一种高铁通信场景中稳定可靠的毫米波波束成形方法

技术领域

本发明涉及无线通信，更具体地，涉及用于高铁通信场景中的无线通信方法。

背景技术

随着互联网应用的飞速发展和信息技术的不断进步，具有超高可靠性、超低时延通信和海量信息传输等特点的第五代移动通信技术(5G)成为各国的研究热门，而高铁场景作为5G应用的一个典型场景也是学术届不断研究探讨的焦点问题之一。新一代的高铁通信对高速率、大带宽且具有服务质量保证的无线移动通信的要求也是越来越高。但是，目前我国的高铁通信系统主要采用GSM-R通信标准，而GSM-R网络使用窄带通信，它能够支持的最大数据传输速率不高于200kbps，只能提供高速铁路关于列车正常运行的调度应急通信方面的需求，远远不能满足新一代高铁对数据传输速率和信息传输可靠性的要求，而LTE-R标准还没有正式形成。如何提升高铁通信场景下的信息传输速率和信息传输的可靠性成为高铁通信的重大任务。毫米波通信可以给无线网络带来数十吉比特的数据传输速率，这可以大幅提升高铁通信系统的吞吐量性能。目前，我国在高铁无线通信系统中对于毫米波的应用尚不多见。由于毫米波在大气中的衰减十分严重，这在很大程度上限制了毫米波信号的传输距离。为了补偿毫米波的衰减损耗，可以采用基于大规模MIMO天线阵列的波束成形技术来增强毫米波信号的方向性。所以，将毫米波技术与波束成形技术相结合应用到高铁通信中具有很大的前景，是高铁通信发展的一大趋势。但是在高铁通信中应用毫米波波束成形技术也面临诸多问题。高铁通信系统的稳定性和可靠性是衡量系统性能的关键技术指标，特别是在传输与列车安全有关的信令信息时，系统的可靠性尤为重要。因此，亟需研究发明稳定可靠的无线通信方法来解决高铁毫米波通信面临的问题。

近年来，国内外一些文献已经围绕如何提升高铁通信系统的传输速率、信息传输的稳定性和可靠性等问题开展了一系列研究。例如，Li Yan等人在《IEEE Transactions onVehicular Technology July 2018(电气和电子工程师协会车载技术会刊，2018年7月)》发表了题为“Stable Beamforming with Low Overhead for C/U-plane Decoupled HSRWireless Networks(用于C/U平面分离的高铁无线网络低开销稳定波束成形)”一文。该文提出一种C/U平面分离的架构，控制信息用具有高可靠性的低频波段传输，而用户数据用毫米波传输以提升容量；在发射波束覆盖的范围内，接收端也采用波束成形技术进行接收；该系统不仅可以减少反馈开销，还可以将信噪比保持在一个较高、较稳定的水平。但是，单层蜂窝网络已经无法满足新一代高铁通信对信息安全可靠传输的需求。

相应地，在本领域中存在对于高铁通信场景中的改进的无线通信方法的需要。

发明内容

提供本发明内容以便以简化形式介绍将在以下具体实施方式中进一步的描述一些概念。本发明内容并非旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

鉴于以上描述的现有技术中的缺陷，本发明的目的在于，提供一种高铁通信场景中稳定可靠的基于毫米波波束成形的无线通信方法。

根据本发明的一方面，提供了一种用于高铁通信场景中的无线通信方法，该方法可以包括：构建交织站址双网冗余覆盖架构，该交织站址双网冗余覆盖架构包括交错地覆盖列车轨道沿线区域的两个独立的蜂窝网络，由该两个蜂窝网络发射的信号经过波束成形后能够分别被安装在列车顶部的中继节点接收；在该两个蜂窝网络中确定该中继节点在每个基站的覆盖范围内各点处所需的发射波束宽度和对应的波束切换点位置；以及基于列车位置、发射波束宽度和波束切换点位置来为中继节点切换基站的服务波束。

通过采用本发明提供的方法，不仅能够进一步提升高铁通信系统的数据传输速率，还可以使系统获得稳定的速率和较低的通信中断概率，从而提升高铁通信系统信息传输的稳定性和可靠性。

通过阅读下面的详细描述并参考相关联的附图，这些及其他特点和优点将变得显而易见。应该理解，前面的概括说明和下面的详细描述只是说明性的，不会对所要求保护的各方面形成限制。

