高铁场景下波束成形技术研究现状|轨道交通车地间毫米波通信技术

用于定向传输信号的波束成形技术可有效结合毫米波与大规模MIMO 技术，用来提高高速铁路无线通信系统的频谱效率和能量效率。波束成形利用大规模天线阵列对多天线阵元接收到的各路信号进行加权合成，并对预编码进行设计，形成所需的理想信号[45]。在通信线路中，波束成形具有较高的增益特性，其原因在于可以调整发射端天线阵列的载波相位来实现接收端的信号相干结合。同样，在高速铁路通信系统中，考虑到列车位置已知，可在第一跳链路中利用轨旁基站定向发射波束至列车端，以此来提高高铁环境下的频谱增益。

1. 波束成形技术及其特点

波束成形技术可以对大规模MIMO 系统中天线阵列的方向图进行控制，可将能量集中在列车方向，如图1.3 所示。在第一跳链路中利用波束成形技术能够较好地服务于高铁场景下的无线通信，提高系统的频谱效率和传输速率。

图1.3　高速铁路定向波束成形

在高速列车波束成形技术中，高铁移动车厢终端配置有天线阵列。考虑轨旁基站对机车位置是可知且可预测的，利用波束成形技术，设计合理的预编码权重因子，不断调整天线阵列的天线阵元的相位角，可以根据列车位置在一个方向上生成高指向性波束，用于定向覆盖机车[46]。而这些波束成形权重因子需要进行联合优化[47，48]。一般来说列车会车次数并不高，车厢的个数有限，因而可以利用波束成形技术将毫米波能量集中于高速列车。该高指向性波束由于具有较高的能量辐射，可以有效地消除对同频小区的车载台造成的不必要干扰，并提升系统的能量效率。

2. 高铁场景波束成形技术关键问题及研究现状

高铁场景下的波束成形技术的应用，可以克服毫米波的路径损耗较大的缺点，在结合大规模MIMO 技术获得阵列增益后，对系统传输信号的预编码进行设计，可以有效地提高系统的传输性能。从信号传输角度来讲，波束成形技术通常使用预编码技术来实现。传统的波束成形预编码方案有数字预编码和模拟预编码，两者结构如图1.4 所示。

图1.4　传统波束成形技术中两种预编码结构(www.xing528.com)

已有较多文献关注于预编码技术在高铁场景中的研究[46，49，50]。该技术主要包括数字预编码、模拟预编码、混合预编码三种。如图 1.4（a）在数字预编码中，每一个RF 链都需要对应的天线与之链接，该结构不仅可以改变发射信号的幅度，同时也能根据需要改变发射信号的相角，具有较好的灵活性。但当该结构应用于大规模天线阵列时，其硬件成本及系统复杂度大大增加，不利于实际的应用[50]。模拟预编码只需要应用单个RF 链，如图1.4（b）所示，与之对应的是使用大量的移相器来对发射信号的相位进行调整，进而形成定向波束。该结构与数字预编码相比使用的RF 链大大减少，具有良好的经济性，然而其只能改变信号的相位，灵活性较差[46]。

与两者相比较为折中的方案为使用混合波束成形，即结合使用RF 链和移相器，利用混合预编码技术在系统性能与灵活性之间实现了折中[45]，其结构如图1.5 所示，可分为全连接结构和部分连接结构。该结构在设计最优的混合预编码后，可达到近乎与数字波束成形相近的性能，同时又可以降低系统的硬件成本和复杂度[51]。

图1.5　混合波束成形系统中两种混合预编码结构

对于应用于不同场景的混合预编码方案，目前具有代表性的混合预编码方案如表1.3 所示。在混合预编码结构中，需要进行最优化的混合预编码矩阵的设计，以期达到最优的系统频谱效率。在毫米波大规模MIMO 系统中的混合预编码矩阵设计时，需要联合优化数字预编码矩阵和模拟预编码矩阵[60]。模拟预编码受幅值的限制，其相位角可调。而混合预编码矩阵受发射功率的限制，其联合优化问题的求解限制条件表现出非凸特性，这增加了混合预编码设计的难度与复杂度[61，62]。针对求解最佳混合预编码时遇到的非凸约束条件和CSI 的特点，在全连接混合预编码结构中，分别应用于单用户和多用户的空间稀疏政教匹配追踪[52]和无监督聚类学习[54]等技术方案被提出；同时，在部分连接混合预编码结构中，分别应用于单用户和多用户的连续干扰消除[56]和等增益传输与破零波束成形[58]等技术方案也被提出。这些方案都在一定程度上提升了系统性能。

表1.3　现有部分代表性混合波束成形方案总结

注：CSI 为信道状态信息。

在上述关于混合预编码技术方案的文献中，无论是利用分层多分辨率码本设计思路为目的的混合预编码技术，还是基于等增益传输与迫零（Zero Force，ZF）算法的多用户场景下的混合预编码方案，大多数都未进行系统能量效率的分析和优化，如何利用这种情况下的预编码技术来提升系统的传输性能并降低系统的能耗也是高铁场景下需要解决的问题。