עיצוב מערכות מימו חזקות לתקשורת ברכבות מהירות

רשתות רכבת מהירות גבוהות מתרחבות ברחבי העולם, מבטיחות מהירות יותר ויותר נסיעות בין-עיריות.כפי שמהירויות הרכבת עולה על 300 קמ"ש, שמירה על תקשורת אלחוטית ללא הפרעה, בעלות גבוהה הופכת לאתגר הנדסי קריטי.קישורים עמידים חיוניים עבור בקרת רכבת אותות, גישה לאינטרנט נוסעים, ואבטחת אותות בזמן אמת של מערכות עיבוד מרובות (MI) התפתחה כפתרון, תוך ניצול מספר רב של מהירות של רשתות מתקדמות לשיפור האבטחה של מערכות אבטחה מתקדמות של רשתות אבטחה.

טכנולוגיית MIMO

מערכות MIMO מנצלות ממדים מרחביים כדי לשפר את ביצועי התקשורת.בצורה הפשוטה ביותר שלה, מערכת MIMO משתמשת ב-FLT:0spatial MultiplexingsFLT:1: משדרת מספר זרמים נתונים עצמאיים במקביל על אותה קבוצת תדר באמצעות שידור מרובים ולקבל אנטנה.זה מעלה ישירות את היעילות הקישוטית - מספר ה bits pertz השני - לינארי עם מספר האנטנה, בהנחה שמערכת עשירה של 4xerd.

מעבר ל מרובותxing, MIMO מספק LT:0 diversity לצבור FLT:1 על ידי שליחת עותקים של אותו אות על אנטנה או חריצים זמן שונים (למשל, באמצעות קידוד זמן חלל), ההסתברות שכל העותקים דוהמים בו זמנית מופחתת באופן דרמטי.זה מתורגם לקשר יציב יותר עם טיפות פחות - מומלץ עבור אות בטיחות- קריטי נתונים במהירות גבוהה רכבות.

יישום MIMO מודרני, במיוחד ב 5G רדיו חדש (5G NR), משלב את הטכניקות האלה באופן לוגי.תחנת הבסיס יכולה לעבור באופן דינמי בין מספר עצום מרחבי עבור נתונים בעלי יכולת גבוהה וזיהוי לטווח ארוך או עוצמה. עם זאת, יעילותה של כל תוכנית MIMO תלויה באופן ביקורתי במידע מדויק של המדינה (CSI) ואת היכולת לעקוב אחר שינויים במהירות - קושי מסוים בסביבה מהירה.

אתגרים בסביבת רכבות מהירות גבוהה

Doppler Shift and Fast Fading

רכבת נעה בגובה 350 ק"מ / שעה יחסית לתחנת בסיס קבועה חווה שינוי דופלר של כמה מאות הרץ בתדרים תאיים טיפוסיים (למשל, 2.6 GHz) שינוי זה גורם לתדירות המוביל להופיע שונה ב המקלט, המוביל להפרעות בין-carrier (ICI) במערכות DM. יתר על כן, התנועה המהירה גורמת לערוץ אלחוטי להשתנות באופן משמעותי בתוך משך זמן שידור יחיד, אשר הופך במהירות להפחתה מדויקת של תפקוד CFIFI.

תנאים Multipath ו- non-Line-of-Sight

רכבות מהירות גבוהה חוצה סביבות מגוונות: מישורים פתוחים, חתכים עמוקים, מנהרות ומסדרונות עירוניים צפופים.במנהרות, ההתפשטות היא גל מונחה דמוי עם הרבה השתקפות, בעוד באזורים פתוחים, קו-of-sight (LOS) עשויים לשלוט אך עם השתקפות קרקעית חזקה, חלקים עירוניים מציגים תנאים לא-טווחיים חמורים (NLOS) בשל גשרים ומערכות MIMO מסתמכות על מספר רחב של חללים, אך ורק על מספר רחב של מקומות שטחיים, אך מוגבלים, כגון, אך בטווח רחב יותר, כגון, כגון, כגון, כגון, כגון, טווח רחב של שטחי-טווח מוגבל, מוגבל, מוגבל, כגון, כגון, מוגבל של תרחישים רחב יותר, כגון: Lx עצמאי, מוגבל, מוגבל, מוגבל, כגון, מוגבל, מוגבל, מוגבל, כגון, בתנאי L-טווח רחב של שטח-טווח רחב של שטח-טווח נמוך יותר, כגון, כגון, מוגבל של מספר רחב של תרחישים רחב של שטח-טווח נמוך יותר, כגון, כגון, מוגבל של שטח-טווח רחב של שטח-טווח נמוך יותר, כגון, כגון, כגון, מוגבל של שטח-טווח נמוך יותר, כגון, כגון, כגון, כגון, כגון, מוגבל של שטח-טווח נמוך יותר של שטח-טווח

המונחים: Handover Overhead

פריסת בסיס של תחנות בסיס לאורך מסדרון הרכבת היא הכרחית כדי לשמור על הכיסוי, אבל זה יוצר רמה גבוהה של התערבות משותפת ערוצים.מהירות גבוהה של הרכבת פירושה קושרים תכופים תכופים - כל כמה שניות בגדלים התא קונבנציונליים.כל אחד מהם כרוך אות מעל הראש, נתונים פוטנציאליים, ואת הצורך להקים מחדש את CSI עם תחנת הבסיס החדשה.