附图说明

为了能详细地理解本发明的上述特征所用的方式，可以参照各实施例来对以上简要概述的内容进行更具体的描述，其中一些方面在附图中示出。然而应该注意，附图仅示出了本发明的某些典型方面，故不应被认为限定其范围，因为该描述可以允许有其它等同有效的方面。

图1解说了根据本发明的一个实施例的交织站址双网冗余覆盖架构的示意图。

图2解说了根据本发明的一个实施例的单个基站覆盖范围内车载中继节点的波束切换示意图。

图3解说了根据本发明的一个实施例的用于确定发射波束宽度和波束切换点位置的方法的流程图。

图4解说了根据本发明的一个实施例的用于高铁通信场景中的无线通信方法的流程图。

图5解说了根据本发明的一个实施例的基站的框图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明，本发明的特点将在以下的具体描述中得到进一步的显现。

在本发明中，首先构建了一种新颖的交织站址双网冗余覆盖架构，以通过扩大基站的重叠覆盖区域来保证信息的可靠传输。图1解说了根据本发明的一个实施例的交织站址双网冗余覆盖架构100的示意图。在本发明中，交织站址双网冗余覆盖架构指的是由两个独立的蜂窝网络组成的通信网络架构，其中一个蜂窝网络中的一个基站的覆盖范围与另一个蜂窝网络中的一个基站的覆盖范围部分重叠或交织。在图1中，交织站址双网冗余覆盖架构100可以包括交错地覆盖列车轨道沿线区域的两个独立的蜂窝网络，即网络A和网络B。每个网络中的信号独立地进行传输，不需要相互协同配合。在图1所示的示例中，网络A包括三个基站，分别是BS

如图1所示，例如，网络A的基站BS

列车顶部的中继节点可以采用解码转发中继，该类型的中继首先对接收信号进行解码，然后对解码后的信号重新进行编码，最后将编码后的信号转发至终端用户。该类型的中继不会放大噪声和干扰信号。在高接收信噪比的情况下也可以采用放大转发中继，该类型的中继会将噪声和其他干扰信号一并放大，但其容易实现且建造成本较低，可以作为解码转发中继的替代方案。列车顶部的接收中继节点具有足够的空间安装多天线阵列以进行信号接收。多天线阵列可以在发射波束的覆盖范围内形成接收波束，大大提高接收信号的质量，从而改善接收信噪比，提高高铁通信系统的数据传输速率。接收中继节点可以根据列车当前的位置和发射信号的到达角来估计接收波束的方向，从而实时调整接收波束，提高接收信号质量。

图2解说了根据本发明的一个实施例的单个基站覆盖范围内车载中继节点的波束切换示意图200。在使用波束成形技术的情况下，对于单个蜂窝网络中的一个基站(例如，基站210)来说，在列车(例如，列出250)穿过小区的过程中，由于列车处于不同位置时，发射信号所经历的路径损耗是不同的，当列车靠近小区中心时，路径损耗较小；当列车远离小区中心时，路径损耗较大，因此，在基站覆盖范围内应该采用不同宽度的发射波束进行信号传输。距离近时，采用波束成形增益较小的宽波束；距离远时，采用具有较高波束成形增益的窄波束，以弥补远距离的路径损耗。因此，需要建立发射波束宽度的优化问题。本发明将发射波束宽度的优化问题设为：调整发射波束宽度，以使每个发射波束覆盖范围内的平均数据传输速率和给定的目标速率之间的差值最小，从而使获得的数据传输速率稳定在目标速率附近，进而提升高铁通信系统数据传输的稳定性。

建立发射波束宽度优化问题的具体方法如下：

(1)网络A和网络B中的第i个发射波束的接收信号功率分别可以表示为：

其中，m∈(A，B)，分别代表网络A和网络B；P

多径信道时变响应矩阵H

其中，P是多径数目，g

其中，v是列车行驶速度，f

波束成形增益

其中，θ

(2)在列车顶部同一位置安装两个中继节点，这两个中继节点可以分别独立地接收两个网络的信号，将这两个中继节点接收的信号通过分集接收技术合并成最终的接收信号。在分集接收技术中，信号的合成方式有最大比合并技术、选择合并技术和等增益合并技术等。其中，最大比合并技术可以获得最大的输出信噪比，本发明采用最大比合并技术来合成两个中继节点接收的信号，选择合并技术和等增益合并技术可以作为备选方案。因此，采用最大比合并的列车通信系统在每个时刻的最佳接收信号功率可以表示为：

