CN112073091B - 一种高铁场景下智能表面辅助的空间调制天线选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高铁场景下智能表面辅助的空间调制天线选择方法，属于轨道交通无线通信领域。该方法包括以下步骤：首先，给出高铁场景下智能表面辅助的空间调制系统；然后，利用导频信号估计到达角，并根据估计值调整智能表面各个反射单元的相位，同时基于最大化接收信噪比筛选空间调制索引天线；最后，根据列车的当前位置和速度方向进一步调整智能表面各单元相位来消除多普勒频移，并基于最大化接收复包络选择出智能表面的有效天线单元。本发明通过对接收索引天线和智能表面有效天线单元进行联合筛选，在消除多径散射多普勒频移的同时，最大化接收信噪比，从而提升系统的频谱效率和误码率。

Description

一种高铁场景下智能表面辅助的空间调制天线选择方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，考虑一种在高铁场景下基于智能表面辅助的空间调制天线选择方法。

背景技术

随着高速铁路的快速发展和5G技术的标准化商用，为了加强高铁绿色、高效的比较优势，实现便捷、舒适的优质服务，将5G相关技术应用在铁路移动通信系统将全面提高铁路运输效率和乘客服务质量。

高铁运行线路的通信环境丰富，多径数量较少，视距特性明显，同时高速移动性带来较大的多普勒频移与时延扩展，链式的覆盖导致频繁的小区切换，会造成较高的掉话率和通信中断。空间调制作为一种特殊的MIMO技术另辟蹊径，利用自身独特的天线切换特性和调制索引，可以用于克服高铁信道的强空时相关性，但是由多普勒频移引起的多径衰落仍只能依赖发射端进行补偿，这就要求提出更适合的高铁无线通信技术方案，降低多普勒频移带来的影响，提升通信服务质量。优化的方案要能够在减少多普勒频移带来的多径衰落的同时，利用空间调制的天线选择方法进一步提升信道容量和误码率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高铁场景下基于智能表面辅助的空间调制天线选择方法。在高铁场景下，由于列车的高速移动所带来的多普勒频移严重影响了高铁无线通信的传输速率和误码率性能。智能表面的加入能够通过改变多径散射的相位从而降低多普勒频移对多径衰落的影响。

该方法的关键是根据列车当前的速度和即时的信道状态信息对智能表面中的 天线相位进行动态调整，然后对列车接收端的接收天线进行有效筛选。

本发明所采用的技术方案：考虑一种在高铁信道下智能表面辅助的空间调制天线选择方法，其中高铁信道采用基于随机几何的建模方法。

1、考虑一个高铁场景下智能表面辅助的接收空间调制下行系统。基站置于高铁轨旁100m位置处，其作为发射端配备有N _t根发射天线，传输的数据s采用M阶正交幅度相位调制，满足传输功率为E _s，噪声功率为N ₀。同时，在距离基站50m的高铁轨旁布置一个智能表面，其装备有N个能够调整反射波相位的可重构天线单元。车载接收端配备有a根天线，其中N _r根作为空间调制接收天线，其接收端接收到的信号可以表示为：

y=gs+n （1）

其中，n是信道噪声，服从CN (0,1)，g为高铁信道。设基站发射端发射波长为λ的调制载波给速度为v m/s的高铁，基于几何随机方法建模，将信号传播路径g分为到达角为ε ₀的直视路径g ₀和经过智能表面反射到达角为ε _i 的散射多径g _i ，其中i=1,…,N，则高铁信道可以表示为：

g=g ₀+S(g _i )=K ₀exp(-j2πf _D cos (ε ₀))+ S( K _i exp(jφ _i -j2πf _D cos (ε _i ))) (2)

其中，K ₀为直视路径分量的莱斯因子，K _i 为散射多径的莱斯因子，S(·)为求和符号， exp为以自然数为底的指数函数；f _D=v/λ为接收端最大多普勒频移，φ _i =∆φ _i -θ _i 对应智能表面天线单元重构之后的相位，θ _i 为第二段由智能表面到列车信道对应的独立同分布的相位，∆φ _i 为经过天线选择后智能表面动态优化的调整相位。

