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文章來(lái)源：《中國(guó)鐵路》編輯部 源網(wǎng)址：https://mp.weixin.qq.com/s/TAtVI32RU1PvNRKldsuD8A 陳雍玨， 華為技術(shù)有限公司 陸曉磊，華為技術(shù)有限公司 李少華， 華為技術(shù)有限公司 趙偉， 華為技術(shù)有限公司 鄧小市，華為技術(shù)有限公司 劉曄， 華為技術(shù)有限公司 曾毅，華為技術(shù)有限公司

0?引言

從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，我國(guó)開(kāi)始建設(shè)鐵路專用無(wú)線通信系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)幾十年的應(yīng)用發(fā)展和技術(shù)積累，已經(jīng)形成了一套與鐵路管理體制相適應(yīng)、符合鐵路行業(yè)應(yīng)用要求的鐵路無(wú)線通信技術(shù)體系。隨著我國(guó)鐵路技術(shù)和裝備的快速發(fā)展，鐵路從高速化向智能化升級(jí)的方向進(jìn)一步明確。國(guó)家鐵路局明確提出要以5G、北斗等新技術(shù)開(kāi)始賦能鐵路的智能化升級(jí)發(fā)展。 相比于傳統(tǒng)鐵路，智能鐵路在業(yè)務(wù)上提出更高的要求，多媒體調(diào)度、車(chē)車(chē)通信的列車(chē)接近預(yù)警信息、新一代列控、超視距監(jiān)控等新的應(yīng)用都需要無(wú)線通信系統(tǒng)提供更高和更可靠的數(shù)據(jù)承載能力。與此同時(shí)，多輸入多輸出（Multiple-input Multiple-output，MIMO）技術(shù)從4G長(zhǎng)期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）時(shí)代開(kāi)始發(fā)展，并成為5G時(shí)代的核心技術(shù)，MIMO技術(shù)可以給系統(tǒng)覆蓋、容量帶來(lái)巨大提升。在鐵路關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景下，MIMO在發(fā)揮性能提升價(jià)值方面是5G-R技術(shù)研究的一個(gè)重要方向。

1?5GMIMO標(biāo)準(zhǔn)與學(xué)術(shù)界進(jìn)展

第3代合作伙伴計(jì)劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）協(xié)議從LTE時(shí)代開(kāi)始涉及MIMO，LTE的第1個(gè)版本是Rel-8，第3個(gè)版本Rel-10，基站開(kāi)始涉及8T8RMIMO（見(jiàn)圖1）。

圖1 3GPP標(biāo)準(zhǔn)MIMO相關(guān)技術(shù)情況

隨著Release版本的不斷演進(jìn)，LTE基站的MIMO數(shù)也從8端口演進(jìn)到了最多32端口，更適合MIMO的傳輸模式9（Transmission Mode9）終端也在標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行了定義。至5G階段，在Rel-15和Rel-16中，基站側(cè)MIMO的能力進(jìn)一步演進(jìn)，基站具備64端口乃至更多端口的理論基礎(chǔ)，而能夠?qū)崿F(xiàn)更優(yōu)MIMO性能的終端TM9模式也成為終端產(chǎn)業(yè)認(rèn)同需要具備的關(guān)鍵能力。 高鐵場(chǎng)景和MIMO技術(shù)也獲得了眾多專家學(xué)者的關(guān)注。Chen等提出高鐵視距通信場(chǎng)景下的將波束成型與分析結(jié)合的方案。Wang等根據(jù)開(kāi)闊空間、高架橋、丘陵地形、車(chē)站等場(chǎng)景，歸納了典型高鐵場(chǎng)景的信道特征。高速鐵路在開(kāi)闊空間、高架橋、路塹、丘陵地帶等場(chǎng)景，都有學(xué)者進(jìn)行研究和建模。Liu等在高速可見(jiàn)光通信模型中研究了MIMO自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)。 MIMO相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)與增強(qiáng)以及學(xué)術(shù)界的研究，為鐵路5G專網(wǎng)應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)?；谏鲜鲅芯砍晒M(jìn)一步分析，在此重點(diǎn)探究5GMIMO關(guān)鍵技術(shù)在鐵路關(guān)鍵場(chǎng)景中的適應(yīng)性問(wèn)題。

