一种高空通信平台高铁通信的波束切换及时隙分配方法

本发明涉及高空通信，尤其涉及一种hap(high altitude platform，高空通信平台)高铁通信的波束切换及时隙分配方法。

背景技术：

1、基于3gpp(3rd generation partnership project，第三代合作伙伴计划)lte(long term evolution，长期演进)-r的当前铁路通信系统存在许多缺点。这些缺点将严重影响铁路通信服务的安全性、可靠性和稳定性。首先，lte-r网络的覆盖、运维复杂且困难。主要原因是lte-r网络受到地形的严重影响。例如，山区存在严重的通信信号阻塞，部署的天线容易受到天气影响，导致覆盖不足等问题。然而，lte-r承载大量重要服务，如紧急通信、列车控制和调度。因此，运维人员需要及时获取网络数据，在现场找到位置并处理潜在的网络问题。其次，lte-r的带宽有限。随着列车通信设备数量的增加，lte-r难以承载大量设备之间的通信，难以为每个设备提供有效和稳定的接入，这将导致一些设备下线。最后，lte-r的无线网络小区覆盖相对较小。随着列车高速运行，车辆间、车地间的通信链路需要频繁进行小区间切换，难以确保通信链路的安全性。尽管在高速铁路通信领域有成熟的系统，但它们仍无法满足不断发展的通信需求。受网络容量和覆盖限制，地面通信系统单独无法在全球范围内提供高数据速率和可靠性的无线接入服务，特别是在海洋和山区等恶劣环境中。因此，必须在各种情况下使用新的网络架构，以适应具有不同服务和应用的不同服务质量要求。hap(high altitude platform，高空通信平台)是指在海拔2万米以上运行的空中系统或平台，可在较长时间内保持在高空。这些平台可以在数天、数周甚至数月内保持在高空，提供通信、监视、侦察和环境监测等各种服务。和地面基站相比，hap能够提供更大范围的通信覆盖。hap的发展充分利用了地面和卫星系统的优势，因此，发展高铁空地网络将是实现全球无缝覆盖，以及通信网络发展的不可避免的趋势。

2、高铁毫米波通信引起了学术界的广泛关注。现有技术有方案提出了一种非均匀波束成形的机制，通过对不同波束对应的覆盖区域进行划分，以尽可能减小波束之间的性能差异。还有方案提出了一种自适应的非均匀混合波束成形算法，旨在最小化由位置引起的速率差异。尽管高铁通信存在许多可能导致性能波动的特点，但由于其移动轨迹具有可预测性，可以利用这一特点来提升通信质量。还有方案利用了列车轨迹的规律性，提出了一种快速波束对准的机制，以实现快速的波束切换。还有方案分析了从hap向多个高速列车同时提供高数据速率通信的问题，研究了对列车数量、到达方向的估计问题，以及对列车进行追踪的算法，同时给出了列车在隧道、车站等不同场景下的估计方法。研究了从多个hap到多个高速列车同时进行下行传输的协作波束成形问题，hap配有多天线，列车配有单天线，信道随时间变化，服从莱斯分布，而且是已知的，分析了hap分别采用mrt(最大比传输)、zfbf(零离波束成形)和slnr-max(最大信号干扰比)三种不同的波束成形器下的系统性能，并给出了总体可实现的吞吐量。

3、上述现有技术中hap高铁通信的波束切换及时隙分配方法的缺点包括：

4、(1)现有高铁通信的许多研究是关于车地通信的，即列车和基站间的数据传输。然而，在空天地车一体化的愿景中，空中基站和列车的通信是必不可少的一部分。空中基站将在地面网络覆盖区域外提供覆盖区域填充。充分利用hap的容量覆盖优势，为列车提供比卫星更高的容量，并覆盖比地面更广泛的区域。因此，hap-高铁通信仍然进一步研究。

5、(2)针对波束切换的许多问题集中在波束切换的算法设计上，设计不同的估计算法进行波束追踪来提高准确度。但从通信过程的时间角度来看，波束切换通常还和导频开销有关，即时隙分配问题。时隙的分配涉及到波束扫描准确性和传输速率的折衷问题。联合时隙分配以及波束追踪过程对系统性能尤为重要。因此，高铁通信中的时隙分配和波束切换仍需进一步研究。

