CN101026403A - 用于无线传输的多普勒补偿控制 - Google Patents

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Abstract

一种用于移动体和某个基站之间的无线传输的多普勒补偿方法，该移动体可以是火车，但并不仅限于火车，移动体和基站都分别包括连接到天线的用于无线传输的收发机。该方法包括确定移动体相对于激活的基站的运动方向的步骤，其中该激活的基站即刚刚构造的无线传输链路所连接的基站。然后，该方法接下来是应用对应于消除在同一方向上以预定的极限运动速度(vlimit)移动的移动体的多普勒效应的常量多普勒补偿的步骤，在该预定的极限运动速度处，在没有多普勒补偿的情况下利用所使用的无线传输技术将达到质量门限。

Description

用于无线传输的多普勒补偿控制
相关申请的交叉引用
本发明基于欧洲优先申请EP06300147.3，在此通过引用的方式包含其内容。
技术领域
本发明涉及一种当确定移动体相对于激活的基站的运动方向时用于移动体与基站之间的无线传输的多普勒补偿方法。此外，本发明涉及一种用于在移动体与基站之间执行无线传输的射频设备。本发明还涉及一种基站及移动体，它们均包括用于在它们之间建立无线传输的这种射频设备。
背景技术
移动的交通工具(移动体)与固定于地面的基站之间的无线传输的频谱经历由于多普勒效应而引起的某些变化，这是公知的。这种效应对应于当移动体的运动方向与传播电磁波的方向平行时来自这种无线链路的电磁波所受到的相位噪声。由于实际使用的无线传输技术基于完全隔离的频率信道(见GSM(Global System For Mobile Communication，全球移动通信系统)或甚至UMTS(Universal Mobile TelecommunicationsSystem，通用移动通信系统))，通常可以忽略该相位噪声或信号衰落。
但是对于基于试图使用其全部容量的多载波传输的技术，这种情况可能就不再是这样的了。例如正交频分复用技术(OFDM，OrthogonalFrequency Division Multiplexing)就典型地属于这种情况，正交频分复用技术即与IEEE标准802.16兼容的用于无线传输的技术，该标准还以微波接入全球互操作性(Worldwide Interoperability for MicrowaveAccess)的首字母缩写词被称为WIMAX，该技术现在看来似乎是正在讨论的用于与移动体的双向通信的最有前途的技术之一。对于这种技术，由于选择的频率信道具有非常窄的频率间隔，因此可能不能再如此忽略对多普勒效应的敏感度。例如，在OFDM中，设置频率间隔，使得由多载波传输的第n个子载波传输的调制频带信号和由第n+1个子载波传输的调制频带信号之间不存在相关性。
根据OFDM，具有重叠频带的频率分配成为可能，因此实现了频谱效率上的改进。OFDM与独立地调制其载波的其他多载波传输方案不同，并且由于调制/解调是由快速傅立叶变换(FFT，Fast FourierTransform)一次性执行的，因此在载波间建立了正交关系。此外，通过在发送端添加保护间隔信号，可以消除由多径延迟引起的符号间干扰。如果将对应于一个OFDM符号的IFFT(Inverse Fast Fourier Transform，快速逆傅立叶变换)的输出信号作为一个单元来采用，则保护间隔的插入意味着将信号的末端部分复制到其前端。因此，采用OFDM，多径均衡基本上是不必要的。然而，为避免引起性能的下降，必须以符号间干扰不会出现的方式设置保护间隔，该保护间隔比在系统中所预想的最大多径延迟时间大。尽管插入保护间隔使得可以消除由多径引起的干扰的影响，但由于与此同时保护间隔使传输效率减小而涉及到折中。为了减轻传输效率的降低，有必要使OFDM符号持续时间尽可能大，即，使保护比率尽可能小。从这个观点来看，应当使给定带宽中的载波间隔较小，即应当增加载波的数量。