2?5GMIMO技術(shù)與增益

2.1 5GMIMO系統(tǒng)模型與增益

以基站到終端下行為例，可以將5GMIMO技術(shù)抽 象為數(shù)學(xué)模型（見(jiàn)圖2）。

圖2 M發(fā)N收多天線系統(tǒng)示意圖

對(duì)于每根接收天線來(lái)說(shuō)，理論上它會(huì)收到來(lái)自所 有發(fā)射端天線的信號(hào)，即每根發(fā)射天線和每根接收天線之間會(huì)存在1個(gè)空間信道，其空間信道上的數(shù)據(jù)傳輸變化用hnm表示。

2.2 天線陣列技術(shù)

天線陣列是指增加通信系統(tǒng)的天線個(gè)數(shù)，在接收端通過(guò)多個(gè)天線的多路信號(hào)進(jìn)行相干合并。由于天線陣列上的不同天線白噪聲不相關(guān)，合并后的噪聲功率保持不變，而不同天線上的信號(hào)是相關(guān)的，合并后信號(hào)能量成倍提高，因此合并能夠提高信號(hào)的平均信干噪比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR），從而提升系統(tǒng)覆蓋。其原理示意見(jiàn)圖4。

圖4 陣列增益示意圖

2.3 空間分集技術(shù)

空間分集又分為空間發(fā)射分集和空間接收分集，空間發(fā)射分集是通過(guò)多個(gè)天線承載相同信息的多個(gè)信號(hào)副本，接收分集是接收端的多個(gè)天線收到多個(gè)互相獨(dú)立而又?jǐn)y帶同一信息的信號(hào)。分集的核心思想是各路信號(hào)同時(shí)發(fā)生深衰落的概率很低，從而合成信號(hào)發(fā)生深衰落的概率大大降低，分集技術(shù)不能提高接收端的平均SINR，只會(huì)讓SINR更穩(wěn)定。 對(duì)于5G蜂窩系統(tǒng)，由于終端的MIMO數(shù)一般是固定的，所以增益主要來(lái)自于上行空間接收分集。上行接收分集原理見(jiàn)圖5，為圖2下行模型的逆過(guò)程。

圖5 接收分集原理

2.4 空間復(fù)用技術(shù)

空間復(fù)用是指多個(gè)天線發(fā)送不同的數(shù)據(jù)，利用空間傳播中的多徑分量，實(shí)現(xiàn)信道容量的提升。當(dāng)信道的衰落存在一定獨(dú)立性時(shí)，無(wú)線信道可以等效為多個(gè)并行互不干擾的子信道，每個(gè)子信道都對(duì)應(yīng)1個(gè)容量。因此MIMO信道的極限容量能夠隨著發(fā)射接收天線數(shù)線性增加。 空間復(fù)用又可進(jìn)一步細(xì)分為單用戶MIMO（Single User MIMO，SU-MIMO）和多用戶MIMO（Multi User MIMO，MU-MIMO）。

2.5 干擾抑制技術(shù)

干擾抑制是利用干擾信號(hào)的空間有色性，對(duì)干擾進(jìn)行抑制，通過(guò)提升處理后信干噪比獲得增益。當(dāng)采用MIMO系統(tǒng)，并且空間干擾存在一定的有色性時(shí)，通過(guò)多個(gè)天線可以對(duì)干擾的有色性進(jìn)行估計(jì)，利用這個(gè)信息對(duì)干擾進(jìn)行抑制。5G主要在基站利用干擾抑制合并（Interference Rejection Combining，IRC）多天線干擾抵消技術(shù)，提高信號(hào)的平均SINR，為系統(tǒng)帶來(lái)干擾場(chǎng)景下的增益。

3?鐵路場(chǎng)景下的適應(yīng)性分析

不同鐵路應(yīng)用場(chǎng)景有不同特點(diǎn)，同樣，在不同場(chǎng)景下也應(yīng)采用最適合的MIMO技術(shù)。鐵路場(chǎng)景可分為正線、站場(chǎng)/車(chē)站、局/段/所等區(qū)域、交叉并線區(qū)域等4類。

