[发明专利]椭圆小区专用覆盖宽波束传输进行高铁通信的方法和系统

说明书

本发明公开了一种椭圆小区专用覆盖宽波束传输进行高铁通信的方法和系统，包括：建立椭圆小区，小区边界经过轨道最远两端；建立基于椭圆小区的宽波束优化问题，满足离心率e的条件，最大化椭圆小区边缘信噪比SNR，使小区边缘SNR相等；初始化e，优化问题转换为松弛半正定规划SDR问题，迭代更新e，获得最优解X^★；通过X^★获得以波束向量为系数的多项式根，根据多项式根求解多项式系数，得到的波束向量与X^★相比无波束增益损失；波束离线计算并存储，列车通过小区时，基站无需切换波束，只需一个波束覆盖整个小区。本发明建立椭圆小区并进行波束设计，调整离心率获得最优的椭圆小区，得到宽波束能有效提高大范围内高铁通信的覆盖率。

技术领域

本发明涉及高铁无线通信技术领域，特别涉及一种椭圆小区专用覆盖宽波束传输进行高铁通信的方法和系统。

背景技术

高铁以其快捷舒适、安全可靠、高载量、低能耗等特点成为重要的绿色交通工具，得以在全世界快速发展。根据UIC的数据报告显示，截至2020年，世界各地已有超过5.2万公里的高速铁路，预计到2030年至2035年之间，高铁历程将超过8万公里。随之而来的问题是，如何部署高速铁路通信系统，用尽可能少的基站及链路预算覆盖尽可能长的高铁路段，给乘客提供随时随地的泛在网络服务。

考虑到高速铁路长而窄的小区特性，传统蜂窝网络对高铁折衷特殊场景下的通信覆盖效率很低，因此需要设计专用的通信覆盖网络。关于高铁通信的专用网络覆盖研究已经得到了广泛的关注。现有的一些高铁小区专用覆盖网络主要是通过硬件基础设施来实现，比如通过光纤无线通信为高铁通信提供数据传输，采用BBU和RRUs组成一个逻辑小区，通过小区合并避免频繁的小区切换，提高小区覆盖范围。另外，有研究表明，相比圆形小区覆盖，线性小区覆盖可节省链路预算，避免基站的过度覆盖。然而，大规模窄波束提供的线性覆盖在高速移动通信系统中不仅需要频繁切换，而且通信性能受多普勒频移影响严重衰减。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种椭圆小区专用覆盖宽波束传输进行高铁通信的方法和系统，能够有效地提供窄条状的高铁小区的专用覆盖，提高系统的覆盖率。

本发明提出了一种椭圆小区专用覆盖宽波束传输进行高铁通信的方法，包括以下具体步骤：

步骤1建立窄条状的椭圆小区，小区的边界经过轨道最远两端，即调整离心率大小，使椭圆小区接近线性小区；

步骤2建立基于椭圆小区的宽波束优化问题，满足椭圆离心率e的约束条件，最大化椭圆小区边缘SNR，使椭圆小区边缘的SNR均相等；

步骤3初始化离心率e，将优化问题转换为松弛半正定规划(SDR)问题，迭代更新离心率e，获得最优解X★；

步骤4通过X★获得以波束向量w中的元素为系数的多项式根，根据多项式根求解多项式系数，得到的波束向量w与最优解X★相比无波束增益损失；

步骤5波束离线计算并存储，列车通过小区时，基站无需切换波束，只需一个波束覆盖整个小区。

优选的，所述步骤1具体为：

步骤1.1建立窄条状的椭圆小区

假设基站投影到轨道上位于轨道中间位置，以基站为椭圆小区中心，根据基站覆盖高铁轨道的长度L和给定的椭圆离心率e，建立经过小区轨道最远两端的椭圆，分别得到椭圆的长半轴a和短半轴b如下：

其中，d_s(0)表示初始0时刻基站发射端到列车接收端的直视传播距离；通过波束赋形，得到在包含所有直视传播路径的平面内其接收信噪比SNR的等值线为椭圆曲线，调整离心率e的大小，使椭圆小区接近窄条状直线轨道形状，即提高轨道最远端的SNR；

步骤1.2获取直视传播距离