其中，θ

(3)根据最佳接收信号功率可以计算出列车通信系统在最大比合并方式中所获得的最佳接收信噪比：

其中，N

(4)根据所获得的最佳接收信噪比，计算出列车通信系统的瞬时数据传输速率：

R

(5)第i个发射波束覆盖范围内的平均数据传输速率可以定义为：

其中，p

(6)本实施例的优化问题就是调整发射波束宽度，以使每个发射波束覆盖范围内的平均数据传输速率和给定的目标速率之间的差值最小，约束条件可以设定为：发射波束宽度和目标速率的限制，则：

s.t.θ

其中，θ

本发明提出一种线下搜索算法来求解上述优化问题，计算基站覆盖范围内最佳的发射波束宽度和对应的波束切换点位置，从而减小高铁无线通信系统数据传输的波动性。在一个基站的覆盖范围内，列车处于不同位置时，采用不同宽度的发射波束进行服务。车载中继节点距离发射基站较近时，发射波束比较宽；当车载中继节点远离发射基站时，发射波束也随之变窄。

图3解说了根据本发明的一个实施例的用于确定基站的发射波束宽度和波束切换点位置的方法300的流程图。方法300可以由基站来执行。在一个实施例中，方法300可以在基站检测到列车进入其覆盖范围时执行。在另一个实施例中，方法300可以在列车进入基站的覆盖范围之前就预先执行。

方法300可以始于框310，其中设置初始参数，该初始参数可以包括最小发射波束宽度、最大发射波束宽度、小区覆盖角、目标速率、误差精度要求等。

在框320，方法300可以包括确定当前发射波束的波束切换点位置是否在基站的覆盖范围内。例如，参照图2，最初的发射波束可以用附图标记“220”来表示，该发射波束的波束切换点位置可以用“P

在框330，方法300可以包括设置当前发射波束的宽度初始值为最大发射波束宽度和最小发射波束宽度的中值。

在框340，方法300可以包括确定当前发射波束的覆盖范围内的平均数据传输速率与目标速率之间的差值是否满足误差精度要求。例如，发射波束的覆盖范围内的平均数据传输速率可以通过以上描述的计算过程来确定。误差精度要求可以在框310处的操作中根据需要来设置。如果在框340处确定当前发射波束的覆盖范围内的平均数据传输速率与目标速率之间的差值满足误差精度要求，则方法300可以行进至框360；否则，方法300可以行进至框350。

在框350，方法300可以包括确定平均数据传输速率是否小于目标速率，以据此来调整当前发射波束的波束宽度以满足误差精度要求。如果确定平均数据传输速率小于目标速率，则方法300可以行进至框352以减小波束宽度；否则方法300可以行进至框354以增大波束宽度。

在框360，方法300可以包括计算当前所有已确定发射波束宽度的总和并且计算下一发射波束的波束切换点位置。例如，参照图2，在已确定了前两个波束的波束宽度(例如，θ

在框370，方法300可以包括开始计算下一个波束宽度和切换点位置并且行进至框320。

在框380，方法300可以包括输出所确定的所有波束宽度和波束切换点位置。这些波束宽度和波束切换点位置可以例如存储在基站的存储器中以供将来使用。

上述搜索算法可以求得高铁通信系统中基站覆盖范围内最佳的发射波束宽度θ

图4解说了根据本发明的一个实施例的用于高铁通信场景中的无线通信方法400的流程图。

在框410，方法400可以包括构建交织站址双网冗余覆盖架构，该交织站址双网冗余覆盖架构包括交错地覆盖列车轨道沿线区域的两个独立的蜂窝网络，由这两个蜂窝网络发射的信号经过波束成形后能够分别被安装在列车顶部的中继节点接收。在一个实施例中，该中继节点包括安装在列车顶部同一位置处的两个中继节点，这两个中继节点可以分别独立地接收来自不同蜂窝网络的经波束成形的信号，其中由这两个中继节点接收的经波束成形的信号通过分集接收技术合并成最终的接收信号。在一个实施例中，该分集接收技术可以包括最大比合并技术、选择合并技术和等增益合并技术等。在一个实施例中，中继节点可以采用解码转发中继或放大转发中继。在一个实施例中，中继节点可以具有多天线阵列，该多天线阵列在发射波束的覆盖范围内形成接收波束，并且可以根据列车当前的位置和发射信号的到达角来估计接收波束的方向，从而实时调整接收波束，提高接收信号质量。