3.1 正線

正線場(chǎng)景的特點(diǎn)是線狀網(wǎng)絡(luò)覆蓋，且同時(shí)大部分情況下列車(chē)車(chē)載終端移動(dòng)速度快，速度最高可達(dá)350km/h，高速主要造成多普勒頻率偏移，使得終端出現(xiàn)吞吐量低的問(wèn)題。 在該場(chǎng)景下，高速移動(dòng)、線狀網(wǎng)絡(luò)2個(gè)特點(diǎn)不影響不同天線上白噪聲的相關(guān)性，不影響多天線多個(gè)獨(dú)立的衰落信號(hào)合并，也不影響多天線IRC，所以MIMO的天線陣列增益、空間分集增益、干擾抑制增益仍可以獲得。對(duì)于空間復(fù)用的SU-MIMO，多流對(duì)多個(gè)信道間的獨(dú)立性要求高，而高速移動(dòng)的終端不同MIMO間信道的相關(guān)性在不斷變化，所以難以進(jìn)入高階的多流狀態(tài)。結(jié)合產(chǎn)業(yè)界信息，高鐵上的普通5G手機(jī)，對(duì)應(yīng)為2發(fā)4收（2T4R）終端，一般可以達(dá)到下行1流、2流，少部分達(dá)到3流。5G-R正線場(chǎng)景下，預(yù)計(jì)SU-MIMO可以進(jìn)入1流、2流。對(duì)于MU-MIMO，由于覆蓋區(qū)域?yàn)榫€狀，5G-R車(chē)載終端之間間距較近進(jìn)而有較強(qiáng)的相關(guān)性，獨(dú)立性不好，且終端移動(dòng)速度高，不同信道的相關(guān)性不斷變化，因此該場(chǎng)景不適用MU-MIMO。 經(jīng)過(guò)業(yè)界調(diào)研，開(kāi)始在2.1GHz頻段5G頻分雙工（Frequency Division Duplex，F(xiàn)DD）主要的宏站射頻模塊形態(tài)有2T2R、4T4R，經(jīng)過(guò)5GFDD產(chǎn)業(yè)2~3年的發(fā)展，8T8R也逐漸走向成熟。在正線場(chǎng)景，高階的MIMO相比于低階，主要可以獲得覆蓋增益，一方面上行可以獲得3dB分集增益，另一方面下行可以獲得3dB波束賦形增益。假設(shè)基于同樣對(duì)比條件，如相同的基站天線增益、基站天線高度、終端高度、終端天線收發(fā)數(shù)、外界干擾等，同時(shí)假設(shè)基站2T2R與4T4R射頻拉遠(yuǎn)單元（Remote Radio Unit，RRU）有同樣的單通道功率，基站4T4R與8T8RRRU有同樣的總功率，理論估算對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 正線場(chǎng)景不同MIMO系統(tǒng)比較

可以看到高階的MIMO對(duì)應(yīng)有更好的覆蓋能力，同樣邊緣速率條件下，4T4R相比2T2R提升20%站間距，8T8R相比4T4R提升20%站間距。結(jié)合業(yè)界情況，推薦5G-R在正線場(chǎng)景采用4T4R、8T8R，可部署更大的站間距從而降低線路建網(wǎng)成本。

3.2 站場(chǎng)/車(chē)站

站場(chǎng)/車(chē)站的特點(diǎn)是面狀網(wǎng)絡(luò)覆蓋，并且大部分情況下，車(chē)輛、人員是在靜止或者低速移動(dòng)的狀態(tài)。 在該場(chǎng)景下，MIMO的天線陣列、空間分集、干擾抑制技術(shù)可以正常使用；對(duì)于SU-MIMO，MIMO天線信道獨(dú)立性好的環(huán)境下，手持終端（假定2T4R條件）可實(shí)現(xiàn)下行4流、上行2流，車(chē)載終端（假定為1T2R）可實(shí)現(xiàn)下行2流、上行1流；對(duì)于MU-MIMO，假定在大容量業(yè)務(wù)前提下，如果終端滿足面狀分布同時(shí)又距離較遠(yuǎn)，終端之間相關(guān)度低，下行數(shù)據(jù)信道可實(shí)現(xiàn)最大4層MU-MIMO，上行數(shù)據(jù)信道可實(shí)現(xiàn)最大2層MU-MIMO，MU-MIMO功能需要基站使用8T8RRRU及配套天線。 在站場(chǎng)/車(chē)站場(chǎng)景下，高階的MIMO相比于低階可以獲得覆蓋和容量增益。假設(shè)基于同樣的對(duì)比條件，如相同的基站天線增益、基站天線高度、終端高度、終端天線收發(fā)數(shù)、外界干擾等，同時(shí)假設(shè)基站2T2R與4T4RRRU有同樣的單通道功率，基站4T4R與8T8RRRU有同樣的總功率，通過(guò)理論估算和仿真，對(duì)比情況見(jiàn)表2。

