CN210745171U

CN210745171U - 一种增强列车车地无线通信系统接收性能的装置

Info

Publication number: CN210745171U
Application number: CN202020182859.XU
Authority: CN
Inventors: 马征; 吴彦良
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2020-02-19
Filing date: 2020-02-19
Publication date: 2020-06-12
Anticipated expiration: 2030-02-19

Abstract

本实用新型提供了一种增强列车车地无线通信系统接收性能的装置。该装置包括：车载智能可配置反射阵面、控制器和先验信道状态信息寄存器；车载智能可配置反射阵面中设置有多个反射阵元；反射天线阵元，用于反射入射电磁波；先验信道状态信息寄存器，用于预先存储车辆行进路途沿线各位置处对应的先验信道状态信息；控制器，分别与先验信道状态信息寄存器以及车载智能可配置反射阵面中的各个反射天线阵元连接，用于计算和配置各个反射阵元的配置参数，使得整个车载智能可配置反射阵面的合成反射波指向车载接收机的接收天线。应用本实用新型可以增强列车车地无线通信系统的接收性能。

Description

一种增强列车车地无线通信系统接收性能的装置

技术领域

本申请涉及列车无线通信技术领域，尤其涉及一种增强列车车地无线通信系统接收性能的装置。

背景技术

可配置智能反射阵面，又被称作大规模智能反射阵面，由众多的反射阵元单元组成，其中每个反射阵元都可以独立地通过加权系数进行配置，以对瞬时接收到的来波进行改变和反射。通过软件对每个反射阵元的加权系数的配置，反射阵元可以改变来波的相位、幅度、频率甚至是极化方向，使各阵元合成后的反射波汇聚到接收天线上。可配置智能反射阵面通常应用于无线通信系统中，以改善系统的收发性能。通常情况下，可配置智能反射阵面可以布设在墙面，屋顶、广告牌、补盲区等地方。

但是，现有技术中的可配置智能反射阵面主要是应用于公网移动蜂窝通信或者无线局域网中，需要在基站或者移动台上采用比较复杂的方法来进行信道估计以及反射波束成型，因此收敛速度较慢。而在铁路运输领域，由于列车通常处于高速运动的状态，因此难以实时估计出信道状态信息，从而导致反射天线方向的准确性差，信号传输的效果不佳。因此，现有技术中的可配置智能反射面不能直接应用于铁路运输车辆上使用，现有技术中也未见有布置在铁路运输车辆上的可配置智能反射阵面。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种增强列车车地无线通信系统接收性能的装置，从而可以大大增强列车车地无线通信系统的接收性能。

本实用新型的技术方案具体是这样实现的：

一种增强列车车地无线通信系统接收性能的装置，该装置包括：车载智能可配置反射阵面、控制器和先验信道状态信息寄存器和控制器；

所述车载智能可配置反射阵面中设置有多个反射阵元；

所述反射天线阵元，用于反射入射电磁波；

所述先验信道状态信息寄存器，用于预先存储车辆行进路途沿线各位置处对应的先验信道状态信息；

所述控制器，分别与先验信道状态信息寄存器以及车载智能可配置反射阵面中的各个反射天线阵元连接，用于根据控制器所在的当前车辆所处的当前位置，从先验信道状态信息寄存器中获取与当前位置对应的先验信道状态信息，并根据所获取的先验信道状态信息，计算得到实时信道状态信息和来波方向，再根据实时信道状态信息计算得到与各个反射阵元对应的加权系数，并根据所对应的加权系数配置各个反射阵元的配置参数，使得整个车载智能可配置反射阵面的合成反射波指向车载接收机的接收天线。