然而，由于衰落，接收到的信号不仅沿着时间方向变化，而且沿着频率方向变化，后者即多普勒偏移。与移动体的运动速度直接成正比的多普勒偏移是在最大多普勒频率的范围内产生的。如果载波间隔较小，则该变化大于一个载波，并且在接收端的载波同步比较困难。作为结果，发生频率-选择性衰落，并且接收机处的性能下降，该频率-选择性衰落中的持续的变化根据频率而不同。发生这种情况的原因在于，由于在载波到载波之间(或更具体而言，在相干带宽内的载波组到载波组之间)，频率波动是独立的，因此会发生载波间干扰。为了抑制由该干扰引起的性能下降，有必要使载波间隔尽可能大。因此，存在关于传输效率的折中。
在EP1460780B1中描述了一种能够安装于移动体的天线设备，该天线设备包括多个接收天线。这些天线由天线开关控制，该天线开关用于分别在连接状态和断开状态之间切换多个接收天线中的每个接收天线。信息处理电路基于交通工具相对于接收到的信号的传播方向的移动方向和速度来控制该开关。根据已知的广播站位置和从例如GPS(全球定位系统)得到的当前交通工具位置来确定该信息。这使得可以在交通工具接收到OFDM信号时抑制多普勒效应，并且因此使得即使在交通工具正在移动时也可以基于多普勒效应发生的可能性而不是信号电平，通过控制天线的切换而实现良好的接收，其中信号电平在天线之间不一定不同。
对作为当今正在讨论的用于与移动台(移动体)的双向通信的最被看好的技术之一，即IEEE802.16标准应用下列估计：上至100km/h，影响可忽略；上至200km/h，信号质量稍有下降，但仍然可以容许；超过200km/h，该效应变得越来越严重，并且信号质量显著降低。在作为现代长距离火车的目标速度的400km/h处，多普勒补偿是绝对必需的。这种情景还可能更糟，即当所使用的技术基于更小的频率信道间隔以增加传输容量时，速度限制可能更小，超过该速度限制，多普勒效应会变得越来越严重。
发明内容
考虑到上述内容，本发明的目的是得到一种用于对移动体和基站之间的无线传输进行多普勒补偿的成本有效且健壮的解决方案。
该目的可以根据本发明通过一种用于移动体和某个基站之间的无线传输的多普勒补偿方法来实现，该移动体可以是火车，但并不仅限于火车，移动体和基站都分别包括连接到天线的用于无线传输的收发机。该方法包括确定移动体相对于激活的基站的运动方向的步骤，其中该激活的基站即刚刚构造的无线传输链路所连接的基站。然后，该方法接下来是应用对应于消除在同一方向上以预定极限运动速度(vlimit)移动的移动体的多普勒效应的常量多普勒补偿的步骤，在该预定的极限运动速度下，利用所使用的无线传输技术将达到质量门限。
在根据本发明的多普勒补偿方法的某些实现中，所应用的常量多普勒补偿优选地是逐级地增加的。这依赖于所使用的无线传输技术，该技术确定质量门限，并且因此确定预定的极限运动速度(vlimit)。当移动体的运动速度超过2n×vlimit(n＝1，2，3，...)时，多普勒补偿的值增加。在此情况下，所应用的常量多普勒补偿增加，从而可以消除在同一方向上以极限运动速度(vlimit)移动的移动体的多普勒效应，在该极限运动速度下，利用所使用的无线传输技术将达到质量门限，该极限运动速度等于初始的预定极限速度vlimit的2n+1倍，其中n是递增的索引，对应于所超出确定了所应用的常量多普勒补偿的速度2n×vlimit的次数。多普勒补偿的改变是可逆的并且遵循对称法则，即每当移动设备的运动速度降到低于2n×vlimit(n＝1，2，3，...)时，则常量多普勒补偿减少固定的量，该固定的量与前一步骤中增加的量相同。
在根据本发明的某些有利的实现中，当移动体的运动速度接近于2n×vlimit(n＝1，2，3，...)时，所应用的常量多普勒补偿的改变遵循某种滞后法则以避免不稳定的状况。可以限定这种滞后法则，使得当运动速度超出最大运动速度(vmax)时，该常量多普勒补偿增加，而当移动体的运动速度降到最小运动速度(vmin)以下时，该常量多普勒补偿减少，最大运动速度和最小运动速度都是根据极限速度确定的，以至于vmin＜vlimit＜vmax。
