智能反射面在高鐵通信下的應用研究

王靖瑜 鞠宏浩 方旭明

摘要：提出了一種智能反射面（IRS）輔助的高鐵通信方案。針對視距（LOS）主導的無線通信場景，在車載接入點（AP）和基站（BS）已知信道狀態情況下，本方案首先通過調整IRS反射信號相位，補償級聯信道中LOS分量的多普勒頻移，后通過最大化LOS徑波束賦形增益，并在接收端處將IRS反射信號與基站發射信號相干疊加，提升接收信號質量。仿真結果表明，相比于未部署IRS場景，IRS輔助的高鐵無線通信系統有效減輕了高鐵高速移動對無線信道帶來的快衰落影響，并且系統誤比特率性能也得到了明顯改善。

關鍵詞：高速鐵路；智能反射面；快衰落；波束賦形

Abstract： An Intelligent Reflecting Surface （IRS）-assisted high-speed railway communications scheme is proposed. For the Line-Of-Sight （LOS） dominant communication scenario， assuming the channel state information is perfectly known by the access point （AP） and base station （BS）， the proposed scheme can control the IRS reflecting phase to compensate for the Doppler shift of the LOS component， maximize the beamforming gain of the LOS path， and achieve the coherent combination of the IRS reflected signal and BS transmitted signal. Simulation results show that the IRS-assisted high-speed railway communications system can effectively alleviate the fast fading and improve system Bit Error Rate.

Keywords： high-speed railway； Intelligent Reflecting Surface； fast fading； beamforming

高鐵作為一種方便快捷的交通運輸系統，具有運力強、效率高、速度快等優點，目前已經成為人們主要的出行方式之一。作為高鐵乘客的主要信息交互手段，高鐵車地通信系統的業務需求量也隨著高鐵乘客量的增加而急劇增長。然而，不同于傳統的地面交通工具，高鐵具有很高的運行速度，這將在信號收發端產生較大的多普勒頻偏[1]，嚴重時可能還會導致接收端無法解調信號，這給高鐵車地通信系統的設計帶來了極大挑戰。

近年興起的智能反射面（IRS）具備重塑信道環境的能力[2]。IRS可以控制每個反射單元的幅度和相移，并根據信道狀態動態調整反射信號[3]。利用這一特點，IRS能夠實時補償多普勒頻移的相位變化，從而減少多普勒頻移對接收端的影響[4-5]。若將其運用到高鐵車地通信系統設計中，有望解決高鐵高速移動過程中的信道快衰落問題。

1 IRS輔助的高鐵車地通信系統

在高鐵通信中，為了避免電磁波穿透高鐵車廂的穿透損耗，車內用戶和地面基站一般采用基站（BS）與車載接入點（AP）通信、車載AP與車內用戶通信的兩跳鏈路。由于中國高鐵線路主要以開闊環境為主，鐵路周圍反射和散射較少，存在較強視距（LOS）徑[6]。因此，本文中我們主要在LOS徑主導的高速移動場景下，研究IRS輔助的高鐵無線通信性能提升方法。

2系統模型建立及求解

通過以上分析，我們可以利用IRS來提升高鐵快速移動時的通信接收性能。如圖1所示，首先利用IRS建立級聯鏈路，在IRS處分離出LOS分量和非視距（NLOS）分量。其中，LOS分量和NLOS分量分別受多普勒頻移和多普勒擴展影響。然后利用IRS調整LOS分量反射信號相位，在消除LOS分量多普勒頻移的同時，通過波束賦形提高LOS徑增益。最后，在AP側將IRS反射信號與基站發射信號相干疊加，整體上提升接收端信噪比并減少信道快衰落影響。

2.1 IRS輔助下的高鐵通信模型

在上述基礎上，我們研究可達速率R與單元數NI間關系。根據圖3可知，部署IRS后，IRS采用最優相位或隨機相位，可達速率均隨NI增加而增大。但采用最優相位后，可達速率R具有更高的增長速率。

最后，固定BS坐標為（0 m，0 m，20 m），IRS坐標為（0 m，300 m，20 m），假設IRS單元數NI= 40×40、BS發射16進制正交幅度調制（QAM）信號，并分析車載AP分別運行至不同位置時誤比特率情況。從圖4可以看出，沒有部署IRS時，由于不存在波束賦形增益，接收信噪比相對較低，誤比特率相對較大。當IRS調整至最優相位時，該方案充分利用了BS-AP以及BSIRS-AP兩條鏈路帶來的分集增益，所以誤比特率相對較低。此外，當IRS調整至最優相位時，隨著列車遠離BS并逐漸向IRS靠近，誤比特率呈現出先增后減的趨勢。這是因為列車在靠近BS時，AP到BS路徑損耗較小，接收信噪比較大，使得誤比特率降低；而列車靠近IRS時，AP接收到的BS信號較弱，但由于AP更靠近IRS，因此能夠接收到較強的IRS反射信號。這使得接收信噪比仍然保持著一個較高值，誤比特率仍處于較低水平。當列車處于中間位置（同時遠離BS與IRS）時，AP端的接收信噪比相對較低，誤比特率相對較大。

4結束語

本文中，我們研究了IRS輔助下的高鐵通信方案。在車載AP和BS已知信道狀態條件下，通過IRS對反射信號進行相移調整，能夠補償級聯信道LOS分量的多普勒頻移，優化IRS波束賦形增益，并在車載AP處實現反射信號與發射信號相干疊加。仿真結果表明，采用IRS輔助后，等效信道的信道增益隨時間波動幅度小且更加平緩，誤比特率性能得到較大提升，能夠較好地提高了高鐵通信系統性能，減少信道快衰落影響。

參考文獻

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作者簡介

王靖瑜，西南交通大學在讀碩士研究生；主要研究方向為智能反射表面輔助的移動通信系統設計。

鞠宏浩，西南交通大學助理研究員；主要研究方向為高速移動通信系統設計。

方旭明，西南交通大學教授、博導；主要研究領域為下一代移動通信系統和軌道交通移動通信關鍵技術；主持或參與“973”計劃、“863”計劃、重大科技專項、自然科學基金重點和面上項目，以及中國鐵路總公司重大、重點科技研發項目等60余項；發表論文300余篇，獲得發明專利40余項。