高速移动切换下分布式大规模FDD MIMO的信道估计与传输优化研究

With the rapid development of high-speed rail, the high-speed network requirements of users in the train are creasing quickly. However, to overcome fast fading channel and cells handover problems is a great challenge for train-ground mobile communication system. In this project, we, based on Radio-over-Fiber (RoF) and massive Multi-Input Multiple-Output (MIMO), mainly study channel modeling, estimation and transmission optimization of overlapping areas between adjacent Remote Antenna Unit (RAU) in massive Frequency Division Duplex (FDD) MIMO train-ground communication system, which contains distributed RAUs along the railway and Mobile Carriage Terminal (MCT) on the train, in order to reduce cell handover and improve Quality of Service (QoS). The key scientific problems are: 1) How to provide a channel model in time domain and frequency domain of the multipath fast time-varying Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) channel when it switches between RAUs frequently, and to provide an adaptive channel estimation method for fast fading channel. 2) How to optimize downlink transmission within the limit of the QoS of train-grand communication system based on channel estimation. In this project, we construct a channel model, estimate the channel and rate of change by extended Kalman filter and use fixed point iteration method of convex optimization for precoding design to achieve downlink transmission optimization, finally meet the QoS in high-speed networks.

随着高铁的快速发展，高铁用户对高速上网的需求倍增，但高铁移动通信系统面临频繁小区切换和复杂信道处理的挑战。本项目针对高铁移动车厢终端（MCT）与铁路沿线的中央控制基站（CCS）通过光载无线电（RoF）连接的分布式远端天线单元（RAU）间构成的大规模FDD MIMO车地通信系统中，在同一个CCS或CCS间的RAU重叠切换小区内，研究：1）基于OFDM的多径快速时变的时、频域信道建模；2）在所建信道模型上，寻求高效的自适应快衰落信道估计方法；3）基于估计信道，以满足MCT的QoS作为约束条件，优化下行传输，提高频谱和能量效率。本项目以高铁相邻RAU重叠切换小区作为应用场景，构建基于分布式大规模FDD MIMO-OFDM信道模型，采用扩展卡尔曼滤波器对信道进行自适应估计，并将估计的信道反馈到CCS，通过基于固定点迭代的凸优化方法进行预编码设计，优化下行传输，最终达到满足高铁用户高速上网的QoS。

近年来，我国的高铁建设发展迅猛。人们乘坐高铁出行已经变成日常工作和生活的重要组成部分。然而，现有的高铁无线通信系统不能很好的满足乘客对实时传输图片、视频等多媒体业务的需求，因此，如何有效提升高速移动场景下的通信质量成为一个亟待解决的问题。高速移动场景中由于受到多径效应和多普勒频移的影响，信道具有快时变和非平稳等特性，因此，传统的面向静态或准静态的基带信号处理方法不再适用。本项目针对上述问题，重点研究了高速移动通信系统中的信道建模、信道估计、信道状态信息反馈以及下行预编码四部分内容，并分别提出改进的模型或算法，并通过理论仿真的方式对所提模型或算法进行了验证，共发表/录用论文27篇，专利24件，培养硕士研究生13名，完成了项目的所有预期指标。特别地，信道估计方面，项目组分别参加全球通信领域旗舰会议IEEE GLOBECOM 2017以及华为技术公司主办的产学研研讨会，并做报告，得到了学术界和工业界同行专家的认可，目前正在和华为公司推进信道估计领域的技术合作。该项目的研究成果不仅仅适用于高铁场景，还可以拓展应用到车联网、无人机、民航飞机、天地一体化信息网络低轨卫星互联网传输等各种场景，具有较好的可行性、有效性和适用性，丰富了高速移动通信领域的基础理论与关键基础研究，也为下一步将所提算法从理论到实践的应用转化提供了技术支撑。