较佳的，所述先验信道状态信息包括：服务基站信息和信道状态信息。

较佳的，所述控制器用于将从先验信道状态信息寄存器中所获取的先验信道状态信息作为初始值，通过计算得到实时信道状态信息和来波方向。

较佳的，所述控制器用于从列车车地无线通信系统获取精确的信道状态信息。

较佳的，所述反射阵元的配置参数为反射阵元的反射相位、反射幅值、频率和/或极化方向。

较佳的，所述车载智能可配置反射阵面设置在列车车顶。

如上可见，在本实用新型中的增强列车车地无线通信系统接收性能的装置中，由于控制器可以获取其所在的当前车辆的实时位置，并根据预存的与车辆行进路途沿线各位置处对应的车地传输信道的先验信道状态信息，计算得到实时信道状态信息和来波方向，或者从列车车地无线通信系统基站以及车载接收机(或车载终端)中获取相应的实时信道状态信息，进而根据实时信道状态信息计算得到与各个反射阵元对应的加权系数，并根据所对应的加权系数配置各个反射阵元的配置参数，以控制反射波束的指向、幅度以及极化方向(或者其中之一，或者两两组合)，使得整个车载智能可配置反射阵面的合成反射波的最大幅度方向指向车载接收机的接收天线，从而使得合成后的反射波可以增强车载接收机的接收信干噪比。

使用本实用新型的上述技术方案，不需要对信道状态信息进行全局搜索估计，只需利用已知的先验信道状态信息进行限制范围的局部估计即可，因此可以大大降低运算量，波束的跟踪收敛速度快，估计精度高，从而能够在沿线路高速行进的运输车辆上进行实时精确的车地传输信道估计和波达方向估计时具有更快的收敛速度，且具有很高的准确性。所以，使用本实用新型的上述技术方案，可以大大增强列车车地无线通信系统的接收性能。

附图说明

图1为本实用新型实施例中的增强列车车地无线通信系统接收性能的装置的结构框图。

图2为本实用新型实施例中的增强列车车地无线通信系统接收性能的装置的侧视示意图。

图3为本实用新型实施例中的增强列车车地无线通信系统接收性能的装置的俯视示意图。

图4为本实用新型实施例中的增强列车车地无线通信系统接收性能的方法的流程图。

具体实施方式

为使本实用新型的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本实用新型作进一步详细的说明。

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

需要说明的是，本实用新型实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本实用新型实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

本实用新型的实用新型人考虑到：由于沿铁路线运行的车辆通常是运行在固定的轨道上，而设置轨道旁的基站的位置也都是固定的，因此车辆的运动实际上是一种在二维平面上的线性运动，在相同位置不同时间上观察到信道状态信息的变化范围有限，且具有一定的规律性，因此实际上不必对信道状态信息进行全局搜索估计，而只需利用已知的先验信道状态信息进行限制范围的局部搜索估计即可，就可以加快收敛速度，提高估计精度。并且，当车辆每次运行到某一地点时，该地的环境基本不变，其信道状态信息也不会发生大的变化，因此，通过读取预先存储的先验信道状态信息，可以快速地获取信道状态信息和波达方向的先验信息，控制器即可根据预存的先验信道状态信息提前获得有限的参数调整集合，因而可以大大降低运算量，加快波束的跟踪收敛速度，从而能够在沿线路高速行进的运输车辆上进行实时精确的车地传输信道估计和波达方向估计时具有更快的收敛速度，且具有很高的准确性。

图1为本实用新型实施例中的增强列车车地无线通信系统接收性能的装置的结构示意图。如图1所示，本实用新型实施例中的增强列车车地无线通信系统接收性能的装置包括：车载智能可配置反射阵面11、先验信道状态信息寄存器12和控制器13；

所述车载智能可配置反射阵面11中设置有多个反射阵元101；

所述反射天线阵元101，用于反射入射电磁波；

所述先验信道状态信息寄存器12，用于预先存储车辆行进路途沿线各位置处对应的先验信道状态信息；

所述控制器13，分别与先验信道状态信息寄存器12以及车载智能可配置反射阵面11中的各个反射天线阵元101连接，用于根据其所在的当前车辆所处的当前位置，从先验信道状态信息寄存器12中获取与当前位置对应的先验信道状态信息，并根据所获取的先验信道状态信息，计算得到实时信道状态信息和来波方向，再根据实时信道状态信息计算得到与各个反射阵元101对应的加权系数，并根据所对应的加权系数配置各个反射阵元101的配置参数，使得整个车载智能可配置反射阵面11的合成反射波指向车载接收机的接收天线14，从而使得合成后的反射波可以增强车载接收机的接收信干噪比。

另外，作为示例，在本实用新型的一个具体实施例中，所述先验信道状态信息可以包括：服务基站信息(包括服务基站的位置信息)、信道状态信息等信息。

先验信道状态信息寄存器12中所存储的各个位置与先验信道状态信息的对应关系，可以是通过以前的观测数据获得，例如，可以基于训练和深度联合学习方法，根据之前的观测数据得到各个位置与先验信道状态信息的对应关系。

