高铁车地多跳通信技术成果

2025-09-30 理论教育版权反馈

【摘要】：在高速移动通信场景下，高频段的毫米波通信技术的应用使得其与常规低频段的通信技术面临着同样的挑战。因此，对于高速移动的通信场景而言，开发毫米波频段通信技术具有较高的研究价值。因此，联合考虑毫米波传输的信道特性与传输技术将是接下来的研究重点。

随着密集组网与接入用户的爆发增长，传统的低频段通信技术无论是在系统容量还是传输速率方面，都已经无法同时保证接入用户对通信条件的要求。在低时延、大容量、高速率通信需求的驱动下，为了满足无线通信网络中高密集接入用户的通信需求，能够提供较高可靠性的毫米波协作通信技术逐渐进入研究者的视野。

1.毫米波技术及特点

毫米波传播过程通常同时依赖视距（Line of Sight，LoS）和非视距（Non Line of Sight，NLoS）传输，由于传输过程中所遭受的大尺度路径损耗和衰减，随着传输距离的增加，处在毫米波通信网络边缘的用户将遭受较大的中断风险。由表1.2可以观察出，当毫米波网络链路发生阻断时小区边缘速率将急剧降低，这导致了与中断发生距离越远的边缘用户越难以重新建立通信链路[32]。因此，为了提升边缘用户的通信服务质量，可以考虑在信息速率较低的地区结合中继协作技术改善服务信号以保证通信链路的可靠性。

表1.2　mmWave与LTE小区吞吐量与边缘速率比较

pagenumber_ebook=13,pagenumber_book=6

在能量受限的条件下与提升传输速率的需求下，开发包括毫米波在内的高频段协作通信技术能够突破由硬件条件所带来的性能瓶颈。相较于6 GHz及以下低频段，毫米波的频段带宽可以达到其他无线频段带宽总和的数十倍[33]，丰富的可开发带宽资源能够满足多速率、高灵活和巨容量的通信要求。此外，毫米波系统中传输天线的硬件尺寸设计因子更小，这使得能够在传输基站部署例如大规模天线阵列[34]、低功耗智能反射表面（Intelligent Reflecting Surface，IRS）[35]、人工噪声天线[36]等高定向可操控天线阵列。其中，在利用相同传输天线尺寸时，毫米波的波束相比于低频电磁波的波束要窄得多，这导致了毫米波传输过程中容易受到天气、温度、湿度等环境因素的影响导致传输距离较短，但同样有助于在定向传输过程中最大限度地减少通信中的干扰。(https://www.chuimin.cn)

在高速移动通信场景下，高频段的毫米波通信技术的应用使得其与常规低频段的通信技术面临着同样的挑战。其中以高速铁路为代表的高速移动场景具有环境多样化、移动速度快和接入用户密集等特点[37，38]。复杂多样的环境对通信系统的信道有着较大的影响，使得不同频段的通信技术有着较为突出的差异性。为了能更好地将毫米波通信技术应用于高速移动场景下，需要对不同环境下的信道特点进行性能分析并结合其他技术提高高速移动无线通信的性能。

由于毫米波波长较短，大规模或超大规模的天线阵列被允许使用以增加分集增益。同时，当无线系统利用毫米波频段进行通信时，可以通过结合波束成形技术进一步固化随机信道特性，从而提升高速移动场景的通信性能。因此，对于高速移动的通信场景而言，开发毫米波频段通信技术具有较高的研究价值。此外，通过进一步研究扩展高速场景下的毫米波频段通信技术，以毫米波频段为载体结合多种传输技术，并结合高速移动场景时变的特点来支持未来通信系统所面临的大规模接入需求是需要深入研究的问题。

2.高速移动毫米波技术关键问题及研究现状

与传统经典的静态蜂窝网络传输过程相同，代价高昂的穿透损耗和传播衰减依旧是实现理想的毫米波通信性能的主要障碍。毫米波频段蜂窝网络的发展面临着阴影衰落的影响，从而导致通信链路中断、快速变化的信道条件和间歇性连接[39]。为了弥补因毫米波传播特性所造成的较大路径损耗，通常在毫米波收发机端采用大规模阵列天线扩展空间增益，通过结合波束成形等技术实现更高的传输效率。其中一种有效的方法是利用大规模阵列天线产生具有高强度的定向波束进行传输[40，41]，通过波束成形所提升的传输增益抵消传输过程中的损耗。另外，为了满足密集型多用户的通信需求，通过依据每个用户的毫米波信道特性进行波束分配同样可以达到良好的性能[42]。

在无线通信系统中，虽然能够在基站端通过扩展天线资源弥补毫米波传输过程中的大尺度损耗，但是高速移动环境仍然为毫米波信道信息的获取带来了较大的不可靠性。因此，为了解决由于高速移动场景下复杂通信环境所导致的低连接可靠性，现有研究进一步分析了毫米波通信的阻塞传输特性，并实现抗阻塞的资源分配与传输方案[43]。其中，文献[44]为了保证毫米波传输条件下回程信息流的稳定，采用用户服务质量感知并结合中继选择的最优通信调度方案，保证在具有随机阻塞情况下的稳定通信吞吐量。针对传输过程中因随机阻塞产生的间歇性连接，文献[45]定义了不同等级的阻塞状态，并针对不同阻塞等级设计了具有鲁棒性的智能波束传输方案。进一步，文献[46]通过扩展时域汤普森采样算法设计了波束切换方案，提高间歇性阻塞的毫米波通信链路可靠性。

为了在高速移动场景下更加深入地利用毫米波技术以实现高速、高效、稳定的通信过程，不仅要在硬件层面上提升传输增益，而且需要针对不同的传输情况研究更加智能的传输方案。因此，联合考虑毫米波传输的信道特性与传输技术将是接下来的研究重点。

高铁车地多跳通信技术成果

相关推荐