轨道交通车地间毫米波通信技术研究现状及成果

为了提升高速铁路无线通信系统的接入速率和容量，除了利用大规模MIMO 技术的增益优势之外，另一个简单、直接的方式就是在无线通信系统中拓展频谱资源，使用更高频段的毫米波。随着5G 移动通信的到来，毫米波逐渐进入研究者的视野。

1. 毫米波技术及其特点

毫米波由于可以提供更为广阔的频谱资源与更大数量级的带宽，且可实现无线通信的速率大幅度提升，使得毫米波无线通信成为当今的研究热点[22-24]。早期毫米波无线通信技术的应用主要集中于卫星和雷达军用系统上[25]。在民用频谱资源越来越紧缺的情况下，毫米波段拥有巨大的频谱资源，所以使用毫米波频段成为大规模MIMO 通信系统的首要选择之一[26]。

毫米波是指频率范围为30～300 GHz 的电磁波[27]。毫米波的带宽可达270 GHz，超过从直流到微波全部带宽的10 倍，拥有极宽的带宽。用于发射毫米波的设备所需的天线尺寸很小，易于在较小的空间内集成大规模天线阵[28]。在相同天线尺寸下，毫米波的波束要窄于微波的波束，且与激光相比，毫米波的传播受气候的影响要小得多，可以认为具有全天候特性，且由于其频段高、干扰较少，所以传播稳定可靠[29]。然而，由于毫米波频率较高、波长较短，以及传播环境的吸收和散射，无线信号通过大气传播时会产生信号衰减损耗，且易受天气、温度、湿度等环境因素的影响[30]。同时，由于波长较短，使得毫米波在传输过程中的传播距离较短。

为了能够更好地将毫米波应用于室外的无线通信，可以利用大规模MIMO 技术和波束成形技术来改进毫米波通信系统的缺点。毫米波大规模MIMO 系统在使用波束成形技术进行无线通信时，拥有较大的带宽、较高的传输速率以及较大的频谱效率等优点。

2. 高铁场景下毫米波技术关键问题及研究现状

在现代无线通信系统中，由于毫米波频段带宽较大，拥有较高的频谱资源，且大部分频段都未实际应用，使得在高频频段的开发利用毫米波对当今无线通信性能的提升具有重要意义[31]。然而，从毫米波的实际应用场景考虑，其主要的瓶颈在于如何克服信号损耗、阴影衰落、硬件设备功率消耗等问题[32]。为了克服毫米波无线通信过程中的路径损耗问题，一种较为有效的方法是将大规模MIMO 技术与波束成形技术结合[33]，利用大规模天线阵列产生高增益的定向波束来提高无线通信的性能，用波束成形所带来的巨大增益抵消其在传输过程中的损耗。在毫米波无线通信系统中，为了进一步地降低硬件成本和系统的复杂度，采用混合波束成形结构可以达到良好的性能[32-34]。(www.xing528.com)

为了提高铁路无线通信的系统容量和传输速率，使用毫米波进行高速铁路的无线通信已经成为研究的趋势，其与大规模MIMO 技术和波束成形技术的结合也有一定的研究成果[35-37]。在高铁场景下，列车车身可视为配置移动中继基站，毫米波无线通信的研究可以根据车身中继基站的通信对象分为两种链路结构：第一跳链路结构为轨旁基站与车载天线阵列的通信，第二跳链路结构为车载接入点天线与列车内用户之间的通信[38]。

当今对毫米波通信的研究，根据两种链路结构可以分为两种类型。一种是在第一跳链路和第二跳链路分别使用微波频段、毫米波频段，利用多个频段进行系统的组网，对高速铁路无线通信进行组网[39]。然而，该类型的通信方案在第一跳链路只使用了微波进行车载通信，使得整个高速无线通信的性能被大大降低，限制了整个通信系统的通信容量。第二种类型是将毫米波用于第一跳链路结构中，且利用波束成形技术来提高系统增益[40，41]。在高铁环境下，通过研究毫米波信道的时间和空间特性，可以针对高铁环境的角域信道跟踪和混合波束成形，在到达角时间内跟踪空间波束增益，使得空间波束增益可以进一步得到提升[40]。此外，利用毫米波频段可以进行混合空间调制波束成形，其方法为在数字领域利用空间调制技术激活天线阵列，在模拟领域选择最佳波束，该方案几乎可以实现传统MIMO 难以实现的多天线增益[41]。在高铁环境下，较为突出的毫米波传输的相关技术以及方案如表1.2 所示。

表1.2　毫米波传输相关技术与方案

本书主要基于第二种思路展开，即第一跳链路中使用毫米波频段进行数据传输。如何将毫米波与波束成形技术互补结合，仍是目前研究的热点。