另外，作为示例，在本实用新型的一个具体实施例中，控制器可以将从先验信道状态信息寄存器中所获取的先验信道状态信息作为初始值，通过计算得到实时信道状态信息和来波方向。

由于控制器将从先验信道状态信息寄存器中获取的先验信道状态信息作为初始估计信息，而获取的先验信道状态信息通常与实际的信道状态信息偏差不大，因此实时精确估计算法可以快速收敛，控制器可以快速计算得到当前实时精确的信道状态信息，从而能够在沿铁路线行进的车辆上估计信道状态信息时具有更快的收敛速度，且具有很高的准确性。

另外，作为示例，在本实用新型的另一个具体实施例中，控制器也可以从列车车地无线通信系统基站或者车载接收机(或车载终端)获取精确的信道状态信息。

另外，作为示例，在本实用新型的另一个具体实施例中，控制器也可以从列车车地无线通信系统基站以及车载接收机(或车载终端)中获取相应的实时信道状态信息。

另外，作为示例，在本实用新型的另一个具体实施例中，控制器也可以通过有线链路或无线链路与列车车地无线通信系统基站以及车载接收机(或车载终端)连接。

此外，作为示例，在本实用新型的另一个具体实施例中，控制器也可以根据经验数据来配置各个反射阵元对应的加权系数。

另外，作为示例，在本实用新型的一个具体实施例中，所述反射阵元的配置参数可以是反射阵元的反射相位、反射幅值、频率和/或极化方向。

另外，作为示例，在本实用新型的一个具体实施例中，所述车辆具体可以是高铁列车、普铁列车、地铁列车、城际快车、轻轨列车等运输车辆。

另外，作为示例，在本实用新型的一个具体实施例中，所述车载智能可配置反射阵面11可以设置在列车车顶(如图2和图3所示)，或者其它便于反射信号到车载终端的位置。

此外，作为示例，在本实用新型的一个具体实施例中，所述车载智能可配置反射阵面11和阵元101可以设置成任意适合的形状。

另外，本实用新型实施例中的增强列车车地无线通信系统接收性能的装置可以通过如下方式来使用：

步骤41，根据当前车辆所处的当前位置，获取与当前位置对应的先验信道状态信息。

例如，作为示例，在本实用新型的一个具体实施例中，控制器可以根据其所在的当前车辆所处的当前位置，从先验信道状态信息寄存器中获取与当前位置对应的先验信道状态信息。

再例如，作为示例，在本实用新型的另一个具体实施例中，可以在先验信道状态信息寄存器中预先存储车辆行进路途沿线各位置处对应的先验信道状态信息。

例如，具体来说，所述先验信道状态信息可以包括：服务基站信息(包括服务基站的位置信息)、信道状态信息等信息。

先验信道状态信息寄存器中所存储的各个位置与先验信道状态信息的对应关系，可以是通过以前的观测数据获得，例如，可以基于训练和深度联合学习方法，根据之前的观测数据得到各个位置与先验信道状态信息的对应关系。

另外，作为示例，在本实用新型的一个具体实施例中，所述控制器可以获取其所在的当前车辆的实时位置。

步骤42，根据所获取的先验信道状态信息，计算得到实时信道状态信息和来波方向。

例如，作为示例，在本实用新型的一个具体实施例中，控制器可以将从先验信道状态信息寄存器中所获取的先验信道状态信息作为初始值，通过计算得到实时信道状态信息和来波方向。

在本步骤中，控制器可以与列车车地无线通信系统通信，从先验信道状态信息寄存器中获得服务基站及其位置、信道状态信息等，并将所获取的先验信道状态信息作为初始值，然后再利用校正算法进一步估计当前信道状态信息和波达方向信息。

由于控制器将从先验信道状态信息寄存器中获取的先验信道状态信息作为初始估计信息，而获取的先验信道状态信息通常与实际的信道状态信息偏差不大，因此实时精确估计算法可以快速收敛，控制器可以快速计算得到当前实时精确的信道状态信息，从而能够在沿铁路线行进的车辆上估计车地传输信道时具有更快的收敛速度，且具有很高的准确性。