חומרה וחלוקתיות

מערך האנטנה הרהר על גוף הרכבת מחוספס על ידי אווירודינמיקה, חלל ועלות. האנטנה חייבת להיות עמידת לרטטט, מזג אוויר, והתערבות אלקטרומגנטית גבוהה ממערכת מערכת העיכול של הרכבת. בדומה, תחנות בסיס כבישים לעתים קרובות ממוקמים על masts או גשרים מבנים, הגבלת גודל מערך האנטנה ואת יכולת של MIMO מסיבית ותחזוקה של מאות תאים קטנים לאורך זמן של מרחק תפעולי משמעותי.

אסטרטגיות עיצוב עבור Robust MIMO Systems

עקבו אחרי Beamforming and Beam Tracking

כדי להתמודד עם ניידות גבוהה, מערכות MIMO היברידיות חייבות להשתמש FLT:0adaptive beamforming FLT 1LT אלגוריתמים שיכולים במהירות לנווט דבורים לכיוון הרכבת נעה. במקום להשתמש בדפוסי beam קבועים, תחנת הבסיס משתמשת משוב מהמקבל של הרכבת (או אותות הפניה קישורים גמישים) כדי למקם את המשקל האופטימלי של MIMO עם עשרות או מאות אלמנטים דיגיטליים, להיות מחושב באופן מלא של ביצועים דיגיטליים (למשל, מעקב מהיר) אבל ביצועים מהירים יותר מאשר ביצועים מהירים יותר).

אסטיגנציה ערוצים מתקדמים וחיזוי

(התראות המסורתית של ערוץ מסתמכת על סמלים של הטייסים שהוכנסו בסימן המועברים.במהירויות גבוהות, הערוץ משתנה בין שידורים של הטייסים, מה שמוביל לאמדנים מיושנים.לכתובת זו:0 ערוצים חיזוי אלגוריתמים 1:1 משתמשים בנתונים היסטוריים של CSI ומעבדי תנועה כדי לחזות מודלים עתידיים של למידה מוקדמת, כגון רשתות עצביות חוזרות (RN) או תהליכי Gausian, יכולים לשרת את החיזוי זמן קצר של תאים מתקדמים של תאים מוקדמים של תאים מוקדמים יותר.

חלל-זמן ומרחב-Frequency Coding

קודים חסימת חלל (STBC), כגון קוד אלמוטי, מספקים מגוון ללא צורך CSI בגליון. בסביבות מהירות גבוהה שבו משוב CSI הוא בלתי אמין, תוכניות MIMO הפתוח אטרקטיביות.עם זאת, STBC מקריבים מרובים של קודים מתקדמים (FLT:0space-time- ⁇ FLT:1), קודים אופטימיזציה לערוצים שונים, יכולים לשלב בין מגוון רחב של נפח מסחר מתקדם במיוחד (ה-Fighting) של מערכת הפעלה מהירה יותר (ICC) עם מורכבות גבוהה יותר (I).

מערכות MIMO ו- Distributed Antenna

(FLT:0)Massive MIMOFLT:1 - שימוש באנטנות הרבה יותר מאשר זרמי נתונים - offers כמה יתרונות עבור רכבות מהירות גבוהה. עם עשרות אנטנות בתחנה הבסיס, פתרון מרחבי משתפר באופן דרמטי, ומאפשר לדבורה צרה שיכול להתמקד על גבי מגוון רחב יותר של ראשי תיבות של אנטנות מרחוק (MIMO גם להפחית את ההשפעה של האטה מהירה באמצעות ערוץ קשיח: 1D) יעיל יותר מערכית של מספר מוגבל של מערכת הפעלה מהירה יותר (אך גבוהה יותר של מערכת הפעלה).

אדריכלות רשת ואופטימיזציה של Handover

כדי למזער את השיבוש במהלך הסניפים, הרשת צריכה לאמץ את ה-FLT:0 (p) לפני שבירה סיבית (FLT:1) גישה זו, הרכבת שומרת על חיבורים במקביל לתחנות הבסיס למסגרת ולמטרות לתקופה קצרה, ומאפשרת נתונים חלקה קדימה.מערכות MIMO יכולות לסייע באמצעות אמברגי שטח נפרדים לכל תא.בנוסף, מושגים וירטואליים - שבו הרשת מתייחסת לקבוצת תחנות בסיס של בסיס כולל לוגי - כמו גם לתחנות הפעלה דינמית ובסיס משולב של תאים.