6、(3)在车地通信中，基站固定在地面，基站不会产生移动，不对信道产生影响。然而，由于hap位于平流层，有可能受到气流等因素影响产生扰动或随机移动，从而改变发送端和接收端的信道，甚至列车有可能因为hap的移动而陷入波束的覆盖范围之外。在窄波束情况下，hap的扰动对系统产生的性能影响可能很大，针对hap的随机移动的研究仍然较少。

技术实现思路

1、本发明提供了一种hap高铁通信的波束切换及时隙分配方法，以实现有效地提高hap高铁通信的效率。

2、为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

3、一种高空通信平台高铁通信的波束切换及时隙分配方法，包括：

4、建立高空通信平台hap和高速列车间的点对点通信模型，hap的天线模型、移动模型和接收信号模型；

5、根据hap和高速列车间的点对点通信模型，hap的天线模型、移动模型和接收信号模型，建立最大化数据量优化问题；

6、通过算法求解所述最大化数据量优化问题，得到高空通信平台高铁通信的最优的波束方向和时隙分配结果。

7、优选地，所述的建立高空通信平台hap和高速列车间的点对点通信模型，包括：

8、hap系统采用定向波束，hap随机移动，列车的行驶速度v和位置是已知的，列车通过低频段反馈链路反馈信号与干扰加噪声比snr信息给hap系统，hap系统采用时分复用工作方式，时间被划分为互不重叠的时间帧，帧长为1ms，每帧包括5个子帧，每个子帧有8个时隙，列车的路径损耗和接收snr每间隔设定距离发生变化，在不同的列车行驶速度下，保持静止的时隙数也相应不同。

9、优选地，所述的建立hap的天线模型、移动模型和接收信号模型，包括：

10、设置hap的天线模型包括：hap的定向天线方向图为：

11、

12、其中，θ-3db为半功率波束宽度，θ2＝3.745θ-3db，x＝ln+alog10(θ2)，ln＝-20db，lf＝-30db，a＝20，

13、hap的天线增益为：

14、g＝max(ga+ge,lf)+gp

15、ga和ge分别为方位角方向和仰角方向的天线增益，θa,-3db和θe,-3db分别为方位角平面的半功率波束宽度和仰角平面的半功率波束宽度；

16、设置hap的移动模型为：hap的移动发生在xoy平面，在第t时隙内，hap的位置坐标为qt＝(qx,t,qy,t,qz,t)，hap在t+1时隙内的坐标为：

17、qt+1＝qt+vt

18、其中vt＝(vx,t,vy,t,vz,t)，vx,t，vy,t和vz,t分别表示hap在x轴，y轴和z轴的变化量，用伯努利分布描述hap是否发生移动，hap以概率ps保持静止，以概率1-ps发生移动，如果发生移动，移动服从截断高斯分布，即：

19、

20、其中，nt(0,σ2,a,b)表示均值为0，方差为σ2的截断高斯分布，vx的取值需落在区间(a,b)内，σ2＝200，(a,b)＝(-500,500)；

21、hap的接收信号模型为：假设列车车顶的外部设置有移动中继mr，hap和列车的通信等价于hap和mr的通信，mr的位置即表示列车的位置，在第t时隙内，mr的位置坐标为mt＝(mx,t,my,t,mz,t)，hap在第t时隙内的发送的波束方向为θt＝(θa,t,θe,t)，地面上的最大增益位置的坐标为：

22、bt＝(bx,t,by,t,bz,t)

23、其中，bx,t＝qx,t+htan(θe,t)cos(θa,t)，by,t＝qy,t+htan(θe,t)sin(θa,t)，bz,t＝h＝20km，hap到mr的距离为：

24、

25、利用自由空间路径损耗公式计算路径损耗为：

26、

27、其中，c＝3×108m/s，f＝20ghz；

28、mr在第t时隙的接收snr为：

29、

30、其中，pt＝35dbm，gt(θa,t,θe,t)为发送天线增益，gr＝0dbm，n0＝-173dbm/hz，w＝200mhz；

31、二元变量et∈{0,1}表示时隙t的分配，et＝0表示时隙t用来进行导频传输，et＝1表示时隙t用来进行数据传输，时隙t的传输速率为：

32、r(t)＝etwlog2(1+γ(t))

