前言

随着社会的发展和综合国力的日益增强，我国已成为世界上高速铁路发展最快、使用量最大和系统技术最全的国家。

高铁无线通信系统作为高速铁路的神经系统，是高铁技术必不可少的组成部分，也是高铁行业的研究焦点。

为了确保乘客出行的安全和满足列车的信息传输速率需求，高铁无线通信系统由专用网络和公共网络共同组成，专网传输用于保障铁路运行安全，为列车调度、视频监控、远程跟踪、状态监测等提供服务，公网传输用于满足列车内部乘客的通信服务需求，提升旅客的旅途体验。

高铁无线通信传输的特殊性

高铁是一种大众化的交通工具，从高铁的外观来看，它是由多节车厢连接在一起组成的长约 400 米的一个封闭区间，车窗也是采用密封性很好的特殊材质制成。

通过对中国铁路的调研，我们发现中国铁路客运专线动车组有 CRHI、CRH2、CRH3 和 CRH5 四种类型531，其中 CRHI 型车体是不锈钢材质，其余三种均为铝合金。

列车在行驶过程中的数据传输服务通常是由分布在轨道沿线的小区基站来提供，当基站和列车内移动设备直接进行通信时，传输信号需要穿过列车厚厚的车体，这个过程会产生严重的穿透损耗，使传输信号质量大大降低，甚至可能无法满足用户的速率需求。

为了保证列车内部速率需求得到满足，发射端需要消耗更多的功率来抵抗穿透车厢带来的损耗影响。

很明显，这种传输方式会增加通信系统的功率消耗。

为了避免列车车厢巨大的穿透损耗带来的额外的传输功耗，可以在列车车厢内部安装接入点，在外部安装中继，使基站与列车内部的通信形成“两跳”结构，一跳是基站与中继之间的通信，另一跳是接入点与列车内部移动用户之间的通信。

采用“两跳”结构的通信方式，可以避免信号直接穿过车厢进行传输，相比于基站和列车内用户直接进行通信的方式，这种方式进行信号传输，可以改善用户的通信质量，同时也避免了额外的功率消耗。

在本文中对于新一代铁路无线通信系统的研究，都采用“两跳”结构进行信号传输。

高铁无线通信资源分配和功率控制方法

随着高铁产业的发展和社会科技的进步，高铁需要承载的通信业务需求也在爆炸式增长，在列车上时常会出现网络过载和拥塞问题，这种情况表明存在资源抢夺现象。

为了满足列车上不同用户的 OoS 需求,基站应该根据列车反馈的速率需求对系统资源进行合理分配和调度，保障列车上所有用户的正常通信。

对于频谱资源，虽然承载着日益增长的各种业务，但它本身却不可再生，因此，如何在有限的频谱资源上提供更多的数据服务早已成为至关重要的研究问题。

频谱利用率可定义为单位时间单位带宽上所传输的信息比特，是无线通信系统传输性能的主要参考指标，在高铁无线通信中主要受信号传输环境和资源分配算法有效性的影响。

在高铁通信场景中，由于列车的高速移动，信道状态变化非常快，需要针对每个时刻用户的速率需求，动态的进行资源分配;同时，在列车穿过小区的过程中，每节车厢到基站的距离不同，信道质量也不同，如果按照传统的以最大化列车的吞吐量为目标进行资源优化，可能会出现信道质量好的用户得到的资源多，而信道质量差的用户得到的资源少甚至会得不到资源。

为了避免这种不公平的速率传输，需要在在传统的资源分配指标里加入公平性。

高铁无线通信中的多天线技术

由于高铁场景下传输信道的快速时变性，研究高铁通信需要讨论每个时刻的传输性能来确保运行过程中列车的通信需求。

通常来说，发射基站提供的发射功率是固定的，但列车行驶过程中信道是瞬时多变的，为了确保列车行驶过程传输速率的稳定性，除了通过资源分配进行优化设计，还可以采用多天线技术优化网络结构部署来提高系统传输性能。

常见的多天线技术主要有 MIMO 技术和束成形技术。

在高铁场景下使用 MIMO 传输技术给列车提供数据服务，其实是改进了车地链路的通信网络部署，在发射端和接收端分别采用多根天线进行信号传输，更好的利用了空间资源，在有限的频谱和天线发射功率下，可大大提升高铁通信系统的信道容量。