טכניקות מתקדמות וכיוונים עתידיים

למידה ממוחשבת עבור MIMO

מעבר לחיזוי ערוצים, למידת מכונה יכולה לייעל את כל התצורה של מערכת MIMO. סוכני הלמידה של Reinforcement יכולים ללמוד את מדיניות המעקב אופטימלית של קרן המעקב, מעבר בין beamwidths ו precoding matrices המבוססים על המיקום והמהירות של הרכבת.רשתות העצביות Convolutional יכולות לעבד הערכות ערוץ גולמיות כדי לזהות ולצמצם את דפוסי ההתערבות.

5G NR שיפורים עבור ניידות גבוהה

תקן 3GPP 5G NR כולל תכונות מותאמות לתרחישים מהירים, כגון:0GPP-Comtended cyclary prefix (CP)FLT 1 כדי להילחם ICI, High Subcarrier ספאcing (למשל, 30 או 60 kHz) כדי להפחית את ההשפעה של Doppler, ותבניות התייחסות גמישות למעקב מהיר יותר.

משטחים חכמים (IRS) ו- Reurable Intelligent Surfaces (RIS)

טכנולוגיה מתפתחת לפסל את סביבת הרדיו, FLT:0intelligent המשקפת פני השטח של ההרחבה 1 הם פאסיביים או סמי-פאסיביים של אלמנטים הניתנים לתוכנה שיכולים לשלוט בשלב ו amplitude של אותות משתקפים משתקפים. Placeed על קירות מנהרה, גשרים, או תחנות בקרה, יחידות IRS יכולות ליצור נתיבים וירטואליים נוספים עבור מערכות MIMO.

צוללת ו- mmWave MIMO for Ultra-High Capacity

(מ) במבט קדימה, גלי מתכת היברידיים (mmWave) ולהקות תת-טרחרץ (30–300 GHz) מציעים רוחב פס עצום עבור קישורים רב-Gbps. בתדרים אלה, מערך אנטנה MIMOol יכול להיות קומפקטי מאוד (למשל, מאות אלמנטים על שבב), המאפשרים מאוד beamsssssssssssss in the hard Loss andblock for high-F במהירות גבוהה, יש אפשרות לפתח פרוטוקולים).

שילוב עם רשתות לא-טרטרוריות

עבור רכבות העוברות דרך אזורים מרוחקים, MIMO מבוסס לווייני עשוי להוסיף תחנות בסיס ארציות.לעבורת אדמה נמוכה (LEO) קבוצות לוויין לספק נתיבים בעלות נמוכה, בעוד לווייני לוח גבוה משתמשים במספר רב של אבני דרך. מערך בעל שם רכבת יכול לשמור על קישור MIMO עם מספר לווייניים בו זמנית, המציע מגוון מרחבי וכיסוי מתמשך.

מסקנה

תכנון מערכות MIMO חזקות לתקשורת מהירה דורש גישה הוליסטית המתייחסת לאתגרים הבסיסיים של דופלר קיצוני, קידוד מהיר, מגבלות רב-פתטיות, ועומס יתר על פני השטח.אין טכניקה אחת מספיק; במקום זאת, שילוב של beamforming, estimation ערוצים מתקדמים וחיזוי, מערכות אחסון של זמן חלל, מסיבי עם ארכיטקטורות מבוזרות, ואופטימיזציה חיזוי באמצעות שיטות למידה מהירות, כמו גם יכולות פיתוח גבוהות יותר של רשתות מחשוב, כמו דחיסה של רשתות מחשוב יעילות יותר, כמו קומפקטיות גבוהה יותר, בעוד שרטוטטיביות ברמה גבוהה יותר, כמו קומפקטיות גבוהה יותר, כמו קומפקטיות גבוהה יותר, בעוד ש-עולמית מערכות מחשוב עצמי, כמו קומפקטיות גבוהה יותר, קומפקטיות גבוהה יותר, קומפקטיות גבוהה יותר, למערכות עיצוב, קומפקטיות גבוהה יותר, למערכות מחשוב, בעוד ש-עולמית מערכות מחשוב, למערכות מחשוב, למערכות מחשוב, חסכוניות, חסכוניות גבוהה יותר, למערכות מחשוב, קומפקטיות, קומפקטיות גבוהה יותר, קומפקטיות גבוהה יותר, כמו גם קומפקטיות, קומפקטיות, קומפקטיות, קומפקטיות גבוהה יותר, קומפקטיות מערכת ניהול שטח, קומפקטיות, קומפקטיות

(ב) [ה] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]]] [ה]]] [ה]]] [ה]]]הההההההההתמ"ל], [ה], [ה]התחילה [ה] [ה]]] [הההההתחילה]]]] [ה], [ה], [ה], [ה]], [ה], [ה]]], [ה'], [ה'], [ה']]]], [ה'], [ה'[ה'], [ה'] [ה']]]]]]], [ה'[ה'[ה']] [ה']]]]]]] [ה'] [ה'] [ה'], [ה'[ה'] [ה'] [ה'] [ה'[ה'] [ה'[ה'[ה'] [ה']']']']']']'[ה'[ה'[ה'[ה'[