步骤43，根据实时信道状态信息计算各个反射阵元对应的加权系数。

在得到实时信道状态信息和来波方向之后，在本步骤中，控制器即可根据实时信道状态信息计算得到各个反射阵元对应的加权系数。

步骤44，根据所对应的加权系数配置各个反射阵元的配置参数。

在得到与各个反射阵元对应的加权系数之后，在本步骤中，控制器可以根据每个反射阵元所对应的加权系数，来分别为每个反射阵元配置各自的配置参数，以控制反射波束的指向、幅度以及极化方向(或者其中之一，或者两两组合，或者三者一起)，使得整个车载智能可配置反射阵面的合成反射波的最大幅度方向指向车载接收机的接收天线，从而使得合成后的反射波可以增强车载接收机的接收信干噪比。

此外，在本实用新型的技术方案中，可以使用多种具体实现方式来设置与各个反射阵元对应的加权系数。以下将以几种具体的实施方式为例，对本实用新型的技术方案进行进一步地详细介绍。

在以下的各个具体实施例中，可以假设从基站天线到车载天线接收机的信道系数矩阵为H_BM，从基站天线到车载智能可配置反射阵面的信道系数矩阵为H_BR，从车载智能可配置反射阵面到车载接收机天线的信道系数矩阵为H_RM，车载智能可配置反射阵面上的反射阵元的反射相位为θ，反射幅值为β，第n个反射阵元的序号为n，第n个反射阵元的反射相位为θ_n，第n个反射阵元的反射幅值为β_n，车载智能可配置反射阵面上的反射阵元的总数量为N。另外，还可以设

发射机发射功率为P_d，第K个干扰源的干扰功率为P_k，则车载接收机接收信号功率对干扰噪声的比率(SINR，信号与干扰加噪声比)可以表示为：

其中，w为基站天线波束成型的权重因子(对于无波束成型的基站，w为单位阵或1)，σ为噪声方差，H_IR,k为第K个干扰源到车载智能可配置反射阵面的信道系数矩阵,H_IM,k为K个干扰源到车载接收机天线的信道系数矩阵。

实施例一、控制器固定配置各个反射阵元的加权系数。

在本实施例一中，在车辆运行过程中，控制器可以固定配置各个反射阵元的加权系数。

例如：控制器将各个反射阵元的反射相位均设置为0，并将各个反射阵元的反射幅值均设置为1。即：

其中，n为第n个反射阵元的序号，θ_n为第n个反射阵元的反射相位，β_n为第n个反射阵元的反射幅值，N为反射阵元的总数量。

实施例二、控制器固定配置各个反射阵元的反射幅值，并随机配置各个反射阵元的反射相位。

在本实施例二中，在车辆运行过程中，控制器可以随机配置各个反射阵元的加权系数。

例如：控制器将各个反射阵元的反射幅值均设置为1，并随机配置各个反射阵元的反射相位，各个反射阵元的反射相位服从均匀分布。即：

其中，n为第n个反射阵元的序号，θ_n为第n个反射阵元的反射相位，θ_n～[0,2π)表示：θ_n服从均匀分布的随机取值范围为[0,2π)；β_n为第n个反射阵元的反射幅值，N为反射阵元的总数量。

实施例三、控制器最优化配置各个反射阵元的加权系数。

在本实施例三中，如果控制器能获取干扰信道的信道系数矩阵H_IR,k，在车辆运行过程中，控制器将根据从先验信道状态信息寄存器中获取的信道状态信息和波达方向(DOA)，估计实时信道状态信息，或者从列车车地无线通信系统基站以及车载接收机(或车载终端)中获取相应的实时信道状态信息，计算各个反射阵元对应的加权系数，并最优化配置各个反射阵元的反射相位和反射幅值。

例如，可以求解满足以下优化问题获得最优的配置参数θ_n和β_n：

Maximize SINR

其中，n为反射阵元的序号，θ_n为第n个反射阵元的反射相位，β_n为第n个反射阵元的反射幅值，N为反射阵元的总数量，Maximize SINR表示：最大化信号与干扰加噪声比。

