CN101980453B - 多普勒频率估计与补偿方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多普勒频率估计与补偿方法及系统，其中，所述系统包括：测量模块、判断模块、及频率补偿模块，其先由测量模块测量移动通讯设备与相应基站之间的距离，再由判断模块判断所测出的距离是否超过预设值，最后由频率补偿模块根据判断结果对因所述移动通讯设备的移动而带来的通信信号所走的路径差，进行拟合，并根据所采用的拟合方式来获得相应的补偿频率，以用于补偿上行信号的多普勒频偏，如此，在距离基站较近时，可以通过精确拟合通信信号所走的路径差，进而获得比现有技术更为精确的频率补偿值，由此，可明显提高补偿的精度，进而改善通信质量。

Description

多普勒频率估计与补偿方法及系统

技术领域

本发明属于移动通信领域，特别涉及一种多普勒频率估计与补偿方法及系统。

背景技术

在高速铁路的无线传播环境中，反射体较少，直射路径占优，因此，多普勒频率扩散现象并不突出，但是，由于车载台地高速移动，会导致多普勒频率偏移比较严重，这会对车载台和基站的性能有较大影响。

举例来说，如果基站的主载频为f_c，由于车载台移动导致的多普勒频率为f_D，则车载台在频率为f_c+f_D处接收到基站以频率为f_c发出的信号，而如果车载台将该频率f_c+f_D作为参考基准发送上行信号；则因多普勒频偏导致车载台发射的上行信号到达基站天线时，其频率为f_c+2f_D，由此可见，该频率与基站主载频的偏差为2f_D，如图1所示，即产生了两倍的频偏。例如，在车载台高速移动的情况下，工作频率为2.4GHz、移动速度为300千米/小时下，最大多普勒频率约为667Hz，2倍的多普勒频偏已高达1.33KHz，显然，这会对基站和移动终端解调信号都将产生严重影响，甚至会造成无法正确检测，因此必须在车载台上采用多普勒频率校正技术来进行频率补偿。

目前普遍采用的方法是：首先测量出车载台的移动速度和载波到达方向与车载台运动方向的夹角，利用测量值直接计算出多普勒频率的大小；然后，在车载台对上行信号发送频率进行多普勒频率补偿。

如图2所示，假设车载台在时间Δt内以恒定速率v由端点X移动到端点Y时接收来自基站发出的无线信号。设基站与车载台之间的距离足够远，则X和Y处与入射波的夹角可以认为近似相等，记为θ。那么，无线电波从基站出发，在X点和Y点分别被车载台接收时所走的路径差为

Δs＝vΔtcosθ        (1)

由路程差造成的接收信号相位差为

则多普勒频率f_D的计算方法如下

其中，λ是载波波长，v是车载台移动速度，f_c是载波频率，c是光速(c＝2.998×108米/秒)，θ是载波到达方向与车载台运动方向的夹角。

从上式可以看出，f_D与f_c、v成正比。若车载台向基站运动，θ∈[0，π/2)，f_D＞0；若车载台远离基站，θ∈(π/2，π]，f_D＜0。当θ＝0时，f_D取得最大值(v f_c/c)；当θ＝π时，f_D取得最小值(-v f_c/c)。车载台根据上式估计出的多普勒频率进行补偿，消除载波间干扰(ICI)。

但是，当车载台离基站比较近时，X和Y处与入射波的夹角相差比较大，用上式估计的多普勒频率误差较大，不能完全消除多普勒频率偏移带来的ICI，如此将会给车载台通信造成极大困扰，因此，如何解决这一困扰已成为本领域技术人员的燃眉之急。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多普勒频率估计与补偿方法及系统，以消除因存在多普勒频偏而导致的载波干扰。

