CN115988456A - 一种基于位置信息的高铁智能车窗单元分配通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于位置信息的高铁智能车窗单元分配通信方法，基于空间调制技术传输机制将传输信息的索引信息部分映射至智能车窗，进而激活对应智能车窗进行信号传输，然后根据高铁列车位置信息计算所需传输单元数，从激活智能车窗的所有智能单元开始，对单元数进行递减迭代，直至满足最小传输容量，获得最小传输单元数，最后，基于信号垂直入射损耗最小原则，选择入射信号夹角满足与智能车窗垂直的智能单元进行激活，若不存在垂直入射角度的智能单元，则调整智能单元的单元相移，使入射信号夹角与单元相移叠加垂直入射，所需激活单元数为最小传输单元数，最终提升整体系统性能和实现能效最大化。

Description

一种基于位置信息的高铁智能车窗单元分配通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信网络技术领域，特别是涉及一种基于位置信息的高铁智能车窗单元分配通信方法。

背景技术

近年来，随着高铁里程的不断增加，未来选择高铁出行会变得越发趋于常态。而高铁无线通信系统作为高铁列车行车安全、运营维护和旅客信息服务的中枢神经，在高铁运行过程中起关键性作用。在高铁运行场景下，由于高铁列车的高速移动，无线通信则会遭受高多普勒频移、天线间干扰和高铁列车车体金属高穿透损耗的影响，使得无线通信性能恶化，导致现有技术无法满足铁路无线通信的高需求。

透射和反射的可重构智能表面（Simultaneous Transmitting and Reflecting-Reconfigurable Intelligent Surface，STAR-RIS）和空间调制（Spatial Modulation，SM）技术的发展为解决上述问题提供了新的解决方案，通过将STAR-RIS与高铁列车车窗相结合形成智能车窗，透射或反射轨旁基站的信号至高铁内部接收端，从而避免车体金属高穿透损耗的影响；SM技术能够通过将传输信息分流映射的方式来获得空间复用增益，从而避免高多普勒频移、天线间干扰所引起的传输速率下降问题，STAR-RIS和空间调制技术的结合传输来保证高铁场景下高无线通信性能。

但由于轨旁基站与高铁列车之间存在高路径损耗且部分距离接收端过远的STAR-RIS单元传输增益较小，在高铁场景下采用STAR-RIS辅助的空间调制传输方案，激活所有单元传输会增加基站发射端和智能车窗的传输功率，从而导致通信系统能效下降。因此，需要对智能车窗单元进行合理分配设计来保证通信系统高传输性能和传输能效最大化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于位置信息的高铁智能车窗单元分配通信方法，将STAR-RIS辅助的空间调制技术与高铁列车车窗结合成为智能车窗，使智能车窗具有能够额外携带索引信息和透射/反射传输信号的能力，从而保证通信系统高传输性能，并且基于位置坐标等信息对智能单元进行选择传输，实现通信系统能效最大化。

一种基于位置信息的高铁智能车窗单元分配通信方法，包括：

步骤1，在轨旁基站与高铁列车接收端进行数据采集训练以得到数据训练信息，当高铁列车运行至轨旁基站的服务范围内时，轨旁基站根据数据训练信息获取高铁列车位置信息以及无线传输信道状态信息，在高铁列车内部，通过智能车窗上STAR-RIS的控制器与高铁列车接收端进行通信获得内部传输信道状态信息，在传输过程中仅有轨旁基站至智能车窗、智能车窗至高铁列车接收端这两段传输信道，通信系统所需传输信息包括高铁列车位置信息、无线传输信道状态信息、内部传输信道状态信息；

步骤2，智能车窗根据传输信息的空间调制索引信息位数，将所有智能车窗均分成若干组，使每个组承载不同的空间调制索引信息，并根据空间调制索引信息激活对应智能车窗进行信号传输，传输的信号为根据空间调制技术得到的传输信息中的幅度相位调制信息；

步骤3，根据高铁列车位置信息，从智能车窗的所有智能单元全部激活传输开始，进行迭代单元数递减，当满足最小传输容量时，停止迭代，获得满足容量的最小传输单元数；

步骤4，基于信号垂直入射损耗最小原则，选择轨旁基站与智能车窗的入射信号夹角为90°的智能单元进行激活，实现高铁智能车窗单元的分配通信，当智能单元的入射信号夹角小于或大于90°时，将对应调整智能单元的单元相移，使入射信号夹角与单元相移叠加等于90°，所需激活单元数为步骤3中计算得到的最小传输单元数。