在根据本发明的替代性的实现中，在接收到通过移动体和基站之间的该无线传输而传输的信号时执行所应用的多普勒补偿。在另一个替代性的实现中，在通过移动体和基站之间的该无线传输对信号进行传输之前，在发送端执行所应用的多普勒补偿。
本发明还涉及一种用于在移动体和基站之间执行无线传输的射频设备，其中该射频设备包括：收发机，其连接到天线；以及判决单元，其确定移动体相对于激活的基站的运动方向，该判决单元激活某些多普勒补偿单元以便对所述无线传输应用某种多普勒补偿。后者采取独立于移动体的运动速度的常量多普勒补偿的形式。该常量多普勒补偿可以消除在同一方向上以预定的极限运动速度(vlimit)移动的移动体的多普勒效应，在该预定的极限运动速度处，利用所使用的无线传输技术将达到质量门限。
在根据本发明和所使用的无线传输技术的特定实施例中，在移动体的运动速度超过2n×vlimit(n＝1，2，3，...)的情况下，判决单元就激活多普勒补偿单元，以至于所应用的常量多普勒补偿增加以便可以消除在同一方向上以极限运动速度移动的移动体的多普勒效应，在该极限运动速度处，利用所使用的无线传输技术将达到预定的质量门限，该极限运动速度等于初始的预定极限速度vlimit的2n+1倍，其中n是对应于该速度超出极限速度的二倍的次数的递增系数，该极限速度确定了所应用的常量多普勒补偿。在移动设备的运动速度降到低于2n×vlimit(n＝1，2，3，...)的情况下，应用对称性质。在这种情况下，判决单元激活多普勒补偿单元，以便使所应用的常量多普勒补偿减少大约相同的固定的量。当移动体的运动速度接近于2n×vlimit(n＝1，2，3，...)时，可以按照某种滞后法则来执行所应用的常量多普勒补偿的这种改变，以避免不稳定的状况。
在根据本发明的替代性的实施例中，在接收端通过针对通过移动体和基站之间的该无线传输而传输的信号激活多普勒补偿单元而使用射频设备。在另一个替代性的实施例中，在发送端通过针对通过移动体和基站之间的该无线传输而传输的信号激活多普勒补偿单元而使用射频设备。
有利地，限定根据本发明的所有实施例，使得特别地针对基站和/或移动体来进行调整，该基站是通过无线传输与移动体连接的，该移动体相对于该基站以某种给定速度和方向移动。特别地，这种基站和/或移动体包括根据本发明的在接收端和/或发送端应用多普勒补偿方法的射频设备。
在从属权利要求、以下描述和附图中描述了本发明的有利发展。
附图说明
现在将参考附图进一步说明本发明的示例性实施例，其中：
图1是在具有或不具有根据本发明的补偿的情况下，针对移动体的速度的多普勒偏移的曲线图；
图2是在具有或不具有根据本发明的补偿的情况下，针对移动体的速度的链路质量下降的曲线图；
图3是根据本发明替代性方案的针对移动体的速度的多普勒偏移的曲线图；
图4是根据图3的替代性方案的针对移动体的速度的链路质量下降的曲线图。
具体实施方式
在移动通信中有引起信号性能下降的若干不同的效应，多普勒效应只是其中的一种。所有效应都被概括在所谓的“链路预算”中，并且可以作为噪声一起处理。噪声或更准确地说是信噪比，引起对无线传输系统的限制，并且在数据吞吐量、误码率(bit error rate)、前向纠错开销、覆盖、发射功率以及移动速度的平衡中必须考虑。在由所使用的无线技术(例如，WiMAX)给定的限制内，上至移动体相对于基站天线的运动的特定速度限制vlimit，特定多普勒偏移是可接受的。超出该限制，无线传输的噪声会超出质量门限，该质量门限确定了容限。当噪声超出该限制时，无线传输就明显地太糟糕了。由多普勒效应引起的频率偏移几乎与在发送机和发射机之间的运动速度成线性地增加，并且引起OFDM信号的质量下降加快。对于WiMAX，这种速度限制应当设置为大约200km/h。只要这种损耗被认为是可容许的，就没有必要补偿低于移动体的这种运动速度的多普勒偏移了。通过应用根据本发明的基于速度限制vlimit的常量多普勒补偿，无线技术有可能可以处理上至vlimit的二倍的相对速度，原因在于交通工具(移动体)中的接收机“观察到”了无线技术可以处理的从-vlimit到+vlimit的速度变化。