33、总传输数据量为：

34、

35、其中，t所为给定列车行驶距离内的总时隙个数。

36、优选地，所述的根据hap和高速列车间的点对点通信模型，hap的天线模型、移动模型和接收信号模型，建立最大化数据量优化问题，包括：

37、根据hap和高速列车间的点对点通信模型，hap的天线模型、移动模型和接收信号模型，建立下述公式(8)所示的最大化数据量优化问题：

38、

39、其中，目标函数中的d为列车在给定行驶距离内的总传输数据量，二元变量et表示时隙t的分配方式，用于导频传输或者数据传输，θa,t表示hap在时隙t时的天线方位角角度，取值在0°到360°之间，θa,t表示hap在时隙t时的天线仰角角度，取值在0°到360°之间，通过对每个时隙的分配方式，天线仰角和方位角进行优化，使d最大化；

40、约束条件1表示每个时隙要么用于导频传输，要么用户数据传输，约束条件2表示波束方向的方位角范围，约束条件3表示波束方向的仰角范围；

41、令e＝[e1,...,et]，θa＝[θa,1,...,θa,t]，θe＝[θe,1,...,θe,t]，t为总给定距离内的总时隙数量。

42、优选地，所述的通过算法求解所述最大化数据量优化问题，得到高空通信平台高铁通信的最优的波束方向和时隙分配结果，包括：

43、将mr表示为点m，mr的波束方向表示为(θa,θe)，mr的方位角平面和仰角平面的波束宽度分别为(bwa,bwe)，设置hap系统的当前波束方向θt＝(θa,t,θe,t)，波束分辨率参数δθa,δθe。三维空间中的方向由方位角和仰角共同决定，分别用下标a和下标e表示。输出数据是优化之后的波束方向和时隙分配结果。

44、在第一个时隙内，t＝1时，hap波束已经对准列车，初始接入过程已经完成，从t＝2第二个时隙开始，hap获得列车的实时接收snr的值，将当前时隙的snrγ(t)和前t-1个snr的平均值进行比较，如果当前时隙的snr比前t-1个snr的平均值下降了大于0.1db，则触发波束扫描，即et＝1，将当前时隙分配给导频传输；如果当前时隙的snr比前t-1个snr的平均值下降值小于0.1db，则et＝0，当前时隙进行数据传输，波束方向和上个时隙的波束方向一致；

45、当et＝1时，设当前波束的角度为θt＝(θa,t,θe,t)，波束扫描的方向为如下9个方向：

46、{(θa,t-δθa,θe,t+δθe),(θa,t,θe,t+δθe),(θa,t+δθa,θe,t+δθe),

47、(θa,t-δθa,θe,t),(θa,t,θe,t),(θa,t+δθa,θe,t),

48、(θa,t-δθa,θe,t-δθe),(θa,t,θe,t-δθe),(θa,t+δθa,θe,t-δθe),}

49、其中，δθa和δθe分别表示方位角平面和仰角平面的波束分辨率，对上述9个方向发送导频之后，mr通过比较挑选出信号质量最强的波束，将信号质量最强的波束方向反馈给hap，hap调整波束方向为所述信号质量最强的波束方向。

50、优选地，所述的mr通过比较挑选出信号质量最强的波束，hap调整波束方向为所述信号质量最强的波束方向，包括：

51、hap位置为qt＝(qx,t,qy,t,qz,t)，假设波束方向为(θa,t,θe,t)，地面上的最大增益位置的坐标为：

52、bt＝(bx,t,by,t,bz,t)

53、其中，bx,t＝qx,t+htan(θe,t)cos(θa,t)，by,t＝qy,t+htan(θe,t)sin(θa,t)，bz,t＝h＝20km；

54、列车的位置为mt＝(mx,t,my,t,mz,t)，列车所处位置的天线增益用天线方向图计算，假设列车在m点，hap在o点，b为视轴点，首先计算m点和b点之间的方位角偏离角δθa＝∠aob和仰角偏离角δθe＝∠cob，然后将两个偏离角分别带入天线公式得到m点处的天线增益，为g＝max(ga+ge,lf)+gp，其中ga＝gpattern(δθa)，ge＝gpattern(δθe)；

55、计算接收不同波束方向有不同的snr，在这9个波束方向内，选择snr最大的那个波束方向作为hap调整后的波束方向。

56、由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明考虑hap作为空中基站与列车进行下行通信。hap采用定向天线发送窄波束来增加天线增益，从而对抗严重的路径损耗，但是由于hap的随机移动以及列车在行驶，列车有可能落入波束范围之外，此时需要执行波束切换。针对此问题，本发明设计了时隙分配算法、给出了波束切换的触发条件、设计了低复杂度的波束训练算法来最大化列车在一段距离内的总传输数据量，同时降低导频开销。

57、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。