根据本发明提供的基于位置信息的高铁智能车窗单元分配通信方法，基于空间调制技术传输机制将传输信息的索引信息部分映射至智能车窗，进而激活对应智能车窗进行信号传输，然后根据高铁列车位置信息计算所需传输单元数，从激活智能车窗的所有智能单元开始，对单元数进行递减迭代，直至满足最小传输容量，获得最小传输单元数，最后，基于信号垂直入射损耗最小原则，选择入射信号夹角满足与智能车窗垂直的智能单元进行激活，若不存在垂直入射角度的智能单元，则调整智能单元的单元相移，使入射信号夹角与单元相移叠加垂直入射，所需激活单元数为最小传输单元数，最终提升整体系统性能和实现能效最大化，实现了在高铁场景下的高通信增益和低功率损耗。

此外，上述的基于位置信息的高铁智能车窗单元分配通信方法，还具有以下技术特征：

进一步的，步骤1具体包括：

当高铁列车运行至轨旁基站的服务范围内，高铁列车与轨旁基站相互通信传输时，由高铁列车接收端将列车位置信息坐标（x₁, y₁）上行传输至轨旁基站，由轨旁基站坐标（x₀, y₀）计算获取高铁列车与轨旁基站的直线距离d₀=sqrt[(x₁-x₀)+(y₁-y₀)]、轨旁基站与智能车窗的入射信号夹角，其中sqrt表示求根运算，arctan表示反正切函数；

在传输过程中仅有轨旁基站至智能车窗、智能车窗至高铁列车接收端这两段传输信道，根据导频信号反馈方式，在轨旁基站发射端和智能车窗上STAR-RIS的控制器处分别获得轨旁基站至智能车窗的无线传输信道H_BR、智能车窗至高铁列车接收端的无线传输信道H_RU。

进一步的，步骤2具体包括：

采用空间调制技术将传输信息x分为两部分，一部分为索引信息x₁，另一部分为幅度相位调制信息x₂，根据索引信息比特位数a将O块智能车窗均分成若干组，则索引信息所映射对应智能车窗组数为O/2^a，当智能车窗上STAR-RIS的控制器接收到来自轨旁基站的传输信息时，根据信号索引信息x₁激活对应映射的智能车窗组，令对应激活的智能车窗组的透射系数=1，反射系数=0，其余未激活的智能车窗组的透射系数=0，反射系数=1，智能车窗激活后进行信号传输，传输的信号为根据空间调制技术得到的传输信息中的幅度相位调制信息x₂。

进一步的，步骤3具体包括：

确定对应智能车窗传输后，计算所需单元数，根据高铁列车位置信息，从激活对应智能车窗的所有单元数N开始，对单元数进行递减迭代，计算满足最低传输速率C_min所对应的最小传输单元数N_min，计算公式如下：

其中，C表示传输速率，log₂表示求以2为底的对数运算，P_s表示轨旁基站的发射功率， N ₀表示无线传输信道的噪声功率，n表示第n个智能单元，表示对n进行从1到N的求和运算，、、、分别表示H_RU、、智能车窗的对角相移矩阵、H_BR中的第n个元素，表示对角相移矩阵中的单元相移，exp表示以e为底的指数函数，当传输速率C≥C_min时，对单元数进行迭代递减，直至C<C_min，取此时最小传输单元数N_min=N+1。

进一步的，步骤4具体包括：

优先选择轨旁基站与智能车窗的入射信号夹角为90°的智能单元进行激活，当智能单元的入射信号夹角小于或大于90°时，通过对智能车窗的对角相移矩阵中单元相移进行调整，对入射信号夹角进行补偿使，所激活单元数为步骤3中计算得到的最小传输单元数N_min，使激活的智能单元的透射系数等于1，其余未激活的智能单元的透射系数等于0。

附图说明

图1为本发明实施例的基于位置信息的高铁智能车窗单元分配通信方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明的实施例提供了一种基于位置信息的高铁智能车窗单元分配通信方法，包括步骤1~步骤4。

步骤1，在轨旁基站与高铁列车接收端进行数据采集训练以得到数据训练信息，当高铁列车运行至轨旁基站的服务范围内时，轨旁基站根据数据训练信息获取高铁列车位置信息以及无线传输信道状态信息，在高铁列车内部，通过智能车窗上STAR-RIS的控制器与高铁列车接收端进行通信获得内部传输信道状态信息，在传输过程中仅有轨旁基站至智能车窗、智能车窗至高铁列车接收端这两段传输信道，通信系统所需传输信息包括高铁列车位置信息、无线传输信道状态信息、内部传输信道状态信息。

其中，步骤1具体包括：

基于高铁列车运行线路固定，当高铁列车运行至轨旁基站的服务范围内，高铁列车与轨旁基站相互通信传输时，由高铁列车接收端将列车位置信息坐标（x₁, y₁）上行传输至轨旁基站，由轨旁基站坐标（x₀, y₀）计算获取高铁列车与轨旁基站的直线距离d₀=sqrt[(x₁-x₀)+(y₁-y₀)]、轨旁基站与智能车窗的入射信号夹角，其中sqrt表示求根运算，arctan表示反正切函数；