为了达到上述目的及其他目的，本发明提供的用于与基站的通信存在多普勒频偏的移动通讯设备中的多普勒频率估计与补偿方法，包括步骤：1)测量所述移动通讯设备与相应基站之间的距离；2)判断所述距离是否超过预设值，如果否，则对因所述移动通讯设备的移动而带来的通信信号所走的路径差，进行拟合，并根据所采用的拟合方式来获得相应的补偿频率。

本发明提供的多普勒频率估计与补偿系统包括：测量模块，用于测量移动通讯设备与相应基站之间的距离；判断模块，用于判断所述测量模块所测出的所述距离是否超过预设值；以及频率补偿模块，用于根据判断结果对因所述移动通讯设备的移动而带来的通信信号所走的路径差，进行拟合，并根据所采用的拟合方式来获得相应的补偿频率，以用于补偿上行信号的多普勒频偏。

综上所述，本发明的多普勒频率估计与补偿方法及系统采用距离基站不同距离就用不同补偿方法，如此可避免现有补偿技术中因距离基站过近而补偿效果差的问题。

附图说明

图1为存在多普勒频偏的通信过程示意图。

图2为现有多普勒频偏估计示意图。

图3为本发明的多普勒频率估计与补偿方法的流程图。

图4为本发明的多普勒频率估计与补偿方法中采用的余弦曲线拟合示意图。

图5为本发明的多普勒频率估计与补偿系统基本架构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的多普勒频率估计与补偿方法进行详细说明。本发明的方法可适用于在与基站通信存在多普勒频偏的各种移动通讯设备中，而在本实施例中，仅以高速移动的车载台为例来进行说明，但本领域技术人员应该理解，这只是为了更好的说明本发明的方案，而非用于限制本发明，故在此予以预先说明。

请参阅图3，其为本发明的多普勒频率估计与补偿方法的流程图。

首先，车载台测量自身接收的载波信号和自身移动方向之间的角度，即测量图4所示的夹角θ，这可以通过车载台自身的接收天线的方向来确定，也可采用其他方法来测量，由于此技术已经为本领域技术人员所知悉，故在此不再多述。

接着，车载台测量自身的移动速度，其可以通过配置的智能天线、及同步技术等来确定移动速度，也可以采用GPS定位技术来测量移动速度。即车载台自身具有的GPS模块在t1时刻获得自身位置信息，例如为(x1，y1)，在t2时刻再次获得自身位置信息，例如为(x2，y2)，由此可计算出自身的移动速度

需要说明的是，根据GPS模块所获得位置信息来计算车载台的移动速度的方式并非以上述为限，事实上，还可以采用其他计算公式，在此不再例举。

接着，车载台测量自身与基站之间的距离，其同样可以借助GPS模块来完成距离的测量，即由设置在基站的GPS模块获得基站自身的位置信息，例如为(x3，y3)，将该位置信息(x3，y3)发送至所述车载台，而所述车载台自身配置的GPS模块获得车载台自身的当前位置信息，例如为(x2，y2)后，即可计算出自身与基站之间的距离：

同样，本领域技术人员应该理解，获得车载台与基站之间的距离的方式也并非以上所述为限，上述的计算方法也仅仅只是列示。

接着，所述车载台判断所测得的距离l是否小于预设值，如果否，则可按照现有的方法来计算补偿频率，例如，采用

计算补偿频率，其中，

是补偿频率，v是所述移动通讯设备的移动速度，f_c是载波频率，c是光速，θ是所述车载台接收到的载波信号与自身移动方向之间的角度。

而如果所述车载台判断所测得的距离l是小于预设值，则可对因所述移动通讯设备的移动而带来的通信信号所走的路径差进行拟合，由此来获得补偿频率。拟合的方式包括但不限于：1)曲线拟合；2)折线拟合等。其中，曲线拟合又可包括但不限于三角函数拟合，例如，正弦函数拟合、余弦函数拟合等等。在本实施例中，以余弦函数拟合为例来进行说明，具体可参见图4。

