面向高速移動的毫米波信道估計

左世元 范戎飛

摘要：準確及時的信道估計對實現高鐵應用場景中的高吞吐量毫米波通信具有重要作用。然而，由于列車高速移動，信道條件變化迅速，頻繁測量將帶來巨大開銷。針對上述問題，利用列車與基站間信道到達角（AoA）與離開角（AoD）經常性連續變化、偶發性驟變的特征，設計AoA與AoD連續變化跟蹤與驟變檢測算法。在信道AoA與AoD變化符合預期時，基于角度先驗信息測量部分信道參數；在AoA與AoD發生驟變時，第一時間報警并通知系統重新測量信道整體參數。設計的收發機波束成形算法可提升AoA與AoD變化跟蹤與驟變檢測的性能。提出的混合方案可有效降低高速移動條件下的毫米波信道估計信令開銷。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：高鐵；毫米波通信；信道估計

Abstract： Accurate and timely channel estimation plays an important role in realizing highthroughput millimeter wave communication in high-speed railway application scenarios. However， due to the high-speed movement of trains， the channel conditions change rapidly， and frequent measurements will bring huge overhead. Aiming at the above problems， based on the characteristics of frequent continuous changes and occasional sudden changes in the channel of the angle of arrival （AoA） and the angle of departure （AoD） between the train and the base station， the AoA and AoD continuous changes tracking and sudden changes detection algorithms are designed. When the AoA and AoD changes are in line with expectations， some parameters of the channel are measured based on the angle prior information， and when the AoA and AoD change suddenly， they will be alerted and notified to remeasure the overall channel parameters. The transceiver beamforming algorithm is designed to improve the performance of the tracking of AoA and AoD continuous changes and the detection of sudden changes. Through the hybrid scheme， the overhead of millimeter wave channel estimation signaling can be effectively reduced under high-speed mobile conditions.

Keywords： high-speed railway； millimeter wave； channel estimation

高鐵是目前中短距離出行的重要交通工具，全程時間短，運送能力大，受氣候影響小。在高鐵上架載毫米波通信收發機與地面基站建立連接，可發揮大吞吐量的技術優勢，為高鐵乘客提供高速率無線接入，滿足乘客5G時代的通信需求[1-2]。毫米波頻段具有高衰減特征，需要精確的信道狀態信息（CSI），以生成指向性強波束并實現高吞吐量通信。

毫米波的CSI由收發機間角度信息和每條傳播路徑的信道系數構成，其中，角度信息包括收發端有限條傳播路徑的離開角（AoD）和到達角（AoA）。信道估計是指收端通過發端多次發射的導頻信號解算CSI。傳統方法單次測量角度信息和信道系數，包括多階段扇區窮舉搜索AoA和AoD[3]，或利用路徑數的稀疏性，使用相對較少信令和正交匹配跟蹤（OMP）等稀疏信號處理的方法來恢復信道信息[4-5]。然而，上述方法仍然需要較多導頻序列以完成單次測量，在列車高速移動時更需要頻繁更新CSI。這將造成較大開銷，降低通信效率。

列車與當前地面基站之間的AoD和AoA呈現連續性變化。當這種變化持續到下一個地面基站出現時，信道角度信息將發生驟變。基于波束跟蹤的算法[6]雖然可以對AoA和AoD的連續變化進行跟蹤，但是當信道角度信息發生驟變時，該算法將失效。對此，本文設計了AoA和AoD的跟蹤預測算法，并實時判斷是否會出現新基站。當判斷結果顯示未出現新基站連接時，可根據AoA和AoD的預測值縮減其搜索空間，簡化信道估計；當出現新基站連接時，將報警通知系統采用傳統方法[5]來重新測量角度信息和信道系數。為加強AoA和AoD的跟蹤預測能力和角度信息驟變檢測能力，本文還設計了收發端波束成型算法。整體而言，本文在信道估計過程中降低了測角開銷，提升了通信效率。

1.2角度時變模型

毫米波信道中的傳播路徑變化（對應角度信息變化）主要有兩種：（1）列車與當前基站間傳播路徑的變化；（2）列車駛離當前基站與下一基站建立連接所產生的路徑突變。這里我們先考慮第1種變化因素，此時AoA和AoD連續變化，并假設已經完成對信道角度信息的預估計。

2問題構建與算法設計

本節基于系統模型，首先提出高速移動條件下的信道估計解決思路，然后針對每個環節，構建具體的數學問題并給出相應的算法設計。問題解決流程如圖1所示。

2.1問題構建

2.1.1基站切換檢測問題

當高鐵運行至兩個基站的交界處時，需進行基站切換檢測。如果不需切換基站通信，且列車與當前基站間的AoA與AoD處于連續變化中，可根據最近的角度信息預估當前角度信息，簡化信道估計。如果需要切換到下一基站，AoA和AoD的歷史信息將不再具有參考價值，需要重新運行傳統的信道估計方法，以完成角度信息和信道狀態信息的估計。

4結束語

本文主要研究了高速移動情況下的毫米波通信信道估計問題，基于信道路徑角度變化規律構建了可跟蹤預測路徑角度連續變化、檢測路徑角度突變的信道估計體系，以達到節約信道估計導頻量的效果。本論文研究結果可為毫米波通信在高鐵等高速平臺上的應用提供技術支持。

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作者簡介

左世元，北京理工大學在讀碩士研究生；主要研究方向為毫米波數字通信、聯邦學習等。

范戎飛（通信作者），北京理工大學網絡空間安全學院副教授、博士生導師；主要從事毫米波數字通信、邊緣計算、聯邦學習等研究；發表論文40余篇。