CN112073134B - 一种高铁下智能反射表面辅助信道估计与检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高铁下智能反射表面（IS）辅助信道估计与检测方法，属于轨道交通无线通信领域。针对IS辅助移动通信而导致的快时变信道估计问题，提出了通过历史经验信道估计和合成信道检测，来提高经过IS辅助通信后信道估计准确度和信号恢复的方法。该方法包括以下步骤：首先，给出本发明的实现流程框图，根据该框图建立高铁无线信道估计数学模型；然后，通过对信道进行信道估计；最后，经过信号检测方法，在较高的信道估计准确度下，能够较好的对输入比特流进行恢复。本发明的高铁下智能反射表面（IS）辅助信道估计与检测方法，能够利用历史信道估计值准确地估计出当前信道特征，并经过合成信道检测较好的恢复输入信号比特流。

Description

一种高铁下智能反射表面辅助信道估计与检测方法

技术领域

本发明设计无线通信技术领域，特别涉及一种高铁下智能反射表面辅助信道估计与检测方法。

背景技术

高铁信道下无线通信技术在不断地革新、进步。而传统的高铁场景存在高速移动、穿透损耗强、移动中断、数据率低等特点。相对于传统直射信道，智能反射表面（IS）辅助通信为通信增添反射信道的同时可以对通信的多普勒平移、移动中断高、多径效应等不足进行动态补偿。因此研究IS辅助通信在高铁场景下的应用非常有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高铁下智能反射表面辅助信道估计与检测方法，该方法的关键是通过根据列车历史行驶信道经验和IS辅助信道动态补偿对无线通信信道状态进行估计并检测恢复信号比特流。通过IS辅助角度反射先对多普勒平移进行动态补偿，然后根据前（K-1）次列车行驶过程中的无线信道对第K次列车的信道状态进行估计，并通过检测方案对IS辅助通信的合成信道进行比特流检测恢复，达到提高系统容量的同时，提高快时变信道的估计。

本发明的目标是这样实现的：

一种高铁下智能反射表面辅助信道估计与检测方法，特征是：

根据铁路轨道分布的固定性，在固定轨道旁安置IS反射装置，对信号的多径传播和多普勒平移进行动态补偿，利用固定轨道的特点，通过固定区域历史信道经验对当时信道状态进行信道估计，然后通过特定检测方法对IS辅助通信的合成信道进行发射信息检测恢复。方法包括以下四个过程：信号传输过程、IS反射控制和历史信道经验获取过程、快时变信道估计过程和信号比特流检测恢复过程：

过程1、信号传输过程——列车移动中继代替列车内所有用户与源基站进行通信。信号一方面通过源基站发送毫米波波束经过空间传播到达移动列车中继，从而形成直射信道传播路径。另一方面通过非规则化路径先通过IS进行智能角度反射，然后再传播到列车移动中继进行通信，此过程有了两段反射信道传播路径。

过程2、IS反射控制和历史信道经验获取过程——源基站发送控制信号，将回程链路上传的回程信息（包括信号信息和列车速度等信息）通过源基站发送到IS的CPU控制端，再通过CPU智能的控制IS的反射角度，从而利用IS对源基站发送的信号进行相位的调整而不改变其幅值。固定轨道中每一次列车经过都会获取一次历史信道经验数据，根据列车行驶固定的特点，将这些固定轨道的直射路径信道信息和反射信道信息数据存储在源基站数据库，源基站通过回程链路信息控制获取历史信道经验数据。

过程3、快时变信道估计过程——信号通过发射器发射出来之后，通过毫米波衰落进行传输。一方面通过直射路径传输，另一方面通过每个IS上的M个反射元素对源基站N根天线发射的信号进行反射。然后利用回程链路回程到源基站的信息，通过历史信道经验的基扩展模型（HiBEM）对快时变信道进行估计。由于系统存在直射路径和反射路径，因此需要分别对直射路径和反射路径进行信道估计。对合成信道估计结果可以表示为：

G_c =(y_cX(XX^H)^-1)- H_c（1）

y_c表示全系统接收信号，G_c=（G₁+ G₂+…+G_Q）表示个合成反射估计信道，H_c表示直射估计信道，G_i和H_i (i={1,2,…,Q})则分别表示为理想的合成反射信道和直射信道。HiBEM作为高铁场景快时变信道估计的基础。HiBEM的基矩阵由信道自相关矩阵R_h的前Q列特征向量构成。BEM是用一组有限个基函数的线性组合来拟合时变信道，BEM的一般形式为：h_i=(g₁b_1i+g₂b₁₂+…+g_Qb_Qi)。其中，h_i表示i个子载波信道，g_q是基系数，b_qi表示基函数。

过程4、首先通过加入输入信号X和输出信号z的外在辅助信息量。信号X外在信息被映射到编码比特流s的对数似然。经过软解调和解交织器处理外在信息信号并发送到后验概率解码器；通过后验概率解码器端获取量化器的精度；经过后验概率解调器后发送到交织器处理信号；最后通过软解调器恢复信号比特流。