实施例四、控制器随机设置干扰信道的信道系数矩阵，最优化配置各个反射阵元的加权系数。

考虑到控制器可能不能获得来自于干扰信道的信道状态，在本实施例四中，控制器随机设置干扰信道的信道系数矩阵，即设置：

其中，CN(0,σ_IR,k)代表均值为0,方差为σ_IR,k的复高斯分布。

然后求解：

Maximize SINR

获得第n个反射阵元的反射相位θ_n以及第n个反射阵元的反射幅值β_n。

实施例五、控制器按最大化接收有用信号功率配置各个反射阵元的加权系数。

在本实施例五中，在车辆运行过程中，控制器根据从先验信道状态信息寄存器中获取的信道状态信息和波达方向(DOA)，估计实时信道状态信息，或者从列车车地无线通信系统基站以及车载接收机(或车载终端)中获取相应的实时信道状态信息，计算各个反射阵元对应的加权系数，并配置各个反射阵元的反射相位和反射幅值，使接收有用信号功率最大化。

例如，可以求解满足以下优化问题的最优解，以获得次优的配置参数θ_n和β_n：

例如，其中的一个闭合解为：

其中，n为第n个反射阵元的序号，θ_n为第n个反射阵元的反射相位，β_n为第n个反射阵元的反射幅值，N为反射阵元的总数量；

为反射阵面到车载移动台天线信道系数矩阵的共轭转置矩阵，H_BR为从基站天线到车载智能可配置反射阵面的信道系数矩阵，H_BM为从基站天线到车载天线接收机的信道系数矩阵，

为

的第n行元素，h_BR,n为H_BR的第n行元素，w为基站天线波束成型的权重因子。

实施例六、控制器分组配置各个反射阵元的加权系数。

在本实施例六中，控制器将对车载智能可配置反射阵面中的各个反射阵元进行分组，然后根据实时信道状态信息，分别设置各个分组中的各个反射阵元的加权系数。

例如，可以以接收机天线在车体的横向投影为中心线，将车载智能可配置反射阵面中的各个反射阵元分成2个部分：前向部分阵列组和后向部分阵列组。

然后，在车辆运行过程中，从先验信道状态信息寄存器以及车载接收机中获取当前服务基站的信息；如果当前服务基站位于车头行进方向的前方，则控制器配置屏蔽掉后向部分阵列组中的各个反射阵元(即不配置加权系数)，仅为前向部分阵列组中的各个反射阵元配置相应的加权系数；而如果当前服务基站位于车头行进方向的后方，则控制器配置屏蔽掉前向部分阵列组中的各个反射阵元(即不配置加权系数)，仅为后向部分阵列组中的各个反射阵元配置相应的加权系数。

另外，在本实用新型的技术方案中，可以使用实施例一～实施例五中的配置方法，来为前向部分阵列组或后向部分阵列组中的各个反射阵元计算并配置相应的加权系数。

综上可知，在本实用新型的技术方案中，由于控制器可以获取其所在的当前车辆的实时位置，并根据预存的与车辆行进路途沿线各位置处对应的车地传输信道的先验信道状态信息，计算得到实时信道状态信息和来波方向，或者从列车车地无线通信系统基站以及车载接收机(或车载终端)中获取相应的实时信道状态信息，进而根据实时信道状态信息计算得到与各个反射阵元对应的加权系数，并根据所对应的加权系数配置各个反射阵元的配置参数，以控制反射波束的指向、幅度以及极化方向(或者其中之一，或者两两组合)，使得整个车载智能可配置反射阵面的合成反射波的最大幅度方向指向车载接收机的接收天线，从而使得合成后的反射波可以增强车载接收机的接收信干噪比。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种增强列车车地无线通信系统接收性能的装置，其特征在于，该装置包括：车载智能可配置反射阵面、控制器和先验信道状态信息寄存器；

所述车载智能可配置反射阵面中设置有多个反射阵元；

所述反射天线阵元，用于反射入射电磁波；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述先验信道状态信息包括：服务基站信息和信道状态信息。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：

所述控制器用于将从先验信道状态信息寄存器中所获取的先验信道状态信息作为初始值，通过计算得到实时信道状态信息和来波方向。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述控制器用于从列车车地无线通信系统获取精确的信道状态信息。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述反射阵元的配置参数为反射阵元的反射相位、反射幅值、频率和/或极化方向。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述车载智能可配置反射阵面设置在列车车顶。