一種分布式大規(guī)模mimo-noma高鐵移動(dòng)通信系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明主要設(shè)及高鐵移動(dòng)通信，尤其設(shè)及高鐵移動(dòng)車廂終端（MobileCarriage Terminal,MCT)與鐵路沿線的分布式遠(yuǎn)端天線單元（RemoteAntennaUnit,RAU)之間的大 規(guī)模MIMO通信系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著高速鐵路的快速發(fā)展，高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)面臨更高的技術(shù)挑戰(zhàn)。鐵路通 信技術(shù)必須數(shù)字化"、"無線移動(dòng)化"、"寬帶綜合業(yè)務(wù)"為其發(fā)展目標(biāo)。因此，將寬帶無線 網(wǎng)絡(luò)炬roa化andWirelessNetwork,BWN)應(yīng)用于高速鐵路是一個(gè)發(fā)展熱點(diǎn)；一方面高鐵的 列車控制系統(tǒng)需要BWNW保證列車運(yùn)行的信息傳輸，如視頻監(jiān)控等；另一方面，為高鐵上的 用戶提供豐富的多媒體業(yè)務(wù)，如視頻電話、在線游戲、視頻會(huì)議等。中國是世界上最大的軌 道交通暨高速鐵路建設(shè)市場。然而，其鐵路通信目前使用的GSM-R佑SM化rRailway)體系 主要基于第二代全球移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM，僅能提供語音業(yè)務(wù)及低速率業(yè)務(wù)，不能滿足未來鐵 路通信的發(fā)展需求，而現(xiàn)有的公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)，無論是對鐵路的覆蓋范圍還是覆蓋質(zhì)量 均無法滿足列車上用戶的需求。該是由于該些通信標(biāo)準(zhǔn)的主要應(yīng)用目標(biāo)是城市低速移動(dòng)密 集蜂窩小區(qū)場景，而沒有針對高速移動(dòng)場景進(jìn)行?？诘脑O(shè)計(jì)。
[000引LTE-R(LongtermEvolutionforRailway)系統(tǒng)由于其具有高速據(jù)率、低延時(shí)、分 組傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，因此它將是最有希望應(yīng)用于未來鐵路通信的體系之一。但是，當(dāng)LTE系統(tǒng)應(yīng) 用到高鐵時(shí)將會(huì)遇到一系列挑戰(zhàn)。首先，傳統(tǒng)的蜂窩通信架構(gòu)不適合在高鐵通信。如果車 廂內(nèi)的移動(dòng)用戶直接使用傳統(tǒng)的單天線手機(jī)與道旁基站炬aseStation,B巧直接通信，將 會(huì)有較大的信號傳播損耗。其次，由于高鐵的高速性和傳統(tǒng)BS覆蓋范圍小的特點(diǎn)，高鐵在 經(jīng)過傳統(tǒng)的蜂窩小區(qū)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生頻繁的小區(qū)切換，大大降低用戶的使用體驗(yàn)。再者，高鐵 快速時(shí)變信道的健壯信號處理算法的開發(fā)工作困難?；赪上考慮，需要設(shè)計(jì)針對高鐵的 寬帶無線通信系統(tǒng)。
[0004] 因此，本發(fā)明針對上述的高鐵覆蓋通信架構(gòu)問題W及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了調(diào)研。其 中，大規(guī)模MIM0技術(shù)作為5G的候選關(guān)鍵技術(shù)之一，由于可W在BS側(cè)配置幾十甚至幾百根 天線使得頻譜效率有望達(dá)到數(shù)十甚至數(shù)百bps/化，近年來得到了非常廣泛的關(guān)注。另外， 在調(diào)制方面，面向5G的候選關(guān)鍵技術(shù)之一的非正交多址接入（Non-化thogonalMultiple Access,NOMA)，在OFDM的基礎(chǔ)上增加功率控制，可W利用不同的路徑損耗的差異對多路 發(fā)射信號進(jìn)行疊加，從而提高信號增益，它能夠讓同一個(gè)小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)的所有移動(dòng)設(shè) 備都能獲得最大的可接入帶寬，可W解決由于大規(guī)模鏈接帶來的網(wǎng)絡(luò)挑戰(zhàn)。此外，NOMA 還具有一個(gè)非常好的特質(zhì)，可W不需要知道每個(gè)信道的信道狀態(tài)信息（化annelState In化rmation，CSI)，有望在高速移動(dòng)場景下獲得更好的性能，并且能較好的融合到現(xiàn)有的 4GOFDM技術(shù)之中。但是，調(diào)研到之前的高鐵通信系統(tǒng)，主要分為基于OFDM的通信系統(tǒng)和非 OFDM通信系統(tǒng)，其中基于OFDM的通信系統(tǒng)占了絕大多數(shù)，非OFDM通信系統(tǒng)則有TD-SCDMA、 SC-FDMA等通信系統(tǒng)。直到目前為止，尚未有研究人員將5G的候選關(guān)鍵技術(shù)一一大規(guī)模 MIMO和NOMA組成的大規(guī)模MIMO-NOMA系統(tǒng)應(yīng)用于高鐵該種環(huán)境進(jìn)行探索性研究，且并未見 此類系統(tǒng)具體的信號處理分析流程。
