高速铁路通信系统大规模天线技术的应用研究

摘  要：大规模多天线技术（Massive MIMO）被认为是5G的关键技术之一，Small Cell是其低功率的无线接入节点，该技术在天线数以及信号覆盖维度方面比传统技术有量级提升。本文针对高速铁路不同场景，设计出单小区和多小区两种模型，并提出能效最優部署方案。能够为高速铁路5G-R系统中大规模天线技术的应用提供理论支持。

关键词：高速铁路;5G;Massive MIMO;Small Cell;能效

随着中国高铁的不断发展，高速铁路车地信息传输对高速率、高质量和稳定性的需求不断提高。本文研究在不同高速铁路环境下，利用两种基于Massive MIMO系统的Small Cell基站部署方案，控制整个系统的功率消耗，实现最大化能效，保证5G-R通信系统的可靠性和稳定性，这对高铁5G网络规划与建设、无线通信网络优化具有重要参考意义。

1.系统模型

针对中国高速铁路线路分布和组网情况，本文提出了单小区均匀部署和多小区非均匀部署两种模型，可以适用于线路单一、行车数量较少的场景和多线路交叉并线区段场景。在单小区系统模型中，宏基站部署在整个小区的中心位置，Small Cell以一定比例均匀部署在宏基站覆盖半径的不同位置，用户随机分布在整个区域内;多小区系统模式适用于高速铁路繁忙干线、多小区、多用户的情景，模型利用泰森多边形的网络拓扑结构来模拟多小区的网络系统，Small Cell的服务范围对Macro Cell进行补强，这样对于繁忙干线或者地势复杂的线路，可以大大提高覆盖率和切换质量，同时Small Cell成本较低，也可以降低建设成本。

2 最优无线接入节点部署方案

2.1  单小区优化部署方案

单小区系统模型适用于线路单一，行车数量较少的区段，如呼和浩特铁路局新上线、响四线等线路，宏基站和Small Cell的交互通过无线链路相互连接，每一个用户可以被多个基站服务.即用户可以同时接收到宏基站与Small Cell的发送信号，宏基站和Small Cell共同服务用户时的信干噪比（SINR）表示为 。单小区系统模型的能效EE表示为 式中  表示基站正常工作所需要的功耗，P dynamic为基站的实际发射功率，系统总功率消耗为两者之和。

2.2  多小区优化部署方案

在多小区优化方案中，主要考虑在组网复杂的高铁线路下Massive MIMO系统中多用户多小区的下行链路，在保证良好服务质量的同时，实现能效最大化。并在此基础上，研究如何选择多小区系统模型的基站发射天线数和基站密度。系统功率消耗PC表示辐射功率和模拟硬件的损耗、回程信令和开销成本之和，表示为 式中，K为用户数，M为宏基站天线，S为小区数。

3  仿真分析

3.1  单小区仿真分析

通过仿真结果得出，当Small Cell放置在宏基站不同距离的半径内，系统功耗会有差别，并且功耗随着QoS值的增加而增加。Small Cell距离宏基站 200m和450m处的位置时，功耗最大，距离 350m出系统总功耗最小。所以在这种情况下，将Small Cell部署在距离宏基站350米附近的位置上最优，此时覆盖效果好，功率损耗低。从不同宏基站天线下的功耗仿真试验得出，增加宏基站天线数量可以降低功耗，但无限制的增加又会增加功耗。因此，宏基站天线数不能无限增加，试验得出，当宏基站天线数为40，Small Cell距离宏基站为350m时系统总功耗最少。

3.2  多小区仿真分析

在多小区系统模型仿真实验得出，Massive MIMO系统的能效随着宏基站天线数量的增加而增加，当天线数量达到 120 根，并且将宏基站以距离内部区域半径500m进行部署，多小区系统模型的能效接近于最优。通过上文的理论分析得知，无限制的部署Small Cell是不切实际的。所以，对Smal Cell的泊松分布密度λ2取1到10 BS / km2的区间进行仿真。当Small Cell以基站密度λ=7 BS / k m2 和宏基站天线数M=120时，多小区系统模型的能效最高。

4  结论

通过分析和仿真试验表明，利用单小区和多小区两种基于Massive MIMO系统中的Small cell部署方案，可以有效提高系统能效，满足5G-R高速铁路车地信息传输对高速率、高质量和稳定性等方面的需求。随着高速铁路的快速发展及运行速度的不断提高，对车地通信业务和传输数据质量要求将不断增加，采用Massive MIMO技术保证通信质量将是高速铁路通信的发展方向。

参考文献：

[1] G. Auer et al.， “How much energy is needed to run a wireless network？，”IEEE Trans. Wireless Commun.， vol. 18， no. 5， pp. 40-49， Oct. 2011.

[2] D. Ng， E. Lo， and R. Schober， “Energy-efficient resource allocation in OFDMA systems with large numbers of base stationantennas，” IEEE Trans. WirelessCommun.， vol. 11， no. 9， pp. 3292–3304， 2012.

姓名：冯铎（1993.06--）;性别：男;籍贯：内蒙古自治区;民族：汉族;学历：本科，毕业于珠海科技学院;现有职称：助理工程师;研究方向：铁路通信。