由背景技术的描述可知，基站发送的信号在不同的位置点(例如X点和Y点)被车载台接收到，该信号到达X点和到达Y点所走的路径差为Δs＝vΔtcosθ，由该路径差造成的接收信号相位差为

故补偿频率为

而cosθ的表达式可写为：

其中，l是接收天线离基站的距离，h是基站天线离车载台天线的最短距离(此时多普勒频率为0，称为补偿零点。)。如图4所示，若以距离零点d米为时间起点(t＝0)，开始画余弦曲线cosωt，可见所描绘出的幅度为

周期为

的余弦曲线与信号所走的路径差有很高的拟合度，相应的，根据所采用的该余弦拟合曲线，可计算出补偿频率为：

由此，可形成距离与补偿频率的对应关系，例如，车载台与基站的距离为l1，对应的补偿频率为

车载台与基站的距离为l2，对应的补偿频率为

车载台与基站的距离为ln，对应的补偿频率为

由此，对应关系为：

如此当车载台距离基站的距离小于预设值时，其可以根据所测出的自身和基站之间的距离，获得需要补偿的补偿频率，从而对上行信号发送频率f_T进行多普勒频率补偿，补偿后的上行信号发送频率为：

该距离与补偿频率的对应关系可以预先存储在车载台中，以便车载台与基站之间的距离小于预设值时，车载台可直接根据GPS模块的测距结果来查询补偿频率。此外，如果假定车载台在距离基站预设值这段距离内移动速度v不变，则也可将距离与补偿频率的对应关系转换为其他参数与补偿频率的对应关系，例如时间与补偿频率的对应关系，如在车载台运行到距离基站l1米时的时间为t点，则对应关系为：如此，车载台可直接根据时间来获得相应补偿频率。本领域技术人员应该理解，上述车载台根据参数来获得补偿频率的方式不以上述所述为限。

此外，如果希望进一步提高与信号所走的路径差的拟合度，还可以幅度和周期为其他值的三角函数来拟合，也可采用折线方式来拟合，由此建立相应的距离和补偿频率的对应关系。

本领域技术人员应该理解，上述所列示的拟合方法，只是为了更好的说明本发明的技术，而非用于限制本发明。

此外，为了在保证频率补偿的精确性，同时又避免补偿过于繁杂，故在确定作为判断用的预设值时，可以综合考虑所采用的路径差的拟合方法和测量出的车载台和基站之间距离的精度，通常，根据拟合方式计算的补偿频率与在该点用常规方式(例如

)计算出的补偿频率的差值在一定范围内(例如：0.05％至0.15％之间)来确定预设值，较佳的，误差在0.10％为佳，举例来说，在上述余弦拟合法中，如果h＝25m，GPS模块测量距离的误差Δl＝10m，v＝360千米/小时。当l1＝200米时，由本发明的方法和现有方法计算出补偿频率的误差为0.09％；当l2＝190米时，由本发明的方法和现有方法计算出补偿频率的误差为0.10％。故可取预设值200米，则ω＝2π/T＝πv/2d＝π/4，即cosωt＝cos(π/4)t。

由于测量距离、测量移动速度、及测量角度的顺序先后可以根据实际随意确定，故上述3个步骤的执行先后还可衍生出不同的流程，因此，本领域的技术人员应该理解，上述实施例只是为了更好的说明本发明的技术，而非用于限制本发明。

再请参见图5，其为本发明的多普勒频率估计与补偿系统的基本架构示意图。所述多普勒频率估计与补偿系统包括：测量模块、判断模块、及频率补偿模块等，其设置在移动通讯设备中，例如，设在高速铁路上高速运动的车载台中。

当所述车载台需要向基站发送通信信息时，可先由所述测量模块用于测量移动通讯设备与相应基站之间的距离，通常可由包含在所述测量模块中的GPS模块测出该车载台的位置信息，其再根据设置在基站的GPS模块测出的基站的位置信息，所述测量模块可计算出车载台和基站之间的距离，此外，所述测量模块还可用于测量车载台的移动速度、接收载波和行使方向之间的角度等。