在图1中，示出了根据无线传输链路中所涉及的移动体和基站(激活的)天线之间的相对运动速度的多普勒偏移的曲线图。对于在由质量门限的绝对值所确定的间隔内的多普勒偏移值，该多普勒偏移是可容许的。没有多普勒补偿，多普勒偏移在下文中被确定为极限运动速度vklimit的某个运动速度处将达到门限值。该值主要依赖于无线传输技术。当将常量多普勒补偿应用于无线传输时，移动的通信设备(移动体)的输入处的多普勒偏移的线性行为被偏移了特定的量vlimit。该速度限制是一个值，该值用于计算对应于消除在与移动通信设备相同的方向上以该速度限制vlimit移动的移动体的多普勒效应的所应用的常量多普勒补偿。从图1可以清楚地看出，采用所应用的常量多普勒补偿，多普勒偏移将在2vlimit处达到质量门限。对于WIMAX的例子，其将是400km/h，即一个完全覆盖例如未来的现代快速火车的速度的范围。
在图2中，示出了在没有多普勒补偿的情况和具有所应用的常量多普勒补偿的情况之间对根据交通工具的速度(移动体相对于激活的基站的天线的速度)的链路质量下降的比较。具有所应用的常量多普勒补偿的链路质量下降以与图1中的多普勒偏移曲线相同的方式偏移。这清楚地表明，将速度间隔从[0，vlimit]增加到[0，2vlimit]，实现了实际的增益。
另外，另一种无线传输技术可以采用明显小于200km/h的vlimit’该vlimit可以为大约50km/h。在此情况下，使用由该vlimit确定的常量多普勒补偿将为可容许的无线链路给定速度间隔[0，2vlimit]，即上至100km/h，其中100km/h作为移动设备的最高运动速度。这即使对普通火车来说也是不够的。作为替代，如果WIMAX可以进一步发展为可应用于飞机，则显然直至400km/h的速度间隔不能覆盖这种移动设备的整个速度范围。针对该情况并且根据本发明，多普勒补偿可以切换为基于大约(2n+1)vlimit的速度的补偿，其使得交通工具可以在[2n·vlimit，(2(n+1)vlimit]的速度范围内移动。递增的索引n对应于速度超出2n×vlimit的次数，2n×vlimit即确定所应用的常量多普勒补偿的极限速度。以这种方式并且根据本发明，将某种常量多普勒补偿应用于以0km/h开始移动的移动设备，该由vlimit确定的常量多普勒补偿一直应用到移动设备超出n＝1时的速度限制2vlimit。然后，应用新的常量多普勒补偿，该多普勒补偿现在是由n＝1时的速度限制(2n+1)vlimit，即3vlimit确定的。并且如果移动设备进一步加速直到超出速度限制4vlimit(n＝2)，则将应用由5vlimit确定的常量多普勒补偿。
这种行为反映在补偿之后的某种锯齿行为中，如图3所示。图中示出了当超过上至4vlimit的范围时根据交通工具速度的多普勒偏移的曲线图。根据刚刚在上面确定的法则，应用逐级的常量(固定的)多普勒补偿。在图4中，示出了链路质量下降的相应曲线图。至于多普勒补偿在整个速度范围内保持为常量的情况，在此还可以在改变所应用的常量多普勒补偿之前考虑某些相似的滞后法则。这对稳定的状况来说通常是必要的，稳定的状况即当移动设备正好以接近于(2n+1)vlimit的速度移动时不会导致快速回退的平滑过渡的情况。
根据本发明的实施例，可以在接收到通过移动体和基站之间的无线传输而传输的信号时执行多普勒补偿。这在移动体端和基站端都是可能的。根据本发明替代性的实施例，可以在传输信号之前，即在多普勒效应影响要通过无线链路传输的信号之前，执行多普勒补偿。同样在这种情况下，可以在移动台端和基站端应用这种过程。
移动体和/或基站包括用于执行与激活的基站的无线传输的射频设备，其中该射频设备包括连接到天线的收发机和用于确定移动体相对于激活的基站的运动方向的判决单元。正是该判决单元激活了某个多普勒补偿单元以对无线传输应用适当的常量多普勒补偿。
根据本发明，可以避免用于精确的多普勒效应补偿的类似闭环控制的设备。相反的，可以结合用于采样电路的固定频率时钟基准而工作。这充分减少了为实现多普勒效应补偿而要付出的努力。

Claims (14)