[0005] 基于此，本發(fā)明將大規(guī)模MIM0-N0MA合理地應(yīng)用在LTE-R中，大大提升LTE-R系統(tǒng) 的頻譜效率，并為面向5G的高鐵移動(dòng)通信系統(tǒng)原型機(jī)和系統(tǒng)、鏈路級仿真提供參考。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明目的：針對高鐵移動(dòng)車廂終端（MobileCarriageTerminal,MCT)與鐵路沿線 的分布式遠(yuǎn)端天線單元化emoteAntenna化it,RAU)之間的大規(guī)模MIMO通信系統(tǒng)，將大規(guī) 模MIM0-N0MA合理地應(yīng)用在LTE-R中，從而大大提升LTE-R系統(tǒng)的頻譜效率，達(dá)到提高車廂 內(nèi)固定座位終端用戶的語音和數(shù)據(jù)通信性能的目標(biāo)，并為面向5G的高鐵移動(dòng)通信系統(tǒng)原 型機(jī)和系統(tǒng)、鏈路級仿真提供參考。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案；
[000引車內(nèi)用戶與地面基站之間的通信通常采用兩層結(jié)構(gòu)，分別由兩個(gè)部分組成： 一部分為車地通信，即道旁的分布式大規(guī)模MIM0中央控制基站（CentralControl Station,CC巧和在其覆蓋區(qū)內(nèi)高速行駛的高鐵車載MCT之間的車地通信；另一部分為車內(nèi) 通信，即高鐵每節(jié)車廂頂部的車載MCT和車廂內(nèi)WiFiAP之間的通信化及WiFiAP與固定 座位用戶通信，如附圖1所示。本發(fā)明主要設(shè)及其中的車地通信。
[0009] 高速移動(dòng)切換下分布式大規(guī)模MIM0通信系統(tǒng)模型如附圖2所示，陰影部分為相鄰 RAU的重疊覆蓋區(qū)，高鐵在此重疊區(qū)域內(nèi)將同時(shí)與兩個(gè)相鄰RAU進(jìn)行通信，由于高鐵速度非 ?？欤鋵⒃诜浅６痰臅r(shí)間內(nèi)完成小區(qū)切換。每個(gè)CCS管理有M個(gè)RAU，并且在同一個(gè)CCS 內(nèi)，所有的RAU都工作在相同的頻率，即MCT在同一個(gè)CCS內(nèi)的兩個(gè)相鄰RAU發(fā)生切換時(shí)，工 作頻率不會(huì)發(fā)生變化，該將大大減小系統(tǒng)的射頻開銷，同時(shí)相鄰大規(guī)模MIM0RAU對MCT進(jìn) 行信號的復(fù)用和分集，顯然，在兩個(gè)CCS間相鄰的兩個(gè)RAU之間進(jìn)行小區(qū)切換時(shí)，將考慮頻 率切換問題。RAU均勻分布在高鐵沿線，每個(gè)RAU上有Nt根天線，RAU和CCS通過光載無線 電（RadiooverFiber,Ro巧進(jìn)行連接。高鐵有S節(jié)車廂，每節(jié)車廂頂部安裝有1個(gè)MCT，每 個(gè)MCT有Nk根天線。MCT通過RoF與車廂內(nèi)的WiFiAP連接。分布式大規(guī)模MIM0CCS和 高鐵MCT構(gòu)成車地通信，MCT和WiFiAP化及WiFiAP和固定座位用戶之間構(gòu)成車內(nèi)通信。
[0010] 大規(guī)模MIM0-N0MA車地通信系統(tǒng)信號處理流程；
[ocm] 系統(tǒng)模型如附圖3所示，我們考慮每個(gè)RAU有Nt根發(fā)射天線、MCT有Nc根接收天 線的分布式大規(guī)模MIM0-N0MA系統(tǒng)。分布式大規(guī)模MIM0-N0MA系統(tǒng)的發(fā)射端如附圖3 (a) 所示。在發(fā)射端，比特流通過前向糾錯(cuò)編碼映射到符號流。然后，符號流通過串/并轉(zhuǎn)換模 塊變換為并行的子流。調(diào)制通過IFFT實(shí)現(xiàn)。為了避免多徑時(shí)延造成的符號間干擾（ISI)， 在傳輸之前，長度等于或大于信道期望最大時(shí)延的循環(huán)前綴（C巧將插入到信號中。然后信 號經(jīng)過并/串轉(zhuǎn)換為串行信號，經(jīng)過CCS預(yù)編碼處理模塊形成下行傳輸矩陣，然后通過微波 到光的轉(zhuǎn)換模塊將微波信號調(diào)制到光信號，再通過RoF將信號送達(dá)鐵路沿線的RAU，而RAU 模塊再通過光到微波轉(zhuǎn)換模塊，將光信號轉(zhuǎn)換為微波信號，通過大規(guī)模MIM0天線將NOMA信 號發(fā)送給車載MCT。
[0012] 在發(fā)射端，假定有K個(gè)用戶，可用帶寬被劃分為N個(gè)子載波。用戶kG(1,2, 通過子載波n(nG(1,2, 傳送數(shù)據(jù)，Pk，n是用戶k在子載波n上 的發(fā)射功率，Pk是單個(gè)用戶的最