一種車載雙天線通信方法所屬技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及無線通信，具體涉及一種基站配備超大天線陣列的提升車載端雙天線通信性能的方法。

背景技術(shù)：
高速鐵路和城市軌道交通的大規(guī)模建設(shè)與發(fā)展向軌道交通通信系統(tǒng)提出了巨大挑戰(zhàn)。高速鐵路等軌道交通系統(tǒng)車地之間的無線通信不僅關(guān)系到列車的可靠運(yùn)行，還影響著乘客的通信服務(wù)體驗(yàn)。然而，現(xiàn)有的移動通信技術(shù)在高速移動情況下面臨著通信性能急劇下降的問題。眾所周知，多輸入多輸出(Multiple-InputMultiple-Output，MIMO)技術(shù)能夠提升信道容量等通信性能，于是隨著下一代鐵路移動通信技術(shù)和智能交通系統(tǒng)的發(fā)展，軌道交通道旁基站和車載中繼站分別配備多根天線成為了一種技術(shù)趨勢。多輸入多輸出技術(shù)通常利用散射豐富的環(huán)境具有的多徑效應(yīng)實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用或者空間分集來提高數(shù)據(jù)吞吐量和鏈路可靠性。然而，當(dāng)列車行駛在高架橋和開闊地時(shí)，由于列車周圍幾乎沒有反射體和散射體，所以一般認(rèn)為信號在基站和車載中繼站之間視距(Line-of-Sight，LOS)傳輸，該結(jié)論也與工程實(shí)際測試結(jié)果吻合。在視距傳輸下，無線信道多徑分量很少且延遲不大，也就是說，多徑效應(yīng)在高架橋和開闊地的軌道交通環(huán)境下并不明顯。為了在視距傳輸環(huán)境下有效利用多輸入多輸出技術(shù)，一個(gè)有效的方法是令基站天線陣列進(jìn)行波束賦形，車載中繼在列車首尾各配備一根天線，分別被基站天線陣列同時(shí)生成的不同波束服務(wù)，達(dá)到空間復(fù)用，提高數(shù)據(jù)吞吐量。但是，在視距傳輸環(huán)境下，這兩個(gè)波束的空間相關(guān)性很高，并且隨著列車駛離小區(qū)中心駛向小區(qū)邊緣，兩個(gè)波束在空間角度上越來越難以分辨。大規(guī)模多輸入多輸出(MassiveMIMO)技術(shù)的日趨完善為這一問題提供了可行的解決方法，即通過增加基站天線個(gè)數(shù)來生成空間角度分辨率較高的窄波束，這樣就可以極大地提高雙天線空間復(fù)用的性能和使用范圍，起到了提高通信性能的作用。因此，本發(fā)明提供了一種基于自適應(yīng)激活基站天線的車載雙天線通信方法?，F(xiàn)有的與通信性能有關(guān)、車載環(huán)境下的多天線應(yīng)用的方案包括以下幾種：(1)公開號為102624431A，名稱為一種提升車載端多天線通信容量的方法和系統(tǒng)中，通過計(jì)算車載端配置的所有天線陣列中的其他各天線陣列與參考陣列之間的目標(biāo)權(quán)重差，調(diào)整該差值至相應(yīng)的目標(biāo)權(quán)重差，再將各天線陣列接收的信號進(jìn)行合并，來提升車載端多天線通信容量，并且能夠克服列車在穿越帶狀小區(qū)時(shí)的容量抖動。該方案計(jì)算與調(diào)整的側(cè)重點(diǎn)放在車載端，對基站天線陣列沒有特殊要求，并且車載端考慮的是多組多天線，不包含列車首尾各配置一根天線的情況。(2)公開號為CN102324958A，名稱為一種用于高速鐵路環(huán)境下的MIMO系統(tǒng)中的無線通信方法中，提出一種基于分布式光載無線的高速鐵路寬帶無線接入系統(tǒng)，通過在鐵路沿線布置一定間隔的射頻拉遠(yuǎn)單元(RRU)，RRU與基帶單元(BBU)用光纖連接，同時(shí)利用車載GPS獲得列車位置信息，來激活所需的RRU進(jìn)行車地通信。