本发明将快时变信道估计与检测分为四个过程：信号传输过程、IS反射控制和历史信道经验获取过程、快时变信道估计过程和信号比特流检测恢复过程，它是将列车移动中继作为用户与源基站和IS通信的中介，列车上用户与列车移动中继进行通信。本发明将快时变信道根据铁路行驶轨迹环境的固定性等特点与轨道历史经验信道相结合，并通过IS智能角度反射对信号的多径传播和多普勒平移进行动态补偿，通过特定的合成信道检测方法对信号进行比特流恢复，在提高快时变信道估计的同时大程度的准确恢复信号比特流。

本发明具有如下优点：

1、根据列车行驶轨迹和环境的固定性，充分利用列车行驶历史经验信道信息，并提高快时变信道状态信息估计的准确性。

2、通过IS智能反射在不改变信号幅度的前提下对发射信号的多径传播和多普勒平移进行动态补偿，不仅可以有效地提高信号的有效利用率，还可以减小多普勒平移对信号传输与接收的影响。

3、合成信道检测方式通过多重MMSE估计数字量化的量化器信息并恢复信号比特流，可以降低合成信号检测的误码率，避免信号通信紊乱。

4、本发明以减小高铁场景快时变信道状态信息的信道误差和合成信道通信的信号误码率为目的来提高通信质量。

附图说明

图1为本发明方法实现流程框图。

具体实施方式

下面结合实施例子并对照附图对本发明作进一步详细说明。

本发明是一种高铁下智能反射表面辅助信道估计与检测方法，在本发明中列车移动中继作为用户与源基站通信的中介，车内用户与列车移动中继进行通信。本发明中在固定轨道环境下的基站为源基站，源基站旁设置多个IS辅助通信设备，通过IS补偿作用并利用历史经验信道对快时变信道进行信道估计与检测。

本发明信道估计与检测方法包括如下几个步骤：

步骤1、列车移动中继代替列车内所有用户与源基站进行通信，直射信号通过源基站发送毫米波波束经过空间传播到达移动列车中继。散射信号通过非规则化路径先通过IS进行智能角度反射，然后再传播到列车移动中继进行通信。列车移动中继将接收到的不同路径传播的信号，然后将车速等信息通过回程链路上传至源基站。

步骤2、源基站发送控制信号，将回程链路上传的回程信息（包括信号信息和列车速度等信息）通过源基站发送到IS的CPU控制端，再通过CPU智能的控制IS的反射角度，从而利用IS对源基站发送的信号进行相位的调整而不改变其幅值。固定轨道中每一次列车经过都会获取一次历史信道经验数据，根据列车行驶固定的特点，将固定轨道的直射路径信道和反射信道信息数据存储在基站数据库，源基站通过数据库获取历史信道经验数据。

步骤3、信号通过直射信道和反射信道分别传播到列车移动中继，通过IS进行反射时IS的CPU从源基站获得到列车速度等信息，通过多普勒平移特性函数利用智能角度调整对多普勒平移进行补偿，再经过信道传输反射信号到列车移动中继。步骤4、高速列车旁边的每一个基站都可以存储并分析接收到历史车次中从用户发送过来的信号，计算出无线信道的自相关矩阵，通过基站基于估计出的前K-1次列车的信道：h_k, k=1,2,…,K-1，以及计算得到对应的自相关矩阵：R_hk, k=1,2,…,K-1，并用平均值 E{R_hk}表示第k次列车经过的信道传输自相关矩阵；接着对信道自相关矩阵R_hk进行奇异值分解得到R_hk=BVU,U是信道自相关矩阵R_hk的右奇异矩阵，V是信道自相关矩阵R_hk的特征值对角矩阵，所以历史信道经验的基扩展模型——HiBEM的基矩阵B由U的前Q列组成表示为B=U(:,1:Q)，将基矩阵B代入自然选择IS方法估计的基扩展模型——BEM的表达式则可得到信道估计误差为：e=(B(B^HB)^{- 1}B-I_N)h)（2）其中I_N是单位对角矩阵，h是列车估计信道矩阵。

步骤5、源基站发送控制信号给CPU控制关闭IS反射功能，通过HiBEM模型对直射路径状态信息进行信道估计，并获取直射路径信道状态信息。源基站发送控制信号CPU到IS控制反射功能开启，通过HiBEM模型对整体信道进行估计，并获取系统信道状态信息。通过将系统状态信息减去直射路径的信道状态信息获取IS反射信道状态信息，再利用HiBEM模型对反射路径信道进行经验数据分析并估计出反射路径信道状态信息。