波束成形技术通过调节权重把能量集中到特定方向进行传输，可以降低传输信号的损耗，铁路通信无线覆盖基本呈带状分布，具有方向性特征的波束成形技术是增强覆盖的有效技术。

这种情况下，将 MIMO 传输和波束成形技术应用于高铁车地通信系统具有重要的研究意义。

MIMO 传输技术

MIMO 传输是利用多根天线将无线信号进行同步收发的天线技术，它可以在不增加带宽的情况下，成倍地提升系统的容量和频谱利用率，是 5G 通信的核心技术。

在移动数据需求爆炸性增长，现有通信系统难以满足未来需求的背景下，MIMO 传输技术受到众多通信学者的青睐。

MIMO 传输技术可以分为集中式 MIMO 和分布式MIMO，集中式 MIMO 是传统的基于蜂窝系统的 MIMO，收发端基站同时使用多根天线进行数据传输: 分布式 MIMO 是指中央基站部署的天线单元间隔较远，分布在不同的位置同时给终端提供服务的天线系统，也可看作DAS。

下面给出了高铁场景下集中式 MIMO 和分布式MIMO 的系统示意图:

在图中，通过一个小区的中心基站给列车提供服务，基站上有多根发射天线,基站与列车之间采用典型的两跳结构传输信号，列车顶部等距安装多根接收中继，每个中继配置一根天线，形成基站与列车之间的 MIMO 传输路径。

上图给出了高铁场景下分布式 MIMO 的模型图，在发射端，由轨道沿线分布的多个 RAU 构成，这些 RAU 间隔距离很远，通过中央控制中心部署连接，中央控制中心负责处理控制信息，RAU 负责给列车传输信号，形成 MIMO 传输信道。

综合以上对 MIMO 传输技术的介绍，可以发现相比于普通的通信网络传输，当采用集中式MIMO 的系统架构给高铁无线通信系统提供服务时，可大大提升系统容量:当采用分布式MIMO 作为高铁无线通信发射端网络部署时，不仅可以在小区内形成良好的覆盖，解决通信死角，扩大通信服务范围，还能降低信号传输过程中的路径损耗。

波束成形技术主要采用小间距天线阵列，充分利用空间资源，把能量汇聚到目标用户所在方向，可有效减少接收用户间的干扰，是智能天线的主要实现方式。

在发射信号时，经波束成形技术处理可产生具有强方向性的辐射方向图，使接收端的信号有所叠加，减少发射能量的扩散，提高接收端的信噪比并扩大信号覆盖范围。

为了更好的在高铁场景应用波束成形技术，需要对波束成形的技术原理进行深入了解。

波束成形技术可以分别从发射端和接收端出发来描述。

发射端波束成形，是基站使主瓣对准目标用户更加集中的发送信号:接收端波束成形是指对发射信号的方向进行估计之后，只接收来自波主瓣方向的信号，处于主瓣之外的信号会被抑制:这样一方面可以提高目标用户的接收信号强度，另一方面可以抵抗其他信号的干扰。

面向高铁车厢服务公平性的波束功率分配方法

每个车厢长为 L，共有 K 个车厢(图中只画了 8 节车厢，实际仿真考虑了16 节车厢)，每个车厢顶部装有一个 MR，相邻的中继之间的距离为 L，N 表示基站端产生的发射波束数量，基站的高度为h，该小区在轨道的覆盖半径为 R，h 表示基站到轨道的垂直距离，hm是中继的高度，@表示发射波束与接收中继的方向角。

规定当列车尾部中继刚从轨道左侧进入到该小区服务范围时为 0 时刻，当列车头部中继刚好处于小区在轨道上右侧服务边界时为T时刻，考虑优化[0,T]时间内列车的总的移动服务量。

采用典型的“两跳”结构进行数据传输，基站发送的信息包首先传送到 MR，然后每个中继通过该车厢内部的接入点把信息传送给该车厢的所有用户。

列车行驶过程中 MR 和车厢内部用户的相对移动性很低，通信传输质量高。

列车通过内部接入点统计每节车厢内用户的业务类型和总需求量，可以得到每节车厢的最小速率需求，所提出的波束分配方案要考虑满足每节车厢的最小速率需求Rkmin(t)，所以在选择波束时需给定一种发射功率分配方案，方便在选择的过程中能够计算接收速率并验证是否满足条件。

首先假定基站发射功率是均匀的分配给了每个波束，规定每个波束最多给一个车厢提供服务，然后确定最佳的波束分配方案，根据确定的波束分配方案，进一步来优化每个波束的功率分配，最大化整个列车的接收速率。

这种方案的先进性体现在既考虑了波束分配，又优化了功率分配，并且在提升系统移动服务量的同时保证了每节车厢的服务公平性。

参考文献：

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