考虑到高铁列车车体高穿透损耗，在传输过程中仅有轨旁基站至智能车窗、智能车窗至高铁列车接收端这两段传输信道，根据导频信号反馈方式，在轨旁基站发射端和智能车窗上STAR-RIS的控制器处分别获得轨旁基站至智能车窗的无线传输信道H_BR、智能车窗至高铁列车接收端的无线传输信道H_RU，获取通信系统所需传输信息后执行步骤2。

步骤2，智能车窗根据传输信息的空间调制索引信息位数，将所有智能车窗均分成若干组，使每个组承载不同的空间调制索引信息，并根据空间调制索引信息激活对应智能车窗进行信号传输，传输的信号为根据空间调制技术得到的传输信息中的幅度相位调制信息。

其中，步骤2具体包括：

采用空间调制技术将传输信息x分为两部分，一部分为索引信息x₁，另一部分为幅度相位调制信息x₂，根据索引信息比特位数a将O块智能车窗均分成若干组，则索引信息所映射对应智能车窗组数为O/2^a，当智能车窗上STAR-RIS的控制器接收到来自轨旁基站的传输信息时，根据信号索引信息x₁激活对应映射的智能车窗组，令对应激活的智能车窗组的透射系数=1，反射系数=0，其余未激活的智能车窗组的透射系数=0，反射系数=1，智能车窗激活后进行信号传输，传输的信号为根据空间调制技术得到的传输信息中的幅度相位调制信息x₂。

步骤3，根据高铁列车位置信息，从智能车窗的所有智能单元全部激活传输开始，进行迭代单元数递减，当满足最小传输容量时，停止迭代，获得满足容量的最小传输单元数。

其中，步骤3具体包括：

确定对应智能车窗传输后，计算所需单元数，根据高铁列车位置信息，从激活对应智能车窗的所有单元数N开始，对单元数进行递减迭代，计算满足最低传输速率C_min所对应的最小传输单元数N_min，计算公式如下：

其中，C表示传输速率，log₂表示求以2为底的对数运算，P_s表示轨旁基站的发射功率， N ₀表示无线传输信道的噪声功率，n表示第n个智能单元，表示对n进行从1到N的求和运算，、、、分别表示H_RU、、智能车窗的对角相移矩阵、H_BR中的第n个元素，表示对角相移矩阵中的单元相移，exp表示以e为底的指数函数，当传输速率C≥C_min时，对单元数进行迭代递减，直至C<C_min，取此时最小传输单元数N_min=N+1。

步骤4，基于信号垂直入射损耗最小原则，选择轨旁基站与智能车窗的入射信号夹角为90°的智能单元进行激活，实现高铁智能车窗单元的分配通信，当智能单元的入射信号夹角小于或大于90°时，将对应调整智能单元的单元相移，使入射信号夹角与单元相移叠加等于90°，所需激活单元数为步骤3中计算得到的最小传输单元数。

其中，由于信号垂直入射时所产生的损耗值最小，因此优先选择轨旁基站与智能车窗的入射信号夹角为90°的智能单元进行激活，当智能单元的入射信号夹角小于或大于90°时，通过对智能车窗的对角相移矩阵中单元相移进行调整，对入射信号夹角进行补偿使，所激活单元数为步骤3中计算得到的最小传输单元数N_min，使激活的智能单元的透射系数等于1，其余未激活的智能单元的透射系数等于0。

通过模拟实验对本发明提供的方法进行验证，表1和表2展示了相同实验条件下本发明与现有技术的传输速率和能量效率的对比。

表1

表2

从表1和表2可以看出，本发明提供的方法在传输速率和能量效率方面都明显优于现有技术。

综上，根据本发明提供的基于位置信息的高铁智能车窗单元分配通信方法，基于空间调制技术传输机制将传输信息的索引信息部分映射至智能车窗，进而激活对应智能车窗进行信号传输，然后根据高铁列车位置信息计算所需传输单元数，从激活智能车窗的所有智能单元开始，对单元数进行递减迭代，直至满足最小传输容量，获得最小传输单元数，最后，基于信号垂直入射损耗最小原则，选择入射信号夹角满足与智能车窗垂直的智能单元进行激活，若不存在垂直入射角度的智能单元，则调整智能单元的单元相移，使入射信号夹角与单元相移叠加垂直入射，所需激活单元数为最小传输单元数，最终提升整体系统性能和实现能效最大化，实现了在高铁场景下的高通信增益和低功率损耗。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于位置信息的高铁智能车窗单元分配通信方法，其特征在于，包括：