所述判断模块用于判断所述测量模块所测出的所述距离是否超过预设值，所述预设值的确定可参见前述，在此不再重述。

所述频率补偿模块用于根据判断结果用于根据判断结果对因所述移动通讯设备的移动而带来的通信信号所走的路径差，进行拟合，并根据所采用的拟合方式来获得相应的补偿频率，以用于补偿上行信号的多普勒频偏。例如，所述距离没有超过预设值时，所述频率补偿模块先确定对因所述移动通讯设备的移动而带来的通信信号所走的路径差的拟合方式，并根据所所拟合的曲线来获得所述补偿频率，其获得补偿频率的方式可以通过前述的计算方式获得，也可以直接查询预先已存储在车载台中的距离或其他参数与补偿频率的对应关系来获得。所述频率补偿模块可以采用的拟合法包括但不限于：1)曲线拟合；2)折线拟合等。其中，曲线拟合又可包括但不限于三角函数拟合，例如，正弦函数拟合、余弦函数拟合等等。在本实施例中，所述频率补偿模块采用余弦函数拟合，具体可参见前述，在此不再重述。

综上所述，本发明的多普勒频率估计与补偿方法和系统通过对移动通讯设备和基站之间的距离判断，来确定频率补偿的策略，由此，可避免现有补偿方法中因移动通讯设备距离基站过近而导致补偿不准确所带来的通信不畅的问题。

上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (5)

1.一种多普勒频率估计与补偿方法，用于与基站的通信存在多普勒频偏的移动通讯设备中，其特征在于包括步骤：

1）测量所述移动通讯设备与相应基站之间的距离；

2）判断所述距离是否超过预设值，如果否，则对因所述移动通讯设备的移动而带来的通信信号所走的路径差，进行拟合，并根据所采用的拟合方式来获得相应的补偿频率；

采用幅度为

周期为

的余弦曲线来拟合路径差，其中，ν是所述移动通讯设备的移动速度，f_c是载波频率，c是光速，d是所述预设值。

2.如权利要求1所述的多普勒频率估计与补偿方法，其特征在于：所述预设值通过比较采用现有方法计算出的补偿频率和采用拟合方式后计算出的补偿频率之间的误差来确定；所述现有方法是指首先测量出车载台的移动速度和载波到达方向与车载台运动方向的夹角，利用测量值直接计算出多普勒频率的大小；然后，在车载台对上行信号发送频率进行多普勒频率补偿。

3.如权利要求1所述的多普勒频率估计与补偿方法，其特征在于：测量距离通过设置在移动设备的GPS模块和设置在基站的GPS模块进行。

4.一种多普勒频率估计与补偿系统，其特征在于包括：

测量模块，用于测量移动通讯设备与相应基站之间的距离；

判断模块，用于判断所述测量模块所测出的所述距离是否超过预设值；

频率补偿模块，用于根据判断结果判断所述距离是否超过预设值，如果否，则对因所述移动通讯设备的移动而带来的通信信号所走的路径差，进行拟合，并根据所采用的拟合方式来获得相应的补偿频率，以用于补偿上行信号的多普勒频偏；

采用幅度为

周期为

的余弦曲线来拟合路径差，其中，ν是所述移动通讯设

备的移动速度，f_c是载波频率，c是光速，d是所述预设值。

5.如权利要求4所述的多普勒频率估计与补偿系统，其特征在于：所述预设值通过比较采用现有方法计算出的补偿频率和采用拟合方式后计算出的补偿频率之间的误差来确定；所述现有方法是指首先测量出车载台的移动速度和载波到达方向与车载台运动方向的夹角，利用测量值直接计算出多普勒频率的大小；然后，在车载台对上行信号发送频率进行多普勒频率补偿。

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