该天线选择方法包含以下几个步骤：

步骤1：在高铁场景下，利用导频反馈信号得到当前的信道状态信息。基于最大化信噪比调整∆φ _i =θ _i 从而使得智能表面对列车接收端的信道容量和误码率性能进行提升，信噪比的表达式为：

γ=|S( g _i exp(j∆φ _i ))|² E _s/N ₀ (3)

步骤2：从列车接收机的a根天线选取N _r（取值为2的整数次幂）根天线用于接收空间调制，形成预选集。根据智能表面相位调整之后的信噪比，计算预选集对应的信噪比之和。基于最大化信噪比之和，从预选集中选取最好的N _r根天线的组合构成空间调制接收端。

步骤3：根据列车当前的相对位置，包括列车与基站的距离d ₁和基站到智能表面再到列车的距离d ₂确定当前列车接收机的最大多普勒频移。基于接收复包络调整相位φ _i 从而减小多普勒频移对多径衰落的影响，接收复包络可以表示为：

r=(exp(-j2πf _D cos (ε ₀))/d ₁+S (exp(jφ _i -j2πf _D cos(ε _i ))/d ₂))λ/4π (4)

步骤4：由于列车与基站和智能表面的相对位置改变会带来不同的到达角，其会影响最大多普勒频移的相位优化。由此，将复包络按相对位置分为三种，分别为列车在基站和智能表面的左方，列车在基站和智能表面之间，列车在基站和智能表面的右方，到达角的取值范围为

ε _0, ε _i ∈[π/2, π),l<=100

ε ₀ ∈[0,π/2),ε _i ∈[π/2, π),100<l<=1100 (5)

ε _0, ε _i ∈[0,π/2),l>1100

步骤5：根据步骤4中列车的相对位置，判断列车接收机到达角的范围，基于最大复包络，进一步调整智能表面相位与最大多普勒频移和到达角的关系。然后，在步骤2选取空间调制接收天线的基础上，根据当前调制信息对应的接收天线索引，通过迭代法从智能表面的N个天线单元中选取使得索引天线的接收信号达到最大接收复包络的N _s个反射天线单元。

本发明具有如下优点：

1、基于智能表面辅助的接收空间调制能够在避免载波间干扰和发射同步问题的同时有效增强接收端的信噪比；

2、基于最大化接收端信噪比之和的天线选择方法能够提升列车接收端的通信质量。同时，经过基于最大接收复包络的智能表面相位优化可以减小多普勒频移带来的影响。

附图说明

（1）图1为本发明实施的一种高铁场景下智能表面辅助的空间调制天线选择方法的流程图。

具体实施方式

下面结实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。

本发明是一种适用于高铁场景下智能表面辅助的空间调制天线选择方法，该方法是通过基于最大化接收端信噪比进行空间调制索引天线和智能表面有效天线单元的组合筛选以及优化智能表面重构相位来实现的。在本发明中由基站端发射带有空间调制索引的数据符号，经过智能表面的反射到达高速移动的列车接收端。

本发明天线选择方法步骤基本流程图如图1所示，包括如下步骤：

步骤1：考虑在高铁场景下 智能表面辅助的下行接收空间调制系统，利用发射信号的导频信号得到反馈的瞬时信道状态信息，列车的速度v m/s、相对位置l m及直视信号的到达角ε ₀，非视距信号的到达角ε _i 。

步骤2：基于最大化信噪比调整智能表面的相位∆φ _i =θ _i ，从而使得智能表面对列车接收端的信道容量和误码率性能进行提升。从列车接收机的a根天线选取N _r（取值为2的整数次幂）根天线用于接收空间调制，形成预选集。

步骤3：根据智能表面相位调整之后的信噪比，计算预选集对应的信噪比之和。基于最大化接收信噪比之和，从预选集中选取最好的N _r根天线的组合构成空间调制接收端。

步骤4：根据列车的相对位置，判断列车接收机到达角的范围，到达角的取值范围为：

ε _0, ε _i ∈[π/2, π),l<=100

ε ₀ ∈[0,π/2),ε _i ∈[π/2, π),100<l<=1100

ε _0, ε _i ∈[0,π/2),l>1100

步骤5：根据列车当前的相对速度和步骤4中的到达角确定当前列车接收机的最大多普勒频移，然后根据列车与基站的距离d ₁和基站到智能表面再到列车的距离d ₂计算接收复包络。

