智能反射面在高铁通信下的应用研究

王靖瑜 鞠宏浩 方旭明

摘要：提出了一种智能反射面（IRS）辅助的高铁通信方案。针对视距（LOS）主导的无线通信场景，在车载接入点（AP）和基站（BS）已知信道状态情况下，本方案首先通过调整IRS反射信号相位，补偿级联信道中LOS分量的多普勒频移，后通过最大化LOS径波束赋形增益，并在接收端处将IRS反射信号与基站发射信号相干叠加，提升接收信号质量。仿真结果表明，相比于未部署IRS场景，IRS辅助的高铁无线通信系统有效减轻了高铁高速移动对无线信道带来的快衰落影响，并且系统误比特率性能也得到了明显改善。

关键词：高速铁路；智能反射面；快衰落；波束赋形

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

高鐵作为一种方便快捷的交通运输系统，具有运力强、效率高、速度快等优点，目前已经成为人们主要的出行方式之一。作为高铁乘客的主要信息交互手段，高铁车地通信系统的业务需求量也随着高铁乘客量的增加而急剧增长。然而，不同于传统的地面交通工具，高铁具有很高的运行速度，这将在信号收发端产生较大的多普勒频偏[1]，严重时可能还会导致接收端无法解调信号，这给高铁车地通信系统的设计带来了极大挑战。

近年兴起的智能反射面（IRS）具备重塑信道环境的能力[2]。IRS可以控制每个反射单元的幅度和相移，并根据信道状态动态调整反射信号[3]。利用这一特点，IRS能够实时补偿多普勒频移的相位变化，从而减少多普勒频移对接收端的影响[4-5]。若将其运用到高铁车地通信系统设计中，有望解决高铁高速移动过程中的信道快衰落问题。

1 IRS辅助的高铁车地通信系统

在高铁通信中，为了避免电磁波穿透高铁车厢的穿透损耗，车内用户和地面基站一般采用基站（BS）与车载接入点（AP）通信、车载AP与车内用户通信的两跳链路。由于中国高铁线路主要以开阔环境为主，铁路周围反射和散射较少，存在较强视距（LOS）径[6]。因此，本文中我们主要在LOS径主导的高速移动场景下，研究IRS辅助的高铁无线通信性能提升方法。

2系统模型建立及求解

通过以上分析，我们可以利用IRS来提升高铁快速移动时的通信接收性能。如图1所示，首先利用IRS建立级联链路，在IRS处分离出LOS分量和非视距（NLOS）分量。其中，LOS分量和NLOS分量分别受多普勒频移和多普勒扩展影响。然后利用IRS调整LOS分量反射信号相位，在消除LOS分量多普勒频移的同时，通过波束赋形提高LOS径增益。最后，在AP侧将IRS反射信号与基站发射信号相干叠加，整体上提升接收端信噪比并减少信道快衰落影响。

2.1 IRS辅助下的高铁通信模型

在上述基础上，我们研究可达速率R与单元数NI间关系。根据图3可知，部署IRS后，IRS采用最优相位或随机相位，可达速率均随NI增加而增大。但采用最优相位后，可达速率R具有更高的增长速率。

最后，固定BS坐标为（0 m，0 m，20 m），IRS坐标为（0 m，300 m，20 m），假设IRS单元数NI= 40×40、BS发射16进制正交幅度调制（QAM）信号，并分析车载AP分别运行至不同位置时误比特率情况。从图4可以看出，没有部署IRS时，由于不存在波束赋形增益，接收信噪比相对较低，误比特率相对较大。当IRS调整至最优相位时，该方案充分利用了BS-AP以及BSIRS-AP两条链路带来的分集增益，所以误比特率相对较低。此外，当IRS调整至最优相位时，随着列车远离BS并逐渐向IRS靠近，误比特率呈现出先增后减的趋势。这是因为列车在靠近BS时，AP到BS路径损耗较小，接收信噪比较大，使得误比特率降低；而列车靠近IRS时，AP接收到的BS信号较弱，但由于AP更靠近IRS，因此能够接收到较强的IRS反射信号。这使得接收信噪比仍然保持着一个较高值，误比特率仍处于较低水平。当列车处于中间位置（同时远离BS与IRS）时，AP端的接收信噪比相对较低，误比特率相对较大。

4结束语

本文中，我们研究了IRS辅助下的高铁通信方案。在车载AP和BS已知信道状态条件下，通过IRS对反射信号进行相移调整，能够补偿级联信道LOS分量的多普勒频移，优化IRS波束赋形增益，并在车载AP处实现反射信号与发射信号相干叠加。仿真结果表明，采用IRS辅助后，等效信道的信道增益随时间波动幅度小且更加平缓，误比特率性能得到较大提升，能够较好地提高了高铁通信系统性能，减少信道快衰落影响。

参考文献

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作者簡介

王靖瑜，西南交通大学在读硕士研究生；主要研究方向为智能反射表面辅助的移动通信系统设计。

鞠宏浩，西南交通大学助理研究员；主要研究方向为高速移动通信系统设计。

方旭明，西南交通大学教授、博导；主要研究领域为下一代移动通信系统和轨道交通移动通信关键技术；主持或参与“973”计划、“863”计划、重大科技专项、自然科学基金重点和面上项目，以及中国铁路总公司重大、重点科技研发项目等60余项；发表论文300余篇，获得发明专利40余项。