在框420，方法400可以包括在该两个蜂窝网络中确定该中继节点在每个基站的覆盖范围内各点处所需的发射波束宽度和对应的波束切换点位置。在一个实施例中，发射波束宽度是通过调整发射波束宽度以使每个发射波束覆盖范围内的平均数据传输速率和给定的目标速率之间的差值最小的方式来确定的。例如，如果发射波束覆盖范围内的平均数据传输速率小于给定的目标速率，则减小发射波束的波束宽度；或者如果发射波束覆盖范围内的平均数据传输速率大于给定的目标速率，则增大发射波束的波束宽度。在一个实施例中，发射波束宽度和对应的波束切换点位置可以通过参照图3所描述的方法300来确定。

在框430，方法400可以包括基于列车位置、发射波束宽度和波束切换点位置来为该中继节点切换基站的服务波束。在一个实施例中，框430处的操作可以进一步包括：通过列车的定位系统来获得列车在当前时刻的位置信息；以及基于该位置信息和波束切换点位置来确定中继节点是否到达该波束切换点位置，其中响应于确定中继节点到达该波束切换点位置，切换基站的服务波束，其中在中继节点到达下一个波束切换点位置之前，基站不改变服务波束的宽度和方向，其中响应于确定中继节点未到达波束切换点位置，继续使用基站的当前射波束来服务中继节点。参照图2，对于车载中继节点，当其到达波束边界点p

总的来说，本发明和现有技术相比，具有以下有益的技术效果：(1)采用交织站址双网冗余覆盖结构能够有效解决高铁毫米波通信中波束较窄以及波束快速、频繁切换带来的通信中断问题，降低通信系统的通信中断概率，提高信息传输的可靠性；(2)对两个中继节点接收的信号进行分集可以充分利用双网资源，能够有效提高高铁通信系统的信息传输速率；(3)中继节点采用多天线阵列，可以形成接收波束，大大提高接收信号的质量；(4)根据给定的目标速率，本发明可以将数据传输速率稳定在目标速率附近，有效减少数据传输速率的波动，从而提升数据传输的稳定性。总之，本发明采用的高铁通信场景中稳定可靠的基于毫米波波束成形的无线通信方法不仅可以提高高铁无线通信系统的数据传输速率，还可以降低整个通信系统的中断概率，从而提升系统数据传输的稳定性和可靠性。

图5解说了根据本发明的一个实施例的基站505的框图。基站505可包括用于双向语音和数据通信的组件，其包括用于传送和接收通信的组件，包括基站通信管理器510、网络通信管理器515、收发机520、天线525、存储器530、处理器540、以及站间通信管理器545。这些组件可以经由一条或多条总线(例如，总线550)处于电子通信。

基站通信管理器510可以确定中继节点在基站505的覆盖范围内各点处所需的发射波束宽度和对应的波束切换点位置；以及基于列车位置、发射波束宽度和波束切换点位置来为中继节点切换基站505的服务波束。

网络通信管理器515可以管理与核心网的通信(例如，经由一个或多个有线回程链路)。例如，网络通信管理器515可管理客户端设备的数据通信的传递。

收发机520可以经由一个或多个天线、有线或无线链路进行双向通信，如上所述。例如，收发机520可表示无线收发机并且可与另一无线收发机进行双向通信。收发机520还可包括调制解调器以调制分组并将经调制的分组提供给天线以供传输、以及解调从天线接收到的分组。

在一些情形中，基站505可包括单个天线525。然而，在一些情形中，该设备可具有不止一个天线525，这些天线可能能够并发地传送或接收多个无线传输。

存储器530可包括RAM、ROM、或其组合。存储器530可存储包括指令的计算机可读代码535，这些指令在被处理器(例如，处理器540)执行时使该基站执行本文所描述的各种功能。在一些情形中，存储器530可尤其包含BIOS，该BIOS可控制基本硬件或软件操作，诸如与外围组件或设备的交互。