該方案需要改造現(xiàn)有鐵路沿線網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)密集的RRU，同時(shí)依靠準(zhǔn)確的GPS定位，其成本會非常高，可能會破壞鐵路現(xiàn)場已有的任何地面硬件設(shè)施和設(shè)備，而且在隧道、山區(qū)等鐵路特殊地段會存在GPS盲區(qū)，這些將影響到該方案的整體性能。(3)公開號為CN101771455A，名稱為一種采用雙天線分集接收技術(shù)的GSM-R通信模塊中，提出采用雙天線分集接收技術(shù)的GSM-R通信模塊，通過對傳統(tǒng)的GSM-R通信模塊的改進(jìn)，采用兩根天線進(jìn)行信號接收來獲得分集增益。該方案是在現(xiàn)在GSM通信模塊的改進(jìn)，不滿足未來鐵路網(wǎng)絡(luò)LTE-R的發(fā)展趨勢，并且不涉及在基站端的操作，也沒有利用車體長度的優(yōu)勢令雙天線發(fā)揮空間復(fù)用的作用。(4)公開號為CN102201893A，名稱為多天線組播系統(tǒng)基于最大最小波束成型的容量估計(jì)方法中，提出利用延遲信道狀態(tài)信息和多普勒頻移對每個(gè)用戶的接收信噪比進(jìn)行估計(jì)，然后補(bǔ)償延遲信道狀態(tài)信息對系統(tǒng)容量的影響，獲得較大的系統(tǒng)傳輸速率的提升。該專利需要對用戶的信道狀態(tài)信息進(jìn)行估計(jì)獲得匹配系統(tǒng)容量，在鐵路環(huán)境下信道狀態(tài)信息的估計(jì)比較困難，難以提高多天線系統(tǒng)的通信性能。(5)美國專利US008227387，名稱為LOSMIMOBEAMFORMING中，提出MIMO系統(tǒng)一般用于NLOS(non-LOS)環(huán)境，其給出了一種LOS環(huán)境下點(diǎn)到點(diǎn)通信系統(tǒng)，包含第一發(fā)射機(jī)通過電磁波發(fā)送信息給第一接收機(jī)。第一發(fā)射機(jī)使用一定數(shù)量的天線，通過不同頻率的波束將信息發(fā)射出去。收發(fā)端之間的直放站(repeater)根據(jù)發(fā)送端所用的波束將信息進(jìn)行中繼放大，達(dá)到點(diǎn)到點(diǎn)通信的目的。該專利要求波束工作在不同頻率，并且需要中繼放大器的輔助。(6)美國專利US2007181167B2，名稱為HIGHDATARATECLOSEDLOOPMIMOSCHEMECOMBININGTRASNMITDIVERSITYANDDATAMULTIPLEXING中，提出通過最大化合成的信道信噪比來決定閉環(huán)多天線無線通信系統(tǒng)的天線權(quán)重。天線子集上復(fù)用信號流提升了吞吐率。該專利需要對物理信道的系數(shù)進(jìn)行估計(jì)，再計(jì)算天線的權(quán)重，然后將符號流調(diào)制到改變了權(quán)重的天線上，最后是進(jìn)行擴(kuò)頻發(fā)送。該專利需要信道估計(jì)信息，而且只能應(yīng)用于CDMA(Code-DivisionMultipleAccess)系統(tǒng)。(7)美國專利US006870515B2，名稱為MIMOWIRELESSCOMMUNICATIONSYSTEM中，提出利用極化分集，得到體積更小的MIMO系統(tǒng)(相比其他的空間分集MIMO系統(tǒng))，可以在LOS下提升容量，也可以用于多波束天線系統(tǒng)。該專利用極化分集減小了MIMO系統(tǒng)的體積，但是增加了MIMO系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。在鐵路環(huán)境下，MIMO系統(tǒng)的體積不是問題，而復(fù)雜度帶來的處理時(shí)延將會嚴(yán)重降低系統(tǒng)性能。綜上所述，現(xiàn)有的與通信性能有關(guān)的車載環(huán)境下的多天線應(yīng)用并沒有考慮基站采用超大天線陣列產(chǎn)生窄波束同時(shí)服務(wù)列車首尾雙天線這一結(jié)構(gòu)。