步骤1，在轨旁基站与高铁列车接收端进行数据采集训练以得到数据训练信息，当高铁列车运行至轨旁基站的服务范围内时，轨旁基站根据数据训练信息获取高铁列车位置信息以及无线传输信道状态信息，在高铁列车内部，通过智能车窗上STAR-RIS的控制器与高铁列车接收端进行通信获得内部传输信道状态信息，在传输过程中仅有轨旁基站至智能车窗、智能车窗至高铁列车接收端这两段传输信道，通信系统所需传输信息包括高铁列车位置信息、无线传输信道状态信息、内部传输信道状态信息；

步骤2，智能车窗根据传输信息的空间调制索引信息位数，将所有智能车窗均分成若干组，使每个组承载不同的空间调制索引信息，并根据空间调制索引信息激活对应智能车窗进行信号传输，传输的信号为根据空间调制技术得到的传输信息中的幅度相位调制信息；

步骤3，根据高铁列车位置信息，从智能车窗的所有智能单元全部激活传输开始，进行迭代单元数递减，当满足最小传输容量时，停止迭代，获得满足容量的最小传输单元数；

步骤4，基于信号垂直入射损耗最小原则，选择轨旁基站与智能车窗的入射信号夹角为90°的智能单元进行激活，实现高铁智能车窗单元的分配通信，当智能单元的入射信号夹角小于或大于90°时，将对应调整智能单元的单元相移，使入射信号夹角与单元相移叠加等于90°，所需激活单元数为步骤3中计算得到的最小传输单元数。

2.根据权利要求1所述的基于位置信息的高铁智能车窗单元分配通信方法，其特征在于，步骤1具体包括：

当高铁列车运行至轨旁基站的服务范围内，高铁列车与轨旁基站相互通信传输时，由高铁列车接收端将列车位置信息坐标（x₁, y₁）上行传输至轨旁基站，由轨旁基站坐标（x₀,y₀）计算获取高铁列车与轨旁基站的直线距离d₀=sqrt[(x₁-x₀)+(y₁-y₀)]、轨旁基站与智能车窗的入射信号夹角，其中sqrt表示求根运算，arctan表示反正切函数；

在传输过程中仅有轨旁基站至智能车窗、智能车窗至高铁列车接收端这两段传输信道，根据导频信号反馈方式，在轨旁基站发射端和智能车窗上STAR-RIS的控制器处分别获得轨旁基站至智能车窗的无线传输信道H_BR、智能车窗至高铁列车接收端的无线传输信道H_RU。

3.根据权利要求2所述的基于位置信息的高铁智能车窗单元分配通信方法，其特征在于，步骤2具体包括：

采用空间调制技术将传输信息x分为两部分，一部分为索引信息x₁，另一部分为幅度相位调制信息x₂，根据索引信息比特位数a将O块智能车窗均分成若干组，则索引信息所映射对应智能车窗组数为O/2^a，当智能车窗上STAR-RIS的控制器接收到来自轨旁基站的传输信息时，根据信号索引信息x₁激活对应映射的智能车窗组，令对应激活的智能车窗组的透射系数=1，反射系数=0，其余未激活的智能车窗组的透射系数=0，反射系数=1，智能车窗激活后进行信号传输，传输的信号为根据空间调制技术得到的传输信息中的幅度相位调制信息x₂。

4.根据权利要求3所述的基于位置信息的高铁智能车窗单元分配通信方法，其特征在于，步骤3具体包括：

确定对应智能车窗传输后，计算所需单元数，根据高铁列车位置信息，从激活对应智能车窗的所有单元数N开始，对单元数进行递减迭代，计算满足最低传输速率C_min所对应的最小传输单元数N_min，计算公式如下：

其中，C表示传输速率，log₂表示求以2为底的对数运算，P_s表示轨旁基站的发射功率，N ₀表示无线传输信道的噪声功率，n表示第n个智能单元，表示对n进行从1到N的求和运算，、、、分别表示H_RU、、智能车窗的对角相移矩阵、H_BR中的第n个元素，表示对角相移矩阵中的单元相移，exp表示以e为底的指数函数，当传输速率C≥C_min时，对单元数进行迭代递减，直至C< C_min，取此时最小传输单元数N_min=N+1。

5.根据权利要求4所述的基于位置信息的高铁智能车窗单元分配通信方法，其特征在于，步骤4具体包括：

优先选择轨旁基站与智能车窗的入射信号夹角为90°的智能单元进行激活，当智能单元的入射信号夹角小于或大于90°时，通过对智能车窗的对角相移矩阵中单元相移进行调整，对入射信号夹角进行补偿使，所激活单元数为步骤3中计算得到的最小传输单元数N_min，使激活的智能单元的透射系数等于1，其余未激活的智能单元的透射系数等于0。

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