处理器540可包括智能硬件设备(例如，通用处理器、DSP、CPU、微控制器、ASIC、FPGA、PLD、分立的门或晶体管逻辑组件、分立的硬件组件，或者其任何组合)。在一些情形中，处理器540可被配置成使用存储器控制器来操作存储器阵列。在一些情形中，存储器控制器可被集成到处理器540中。处理器540可被配置成执行存储在存储器(例如，存储器530)中的计算机可读指令，以使得设备执行各种功能。

站间通信管理器545可以管理与其他基站的通信，并且可以包括控制器或调度器以用于与其他基站协作地控制与用户装备的通信。例如，站间通信管理器545可针对各种干扰缓解技术(诸如波束成形或联合传输)来协调对去往用户装备的传输的调度。在一些示例中，站间通信管理器545可以提供LTE/LTE-A无线通信网络技术内的X2接口以提供基站之间的通信。

代码535可包括用于实现本发明的各方面的指令，包括用于支持无线通信的指令。代码535可被存储在非瞬态计算机可读介质中，诸如系统存储器或其他类型的存储器。在一些情形中，代码535可以不由处理器540直接执行，但可使得计算机(例如，在被编译和执行时)执行本文所描述的功能。

本文中所描述的技术可用于各种无线通信系统，诸如码分多址(CDMA)、时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)、正交频分多址(OFDMA)、单载波频分多址(SC-FDMA)以及其他系统。CDMA系统可以实现诸如CDMA2000、通用地面无线电接入(UTRA)等无线电技术。CDMA2000涵盖IS-2000、IS-95和IS-856标准。IS-2000版本通常可被称为CDMA2000 1X、1X等。IS-856(TIA-856)通常被称为CDMA2000 1xEV-DO、高速率分组数据(HRPD)等。UTRA包括宽带CDMA(WCDMA)和CDMA的其他变体。TDMA系统可实现诸如全球移动通信系统(GSM)之类的无线电技术。

OFDMA系统可以实现诸如超移动宽带(UMB)、演进型UTRA(E-UTRA)、电气和电子工程师协会(IEEE)802.11(Wi-Fi)、IEEE 802.16(WiMAX)、IEEE 802.20、Flash-OFDM等无线电技术。UTRA和E-UTRA是通用移动电信系统(UMTS)的一部分。LTE、LTE-A和LTE-A Pro是使用E-UTRA的UMTS版本。UTRA、E-UTRA、UMTS、LTE、LTE-A、LTE-A Pro、NR以及GSM在来自名为“第三代伙伴项目”(3GPP)的组织的文献中描述。CDMA2000和UMB在来自名为“第三代伙伴项目2”(3GPP2)的组织的文献中描述。本文所描述的技术既可用于以上提及的系统和无线电技术，也可用于其他系统和无线电技术。尽管LTE、LTE-A、LTE-A Pro或NR系统的各方面可被描述以用于示例目的，并且在大部分描述中可使用LTE、LTE-A、LTE-A Pro或NR术语，但本文所描述的技术也可应用于LTE、LTE-A、LTE-A Pro或NR应用之外的应用。

本文结合附图阐述的说明描述了示例配置而不代表可被实现或者落在权利要求的范围内的所有示例。本文所使用的术语“示例性”意指“用作示例、实例或解说”，而并不意指“优于”或“胜过其他示例”。本详细描述包括具体细节以提供对所描述的技术的理解。然而，可在没有这些具体细节的情况下实践这些技术。在一些实例中，众所周知的结构和设备以框图形式示出以避免模糊所描述的示例的概念。

尽管目前为止已经参考附图描述了本发明的各方面，但是上述方法、系统和设备仅是示例，并且本发明的范围不限于这些方面，而是仅由所附权利要求及其等同物来限定。各种组件可被省略或者也可被等同组件替代。另外，也可以在与本发明中描述的顺序不同的顺序实现所述步骤。此外，可以按各种方式组合各种组件。也重要的是，随着技术的发展，所描述的组件中的许多组件可被之后出现的等同组件所替代。对本公开的各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的，并且本文中所定义的普适原理可被应用于其他变形而不会脱离本公开的范围。由此，本公开并非被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文所公开的原理和新颖特征相一致的最广范围。