步骤6、在IS辅助通信的合成信道中，需要利用合成信道的检测方式用来最大程度的恢复传输比特流信号，包括以下几个步骤：第一步，输入车载中继接收信号y和基站发射信号x的外部信息初值0和1，通过y的后验概率的均值方差和y的外部信息计算初值计算出y的外部信息；第二步，通过第一步计算出来y的外部信息和x的外部信息初值计算x的后验概率的均值方差，然后计算出x的外部信息；第三步，根据第二步x的外部信息值计算x的后验概率均值方差；第四步，根据第三步计算的x的后验概率均值方差计算x的外部信息，并作为下一次计算x的外部信息的修正值；第五步，通过线性变化y=Ax,，其中A为所有通信的合成信道，然后计算y的后验概率均值和方差，然后通过第五步计算的y的后验概率均值方差和第一步求得的y的外部信息计算y的外部信息值，并作为下一次计算y的外部信息的修正值，经过几次迭代后，算法将收敛，并且可以通过后验概率解码器输出,使用硬判决来获得x的估计值。

Claims (3)

1.一种高铁下智能发射辅助信道估计与检测方法，其特征在于，

应用于高铁场景下，其中列车移动中继作为用户与源基站通信的中介，车内用户与列车移动中继进行通信；直射信号通过源基站发送毫米波波束经过空间传播到达移动列车中继；散射信号通过非规则化路径先经过固定在轨道旁边的多个IS进行智能角度反射，然后再传播到列车移动中继进行通信；列车移动中继将接收到直射路径和反射路径所传播的信号，列车接收到信号后通过直射回程链路和反射回程链路传播导频信号，其中对于反射路径，首先根据列车的行驶速度、列车位置和基站、IS、轨道三者之间的相对距离计算出在一个通信时隙内，由列车高速移动所带来的多普勒平移角度，然后将计算出的多普勒平移角度作为IS反射角并通过基站发送至IS的CPU控制端，再通过CPU智能的控制IS的反射角度，以此来利用IS对源基站发送的信号进行相位的调整而不改变其幅值来对信号的多径传输和多普勒平移进行动态补偿；接着利用固定轨道的特点，通过固定区域历史信道经验对当时信道状态进行信道估计，最后通过合成信道检测方法对IS辅助通信的合成信道进行发射信息检测恢复。

2.根据权利要求1所述的一种高铁下智能发射辅助信道估计与检测方法，其特征在于，固定轨道中每一次列车经过都会获取一次历史信道经验数据，根据列车行驶固定的特点，将这些固定轨道的直射路径信道信息和反射信道信息数据存储在源基站数据库，源基站通过数据库获取历史信道经验数据；高速列车旁边的每一个基站都可以存储并分析接收到历史车次中从用户发送过来的信号，计算出无线信道的自相关矩阵，通过基站基于估计出的前K-1次列车的信道：h_k ,k=1,2,…,K-1，以及计算得到对应的自相关矩阵：R_hk,k=1,2,…,K-1，并用平均值 E{R_hk}表示第k次列车经过的信道传输自相关矩阵；接着对信道自相关矩阵R_hk进行奇异值分解得到R_hk=BVU,U是信道自相关矩阵R_hk的特征向量矩阵，V是信道自相关矩阵R_hk的特征值对角矩阵，所以历史信道经验的基扩展模型-HiBEM的基矩阵B由U的前Q列组成表示为B=U(:,1:Q)，将基矩阵B代入自然选择IS方法估计的基扩展模型-BEM的表达式则可得到信道估计误差为：e=(B(B^HB)^-1B-I_N)h)；其中I_N是单位对角矩阵，h是列车估计信道矩阵，源基站发送控制信号给CPU控制关闭IS反射功能，通过HiBEM模型对直射路径状态信息进行信道估计，并获取直射路径信道状态信息；源基站发送控制信号CPU控制IS控制反射功能开启，通过HiBEM模型对整体信道进行估计，并获取系统信道状态信息；通过将系统状态信息减去直射路径的信道状态信息获取IS反射信道状态信息，再利用HiBEM模型对反射路径信道进行经验数据分析并估计出反射路径信道状态信息。

3.根据权利要求1所述的一种高铁下智能反射辅助信道估计与检测方法，其特征在于，合成信道检测时，第一步，输入车载中继接收信号y和基站发射信号x的外部信息初值0和1，并计算y的后验概率均值和方差，通过y的后验概率的均值方差和y的外部信息计算初值计算出y的外部信息；第二步，通过第一步计算出来y的外部信息和x的外部信息初值计算x的后验概率的均值方差，然后计算出x的外部信息；第三步，根据第二步x的外部信息值计算x的后验概率均值方差；第四步，根据第三步计算的x的后验概率均值方差计算x的外部信息，并作为下一次计算x的外部信息的修正值；第五步，通过线性变化y=Ax，其中A为所有通信的合成信道，然后计算y的后验概率均值和方差，然后通过第五步计算的y的后验概率均值、方差和第一步求得的y的外部信息计算y的外部信息值，并作为下一次计算y的外部信息的修正值，经过几次迭代后，算法将收敛，并且可以通过后验概率解码器输出,使用硬判决来获得x的估计值。

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