因此，本發(fā)明基于這一科學(xué)事實(shí)提出了一種自適應(yīng)激活基站天線的車載雙天線通信方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供一種在基站配備超大陣列而車載端配置列車首尾雙天線的情況下的提升通信性能的方法。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種車載雙天線通信方法，其特征在于，基站配備超大天線陣列，車載端首尾各配備一根天線，其控制方法包括如下步驟：A:計(jì)算距離閾值s1和s2，將列車與基站的距離劃分為區(qū)間1，區(qū)間2和區(qū)間3三個(gè)閾值區(qū)間；所述計(jì)算距離閾值s1和s2的過程包括：生成以基站總天線數(shù)為陣元個(gè)數(shù)和以列車首尾天線相對基站陣列角度為到達(dá)角的兩個(gè)導(dǎo)向向量，結(jié)合實(shí)際拓?fù)鋮?shù)計(jì)算對應(yīng)每一個(gè)“列車-基站”間距的波束間模糊度；該模糊度第一次超過設(shè)定閾值時(shí)所對應(yīng)的“列車-基站”間距為s1，該模糊度開始單調(diào)上升的起始點(diǎn)所對應(yīng)的“列車-基站”間距為s2；“列車-基站”間距屬于區(qū)間1是指“列車-基站”間距大于等于垂直距離，小于s1的情況；所述垂直距離是指當(dāng)基站天線在地面的投影點(diǎn)與車首天線在地面的投影點(diǎn)之間的連線剛好垂直于車首、車尾天線在地面的投影點(diǎn)所構(gòu)成的直線時(shí)，基站天線投影點(diǎn)與車首天線投影點(diǎn)之間的距離，該距離也是“列車-基站”最小間距；“列車-基站”間距屬于區(qū)間2是指“列車-基站”間距大于等于s1，小于s2的情況；“列車-基站”間距屬于區(qū)間3是指“列車-基站”間距大于等于s2；B:判斷列車與基站的距離所在的閾值區(qū)間，并按照不同區(qū)間定義的基站天線激活策略和波束賦形策略進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，即：區(qū)間1定義的基站天線激活策略是基站全部天線激活，波束賦形策略是雙層波束賦形；區(qū)間2定義的基站天線激活策略是對應(yīng)每一個(gè)“列車-基站”間距只激活剛好滿足空間角度分辨率的最小天線根數(shù)，波束賦形策略是雙層波束賦形；區(qū)間3定義的基站天線激活策略是基站全部天線激活，波束賦形策略是單層波束賦形，此時(shí)僅有列車尾部天線工作。滿足空間角度分辨率的最小天線根數(shù)的計(jì)算：空間角度分辨率要求基站陣列觀察到的列車首尾天線的到達(dá)角的方向余弦之差不小于基站陣列的歸一化長度的倒數(shù)。利用已知的到達(dá)角和基站陣列歸一化長度信息，即可計(jì)算出該“列車-基站”間距所對應(yīng)的滿足空間角度分辨率的最小天線根數(shù)。采用本發(fā)明方法，在列車駛過整個(gè)小區(qū)的過程中通信性能始終可以保持在較好且穩(wěn)定的水平。附圖說明如下：圖1為本發(fā)明在軌道環(huán)境下的車載端與基站構(gòu)成的無線通信系統(tǒng)的示意圖。圖2為本發(fā)明根據(jù)波束間模糊度得出距離閾值s1和s2的示意圖。圖3為本發(fā)明的工作流程示意圖。圖4為本發(fā)明的自適應(yīng)天線激活波束賦形傳輸技術(shù)應(yīng)用之后列車在行駛中獲得的通信性能示意圖。具體實(shí)施例下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的詳述。本發(fā)明適用于軌道交通環(huán)境(普通鐵路、高速鐵路、城市輕軌)或者帶狀無線通信拓?fù)洵h(huán)境(如高速公路)。在帶狀無線通信拓?fù)洵h(huán)境下，基站沿軌道交通沿線放置。