步骤6：在基于信噪比最大化调整的相位的基础上，进一步基于消除多径分量带来的最大多普勒频移调整智能表面相位∆φ _i =2πf _D cos(ε _i )。

步骤7：在步骤3选取空间调制接收天线的基础上，根据当前调制信息对应的接收天线索引，通过迭代法从智能表面的N个天线单元中选取使得索引天线的接收信号达到最大接收复包络的N _s个反射天线单元。

Claims (3)

1.一种适用于高铁场景下智能表面辅助的空间调制天线选择方法，其特征在于，在距离高铁轨道50m处布置一个智能表面，其装备有N个能够调整反射波相位的可重构天线单元；位于轨旁100m处的基站端配备有N _t根发射天线，传输的数据s采用M阶正交幅度相位调制，满足传输功率为E _s，噪声功率为N ₀；波长为λ的调制载波信号从基站端发射至车载接收端有两条路径，分别为直视路径和非视距路径，非视距信号经过大型智能表面中所选择的可重构天线单元的反射，与直视信号同时到达车载接收端；车载接收端配备有a根天线，其中N _r根天线经过天线选择筛选为空间调制索引天线，N _r为2的整数次幂，从而实现额外空间维度的比特流传输；轨旁智能表面的可重构天线单元和车载空间调制接收机的索引天线需要进行联合优化选择，包括以下步骤：

步骤1：在高铁场景下智能表面辅助的下行接收空间调制系统中，首先利用发射信号的导频信号得到反馈的瞬时信道状态信息，包含信道相位θ _i ，列车的速度v m/s、相对位置l m及直视路径g ₀的视距信号到达角ε ₀，经过智能表面散射路径g _i 的非视距信号到达角ε _i ，其中i=1,…,N；

步骤2：基于最大化信噪比调整智能表面每一个天线单元的相位，同时，从列车接收机的a根天线中选取使得信噪比之和最大的N _r根天线组合；

步骤3：根据列车的相对位置和速度方向，判断列车接收机到达角的取值范围，并确定当前列车接收机的最大多普勒频移f _D=v/λ，然后根据列车与基站的距离d ₁和基站经过智能表面再到列车的距离d ₂计算接收复包络；

步骤4：在基于信噪比最大化调整的相位的基础上，进一步基于消除多径分量带来的最大多普勒频移调整智能表面相位；

步骤5：在步骤2选取空间调制接收天线的基础上，根据当前调制信息对应的接收天线索引，通过迭代法从智能表面的N个天线单元中选取使得索引天线的接收信号复包络达到最大的N _s个反射天线单元。

2.根据权利要求1所述的一种适用于高铁场景下智能表面辅助的空间调制天线选择方法，其特征在于，在步骤2中，基于最大化信噪比

γ=|S( g _i exp(j∆φ _i ))|² E _s/N ₀ （1）

其中，S(·)为求和符号，exp为以自然数为底的指数函数， 调整相位∆φ _i =θ _i 从而使得智能表面对列车接收端的信道容量和误码率性能进行提升，然后，由此进行接收端空间调制索引天线的筛选。

3.根据权利要求1所述的一种适用于高铁场景下智能表面辅助的空间调制天线选择方法，其特征在于，在步骤3中，由于列车与基站和智能表面的相对位置改变会带来不同的到达角，其会影响最大多普勒频移的相位优化，复包络按相对位置分为三种，

ε _0, ε _i ∈[π/2, π),l<=100

ε ₀∈[0,π/2),ε _i ∈[π/2, π),100<l<=1100 （2）

ε _0, ε _i ∈[0,π/2),l>1100

根据当前位置的到达角信息，筛选智能表面单元，并在步骤4中调整智能表面天线单元的相位为∆φ _i =2πf _D cos(ε _i )，从而消除多径分量的多普勒频移。

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