傳輸數據質量要求將不斷增加，采用Massive MIMO技術保證通信質量將是高速鐵路通信的發展方向。

參考文獻：

[1] G. Auer et al.， “How much energy is needed to run a wireless network？，”IEEE Trans. Wireless Commun.， vol. 18， no. 5， pp. 40-49， Oct. 2011.

[2] D. Ng， E. Lo， and R. Schober， “Energy-efficient resource allocation in OFDMA systems with large numbers of base stationantennas，” IEEE Trans. WirelessCommun.， vol. 11， no. 9， pp. 3292–3304， 2012.

姓名：馮鐸（1993.06--）;性別：男;籍貫：內蒙古自治區;民族：漢族;學歷：本科，畢業于珠?？萍紝W院;現有職稱：助理工程師;研究方向：鐵路通信。