论文|铁路5G专网MIMO技术研究

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文章来源：《中国铁路》编辑部 源网址：https://mp.weixin.qq.com/s/TAtVI32RU1PvNRKldsuD8A 陈雍珏， 华为技术有限公司 陆晓磊，华为技术有限公司 李少华， 华为技术有限公司 赵伟， 华为技术有限公司 邓小市，华为技术有限公司 刘晔， 华为技术有限公司 曾毅，华为技术有限公司

0 引言

从20世纪60年代开始，我国开始建设铁路专用无线通信系统。经过几十年的应用发展和技术积累，已经形成了一套与铁路管理体制相适应、符合铁路行业应用要求的铁路无线通信技术体系。随着我国铁路技术和装备的快速发展，铁路从高速化向智能化升级的方向进一步明确。国家铁路局明确提出要以5G、北斗等新技术开始赋能铁路的智能化升级发展。 相比于传统铁路，智能铁路在业务上提出更高的要求，多媒体调度、车车通信的列车接近预警信息、新一代列控、超视距监控等新的应用都需要无线通信系统提供更高和更可靠的数据承载能力。与此同时，多输入多输出（Multiple-input Multiple-output，MIMO）技术从4G长期演进（Long Term Evolution，LTE）时代开始发展，并成为5G时代的核心技术，MIMO技术可以给系统覆盖、容量带来巨大提升。在铁路关键应用场景下，MIMO在发挥性能提升价值方面是5G-R技术研究的一个重要方向。

1 5GMIMO标准与学术界进展

第3代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）协议从LTE时代开始涉及MIMO，LTE的第1个版本是Rel-8，第3个版本Rel-10，基站开始涉及8T8RMIMO（见图1）。

图1 3GPP标准MIMO相关技术情况

随着Release版本的不断演进，LTE基站的MIMO数也从8端口演进到了最多32端口，更适合MIMO的传输模式9（Transmission Mode9）终端也在标准中进行了定义。至5G阶段，在Rel-15和Rel-16中，基站侧MIMO的能力进一步演进，基站具备64端口乃至更多端口的理论基础，而能够实现更优MIMO性能的终端TM9模式也成为终端产业认同需要具备的关键能力。 高铁场景和MIMO技术也获得了众多专家学者的关注。Chen等提出高铁视距通信场景下的将波束成型与分析结合的方案。Wang等根据开阔空间、高架桥、丘陵地形、车站等场景，归纳了典型高铁场景的信道特征。高速铁路在开阔空间、高架桥、路堑、丘陵地带等场景，都有学者进行研究和建模。Liu等在高速可见光通信模型中研究了MIMO自适应调制系统。 MIMO相关标准的演进与增强以及学术界的研究，为铁路5G专网应用奠定了理论基础。基于上述研究成果进一步分析，在此重点探究5GMIMO关键技术在铁路关键场景中的适应性问题。

2 5GMIMO技术与增益

2.1 5GMIMO系统模型与增益

以基站到终端下行为例，可以将5GMIMO技术抽 象为数学模型（见图2）。

图2 M发N收多天线系统示意图

对于每根接收天线来说，理论上它会收到来自所 有发射端天线的信号，即每根发射天线和每根接收天线之间会存在1个空间信道，其空间信道上的数据传输变化用hnm表示。

2.2 天线阵列技术

天线阵列是指增加通信系统的天线个数，在接收端通过多个天线的多路信号进行相干合并。由于天线阵列上的不同天线白噪声不相关，合并后的噪声功率保持不变，而不同天线上的信号是相关的，合并后信号能量成倍提高，因此合并能够提高信号的平均信干噪比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR），从而提升系统覆盖。其原理示意见图4。

图4 阵列增益示意图

2.3 空间分集技术

空间分集又分为空间发射分集和空间接收分集，空间发射分集是通过多个天线承载相同信息的多个信号副本，接收分集是接收端的多个天线收到多个互相独立而又携带同一信息的信号。分集的核心思想是各路信号同时发生深衰落的概率很低，从而合成信号发生深衰落的概率大大降低，分集技术不能提高接收端的平均SINR，只会让SINR更稳定。 对于5G蜂窝系统，由于终端的MIMO数一般是固定的，所以增益主要来自于上行空间接收分集。上行接收分集原理见图5，为图2下行模型的逆过程。

图5 接收分集原理

2.4 空间复用技术

空间复用是指多个天线发送不同的数据，利用空间传播中的多径分量，实现信道容量的提升。当信道的衰落存在一定独立性时，无线信道可以等效为多个并行互不干扰的子信道，每个子信道都对应1个容量。因此MIMO信道的极限容量能够随着发射接收天线数线性增加。 空间复用又可进一步细分为单用户MIMO（Single User MIMO，SU-MIMO）和多用户MIMO（Multi User MIMO，MU-MIMO）。

2.5 干扰抑制技术

干扰抑制是利用干扰信号的空间有色性，对干扰进行抑制，通过提升处理后信干噪比获得增益。当采用MIMO系统，并且空间干扰存在一定的有色性时，通过多个天线可以对干扰的有色性进行估计，利用这个信息对干扰进行抑制。5G主要在基站利用干扰抑制合并（Interference Rejection Combining，IRC）多天线干扰抵消技术，提高信号的平均SINR，为系统带来干扰场景下的增益。