表2 站場(chǎng)/車(chē)站場(chǎng)景不同MIMO系統(tǒng)比較

由表2可見(jiàn)，高階MIMO對(duì)應(yīng)更好的覆蓋能力，同時(shí)有更好的小區(qū)平均吞吐率。結(jié)合業(yè)界情況，推薦5G-R在站場(chǎng)/車(chē)站場(chǎng)景采用4T4R/8T8R，可以獲得更大的覆蓋范圍和網(wǎng)絡(luò)容量。

3.3 局/段/所等生產(chǎn)活動(dòng)場(chǎng)所

局/段/所等場(chǎng)所更多為室內(nèi)區(qū)域，建筑遮擋較為嚴(yán)重，更適合微功率基站，該場(chǎng)景的特點(diǎn)也是面狀覆蓋與低速。 在該場(chǎng)景下，MIMO的天線陣列、空間分集、干擾抑制、空間復(fù)用SU-MIMO技術(shù)可以使用，由于室內(nèi)場(chǎng)景相比室外對(duì)通信容量的需求較小，同時(shí)業(yè)界微功率基站在2.1GHz頻段的形態(tài)以2T2R、4T4R為主，MU-MIMO如果使用可獲得的收益相對(duì)小，所以推薦在局/段/所場(chǎng)景空間復(fù)用技術(shù)重點(diǎn)采用SU-MIMO。 2T2R與4T4R對(duì)比可參考表2，5G-R推薦局/段/所區(qū)域按業(yè)務(wù)需求選擇2T2R或4T4R形態(tài)。

3.4 交叉并線區(qū)域

交叉并線場(chǎng)景一般屬于面狀覆蓋，終端移動(dòng)速度小于等于正線，大于等于站場(chǎng)。 在該場(chǎng)景下，可認(rèn)為介于正線與站場(chǎng)之間。綜合3.1與3.2的分析，該場(chǎng)景可以使用所有MIMO技術(shù)。 推薦5G-R在交叉并線場(chǎng)景采用4T4R、8T8R，可獲得更大的覆蓋范圍和網(wǎng)絡(luò)容量。

3.5 小結(jié)

綜上所述，MIMO技術(shù)在鐵路不同場(chǎng)景下可以分別使用天線陣列、空間分集、空間復(fù)用、干擾抑制的技術(shù)集合，進(jìn)一步獲得系統(tǒng)的覆蓋、容量、峰值速率的提升。詳細(xì)場(chǎng)景與MIMO技術(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系及MIMO形態(tài)建議總結(jié)見(jiàn)表3。

表3 鐵路場(chǎng)景與MIMO技術(shù)適用性分析

4?結(jié)束語(yǔ)

鐵路5G專網(wǎng)MIMO技術(shù)的應(yīng)用將帶來(lái)巨大價(jià)值。通過(guò)天線陣列、空間分集、空間復(fù)用、干擾抑制等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)5G-R系統(tǒng)覆蓋、容量、峰值速率的提升。在應(yīng)用的同時(shí)需要注意結(jié)合鐵路不同場(chǎng)景的特點(diǎn)，在正線、站場(chǎng)、局/段/所、交叉并線等場(chǎng)景下應(yīng)使用不同的MIMO技術(shù)集合和MIMO形態(tài)，以實(shí)現(xiàn)技術(shù)與場(chǎng)景、需求的最優(yōu)匹配。MIMO技術(shù)與鐵路場(chǎng)景適應(yīng)性分析可為5G-R專網(wǎng)未來(lái)部署與應(yīng)用提供參考。