如圖1所示，基站配備了一個(gè)有大規(guī)模陣元(如大于100個(gè)陣元)的均勻線性陣，覆蓋半徑為R。基站的參考天線假設(shè)為O，其在地面的投影為O’。假設(shè)車載臺有兩根天線，分別安裝在車頭和車尾，標(biāo)記為A和B，其在地面的投影為A’和B’。天線A和天線B的端口在基帶處理單元通過高速車廂總線連接，共同處理各自接收到的不同信息。假設(shè)O’到A’B’所在直線的垂直距離為dmin，即當(dāng)O’A’垂直于A’B’時(shí)，O’A’＝dmin，OO’的長度為基站高度hBS，AA’的長度為車載中繼高度hMRS。AB的長度假設(shè)等于列車長度lT，O’A’的長度定義為列車與基站之間的距離s，通過可預(yù)測的位置信息能夠準(zhǔn)確獲取s。O’A’與O’x之間的夾角定義為φ1，O’B’和O’x之間的夾角定義為φ2。閾值s1和s2的計(jì)算過程可以是：以圖2為例，黑色虛線表示Nmax雙層波束賦形機(jī)制，即在整個(gè)傳輸過程中，基站激活天線數(shù)為Nmax，實(shí)線表示Nmin雙層波束賦形機(jī)制，即在每個(gè)位置s，基站只激活該處滿足空間角度分辨率的最小天線根數(shù)Nmin。s1為列車與基站之間的距離閾值，對應(yīng)于Nmax雙層波束賦形機(jī)制的波束間模糊度第一次超過設(shè)定的閾值(通常取經(jīng)驗(yàn)值0.08)的位置；s2也為列車與基站之間的距離閾值，對應(yīng)于Nmax雙層波束賦形機(jī)制的波束間模糊度開始單調(diào)上升的起始點(diǎn)，這一點(diǎn)恰好也是Nmin雙層波束賦形機(jī)制的波束間模糊度開始與Nmax雙層波束賦形機(jī)制的波束間模糊度重合時(shí)的位置，即Nmin＝Nmax。圖2為一種實(shí)施例參數(shù)，其中dmin為50米，R為1000米，基站天線總根數(shù)為260。在上述過程中，Nmin的計(jì)算方法可以是：當(dāng)列車從小區(qū)中心駛向小區(qū)邊緣時(shí)，s從dmin逐漸變化到R。對應(yīng)不同的s，基站需要激活的滿足角度分辨率的最少天線根數(shù)為：接下來本發(fā)明的實(shí)施流程如圖3所示：區(qū)域1：“列車-基站”間距大于等于垂直距離，小于s1當(dāng)基站與車載中繼的天線A的距離屬于區(qū)域1時(shí)，方向余弦cosφ1和cosφ2之差較大，因此所對應(yīng)的Nmin的取值較小。這時(shí)Nmax雙層波束賦形機(jī)制受益于全部基站天線激活帶來的陣列增益和兩個(gè)正交空間流帶來的雙倍數(shù)據(jù)率。而Nmin雙層波束賦形機(jī)制只能得到較小的陣列增益。因此在這一區(qū)域，最優(yōu)的波束賦形傳輸機(jī)制是Nmax雙層波束賦形機(jī)制。區(qū)域2：“列車-基站”間距大于等于s1，小于s2在這一區(qū)域中，Nmax雙層波束賦形機(jī)制的波束間模糊度開始以周期性的方式加劇。波束間模糊度較大將導(dǎo)致BER和吞吐率下降。而Nmin雙層波束賦形機(jī)制的波束間模糊度穩(wěn)定在一個(gè)較低的水平。在這一區(qū)域，最優(yōu)的波束賦形傳輸機(jī)制是Nmin雙層波束賦形機(jī)制。區(qū)域3：“列車-基站”間距大于等于s2，小于等于小區(qū)半徑在這一區(qū)域，由于Nmin逐漸增加直到等于Nmax，并且波束間模糊度迅速高到無法容忍，導(dǎo)致雙層波束賦形機(jī)制失效。在這一區(qū)域，最優(yōu)的波束賦形傳輸機(jī)制是Nmax單層波束賦形機(jī)制。仿真實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明所采用的自適應(yīng)天線激活波束賦形機(jī)制能夠在列車駛過小區(qū)的過程中將系統(tǒng)的通信性能維持在較高且較穩(wěn)定的水平，如圖4所示。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。