3 铁路场景下的适应性分析

不同铁路应用场景有不同特点，同样，在不同场景下也应采用最适合的MIMO技术。铁路场景可分为正线、站场/车站、局/段/所等区域、交叉并线区域等4类。

3.1 正线

正线场景的特点是线状网络覆盖，且同时大部分情况下列车车载终端移动速度快，速度最高可达350km/h，高速主要造成多普勒频率偏移，使得终端出现吞吐量低的问题。 在该场景下，高速移动、线状网络2个特点不影响不同天线上白噪声的相关性，不影响多天线多个独立的衰落信号合并，也不影响多天线IRC，所以MIMO的天线阵列增益、空间分集增益、干扰抑制增益仍可以获得。对于空间复用的SU-MIMO，多流对多个信道间的独立性要求高，而高速移动的终端不同MIMO间信道的相关性在不断变化，所以难以进入高阶的多流状态。结合产业界信息，高铁上的普通5G手机，对应为2发4收（2T4R）终端，一般可以达到下行1流、2流，少部分达到3流。5G-R正线场景下，预计SU-MIMO可以进入1流、2流。对于MU-MIMO，由于覆盖区域为线状，5G-R车载终端之间间距较近进而有较强的相关性，独立性不好，且终端移动速度高，不同信道的相关性不断变化，因此该场景不适用MU-MIMO。 经过业界调研，开始在2.1GHz频段5G频分双工（Frequency Division Duplex，FDD）主要的宏站射频模块形态有2T2R、4T4R，经过5GFDD产业2~3年的发展，8T8R也逐渐走向成熟。在正线场景，高阶的MIMO相比于低阶，主要可以获得覆盖增益，一方面上行可以获得3dB分集增益，另一方面下行可以获得3dB波束赋形增益。假设基于同样对比条件，如相同的基站天线增益、基站天线高度、终端高度、终端天线收发数、外界干扰等，同时假设基站2T2R与4T4R射频拉远单元（Remote Radio Unit，RRU）有同样的单通道功率，基站4T4R与8T8RRRU有同样的总功率，理论估算对比见表1。

表1 正线场景不同MIMO系统比较

可以看到高阶的MIMO对应有更好的覆盖能力，同样边缘速率条件下，4T4R相比2T2R提升20%站间距，8T8R相比4T4R提升20%站间距。结合业界情况，推荐5G-R在正线场景采用4T4R、8T8R，可部署更大的站间距从而降低线路建网成本。

3.2 站场/车站

站场/车站的特点是面状网络覆盖，并且大部分情况下，车辆、人员是在静止或者低速移动的状态。 在该场景下，MIMO的天线阵列、空间分集、干扰抑制技术可以正常使用；对于SU-MIMO，MIMO天线信道独立性好的环境下，手持终端（假定2T4R条件）可实现下行4流、上行2流，车载终端（假定为1T2R）可实现下行2流、上行1流；对于MU-MIMO，假定在大容量业务前提下，如果终端满足面状分布同时又距离较远，终端之间相关度低，下行数据信道可实现最大4层MU-MIMO，上行数据信道可实现最大2层MU-MIMO，MU-MIMO功能需要基站使用8T8RRRU及配套天线。 在站场/车站场景下，高阶的MIMO相比于低阶可以获得覆盖和容量增益。假设基于同样的对比条件，如相同的基站天线增益、基站天线高度、终端高度、终端天线收发数、外界干扰等，同时假设基站2T2R与4T4RRRU有同样的单通道功率，基站4T4R与8T8RRRU有同样的总功率，通过理论估算和仿真，对比情况见表2。

表2 站场/车站场景不同MIMO系统比较

由表2可见，高阶MIMO对应更好的覆盖能力，同时有更好的小区平均吞吐率。结合业界情况，推荐5G-R在站场/车站场景采用4T4R/8T8R，可以获得更大的覆盖范围和网络容量。

3.3 局/段/所等生产活动场所

局/段/所等场所更多为室内区域，建筑遮挡较为严重，更适合微功率基站，该场景的特点也是面状覆盖与低速。 在该场景下，MIMO的天线阵列、空间分集、干扰抑制、空间复用SU-MIMO技术可以使用，由于室内场景相比室外对通信容量的需求较小，同时业界微功率基站在2.1GHz频段的形态以2T2R、4T4R为主，MU-MIMO如果使用可获得的收益相对小，所以推荐在局/段/所场景空间复用技术重点采用SU-MIMO。 2T2R与4T4R对比可参考表2，5G-R推荐局/段/所区域按业务需求选择2T2R或4T4R形态。

3.4 交叉并线区域

交叉并线场景一般属于面状覆盖，终端移动速度小于等于正线，大于等于站场。 在该场景下，可认为介于正线与站场之间。综合3.1与3.2的分析，该场景可以使用所有MIMO技术。 推荐5G-R在交叉并线场景采用4T4R、8T8R，可获得更大的覆盖范围和网络容量。

3.5 小结

综上所述，MIMO技术在铁路不同场景下可以分别使用天线阵列、空间分集、空间复用、干扰抑制的技术集合，进一步获得系统的覆盖、容量、峰值速率的提升。详细场景与MIMO技术对应关系及MIMO形态建议总结见表3。

表3 铁路场景与MIMO技术适用性分析

4 结束语

铁路5G专网MIMO技术的应用将带来巨大价值。通过天线阵列、空间分集、空间复用、干扰抑制等技术，可以实现5G-R系统覆盖、容量、峰值速率的提升。在应用的同时需要注意结合铁路不同场景的特点，在正线、站场、局/段/所、交叉并线等场景下应使用不同的MIMO技术集合和MIMO形态，以实现技术与场景、需求的最优匹配。MIMO技术与铁路场景适应性分析可为5G-R专网未来部署与应用提供参考。