1.一种用于移动体与基站之间的无线传输的多普勒补偿方法，所述方法包括以下步骤：
确定所述移动体相对于激活的基站的运动方向；
所述方法的特征还在于步骤：
应用对应于消除在同一方向上以预定的极限运动速度Vlimit移动的移动体的多普勒效应的常量多普勒补偿，其中在该预定的极限运动速度下，在没有任何多普勒补偿的情况中利用所使用的无线传输技术将达到质量门限。
2.根据权利要求1所述的方法，其中每当所述移动体的运动速度超过2n×Vlimit(n＝1，2，3，...)时，所应用的常量多普勒补偿就增加大约固定的量，该新应用的常量多普勒补偿对应于消除在同一方向上以达到所述预定的质量门限的一个极限运动速度移动的移动体的多普勒效应，该极限运动速度等于初始的预定极限速度Vlimit的2n+1倍。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所应用的常量多普勒补偿的改变是可逆的并且遵循对称法则，以至于每当所述移动体的运动速度降到低于2n×Vlimit(n＝1，2，3，...)时，就使所应用的常量多普勒补偿大约减少所述相同的固定的量。
4.根据权利要求2所述的方法，其中当所述移动体的运动速度接近于2n×Vlimit(n＝1，2，3，...)时，所应用的常量多普勒补偿的改变遵循某种滞后法则以避免不稳定的状况。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在接收到通过所述移动体和所述基站之间的该无线传输而传输的信号时执行所应用的多普勒补偿。
6.根据权利要求1所述的方法，其中在通过所述移动体和所述基站之间的该无线传输对信号进行传输之前，在发送端执行所应用的多普勒补偿。
7.一种用于在移动体和基站之间执行无线传输的射频设备，其中所述射频设备包括：
收发机，其连接到天线；以及
判决单元，其确定移动体相对于激活的基站的运动方向，该判决单元激活某个多普勒补偿单元以便对所述无线传输应用某个多普勒补偿；
所述射频设备的特征在于：
所述多普勒补偿单元应用对应于消除在同一方向上以预定的极限运动速度Vlimit移动的移动体的多普勒效应的常量多普勒补偿，在该预定的极限运动速度下，在没有任何多普勒补偿的情况中利用所使用的无线传输技术将达到质量门限。
8.根据权利要求7所述的射频设备，其中每当所述移动体的运动速度超过2n×Vlimit(n＝1，2，3，...)时，所述判决单元就激活所述多普勒补偿单元，以至于所应用的常量多普勒补偿增加大约固定的量，使得新应用的常量多普勒补偿可以消除在同一方向上以利用所使用的无线传输技术将达到预定的质量门限的极限运动速度移动的移动体的多普勒效应，该极限运动速度等于初始的预定极限速度Vlimit的2n+1倍。
9.根据权利要求7所述的射频设备，其中所述判决单元按照对称方式激活所述多普勒补偿单元，以至于每当所述移动设备的运动速度降到低于2n×Vlimit(n＝1，2，3，...)时，就使所应用的常量多普勒补偿大约减少所述相同的固定的量。
10.根据权利要求7所述的射频设备，其中当所述移动体的运动速度接近于2n×Vlimit(n＝1，2，3，...)时，所述判决单元按照某种滞后法则激活所述多普勒补偿单元以避免不稳定的状况。
11.根据权利要求6所述的射频设备，其中在接收端通过针对经由所述移动体和所述基站之间的无线传输而传输的信号激活所述多普勒补偿单元而使用所述射频设备。
12.根据权利要求6所述的射频设备，其中在发送端通过针对要经由所述移动体和所述基站之间的无线传输而传输的信号激活所述多普勒补偿单元而使用所述射频设备。
13.一种基站，其通过无线传输与移动体连接，所述移动体相对于所述基站以某种给定速度移动，同时所述基站包括根据权利要求6所述的射频设备。
14.一种移动体，其通过无线传输与所述基站连接并且相对于所述基站以某种给定速度移动，同时所述移动体包括根据权利要求6所述的射频设备。
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