CN101986582B - 一种基于3g蜂窝网的高铁信道探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在高铁场景下（350km/h-500km/h），基于3G蜂窝网的无线信道探测方法。在高铁场景下，不能自行发射任何激励信号，如m序列、周期脉冲等，信道探测只能利用现有3G信号作为激励信号。接收机针对TD-SCDMA、WCDMA及CDMA2000信号分别利用midamble码、CommonPilotChannel(CPICH)及Forward-PilotChannel(F-PICH)进行信道估计获取信道冲击响应信息。在统计方法上，本发明提出两种分离多径的统计方法：基于时间间隔的簇分离法和基于功率衰落的功率分离法。

Description

一种基于3G蜂窝网的高铁信道探测方法
技术领域
本发明涉及无线移动通信技术领域，具体涉及在高速场景下，基于3G蜂窝网的信道探测的方法。
背景技术
近几年，中国高速铁路迅速发展。目前，中国投入运营的高速铁路达6920公里，在建的高速铁路达到1万公里以上，成为世界上高速铁路发展最快、系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运营速度最高、在建规模最大的国家。时速350公里的北京至天津、武汉至广州、郑州至西安、上海至南京等高速铁路已开通运营，运营速度世界最高。京沪高速铁路令世界瞩目，建设长度1318公里，建成之后将实现最高运营速度380公里/小时。
于此同时，3G信号将在铁路沿线实现全面覆盖。但在高速条件下，无线通信信道环境剧烈恶化，主要表现出以下特点：1、车地间的相对运动速度很高，运行速度350km/h～500km/h，故高速信道的传播特性（多普勒频移、快衰落等）对通信系统性能产生的影响。2、高速移动导致小区频繁切换，造成可靠性降低。3、高速铁路历经的环境复杂多变，信道变化迅速。4、车厢穿透损耗大。
我国高速铁路发展起步晚，起点高。对于高速列车信道研究处于理论探讨阶段，见诸文献的测试数据极少，大多的研究只是考虑在某一特定的地形环境下，因此相关的研究结果缺乏普适性，限制了适用范围。
需要指出，和公众通信网宽带信道探测和建模不同，高速铁路无线信道探测具有其特殊。高速铁路无线信道探测须在高速列车上完成，但为了保证列控信号传输可靠，除现有公众无线通信系统外，高速列车上及铁路周围禁止发射其他无线信号。因此，经典的信道探测技术，如直接射频脉冲探测系统、扩频华东相关信道探测系统等很难用于高速铁路无线信道探测。而利用现有GSM、3G系统的无线信号测量高铁信道，将是最方便可行的方案。
所以，在高速移动条件下（时速300km/h～500km/h）宽带无线信道特性，将成为未来陆地宽带无线接入发展的关键问题。
发明内容
信道特性是通信系统设计的基础，高铁场景下信道特性的测量与建模是高铁无线通信系统研究的基础工作之一。目前国内外的研究成果非常匮乏，高速铁路的自身特点——高速移动以及行车过程中地形地物快速变化，导致高铁宽带移动通信电波传播环境复杂多样。有鉴于此，本发明提出一种在高铁场景下（350km/h-500km/h），基于3G蜂窝网的无线信道探测方法。
为了解决上述问题，本发明提出的技术方案包括以下两个步骤：
步骤a：接收机接收3G信号，在本地进行信道估计获取信道冲击响应信息。
步骤b：对步骤a中得到的冲击响应信息进行统计。统计方法采用基于时间间隔的簇分离法或基于功率衰落的功率分离法；所述簇分离法以时间间隔为基准，将时间间隔较小的多径作为一簇，在宏观上，一簇即为可分离的一径，所述功率分离法以功率衰落为基准，将接收信号功率相近或在同一数量级的多径作为一条可分辨径。
步骤a包括：接收机针对TD-SCDMA、WCDMA及CDMA2000信号分别利用midamble码、Common Pilot Channel(CPICH)及Forward-Pilot Channel(F-PICH)做相关，得到多径信道延迟信息后进行信道估计，得到信道冲击响应信息。探测过程中不发送任何激励信号，接收机只接收信号。
步骤b所述多径的最小分辨率为一个chip的长度，一个chip内的多径信息不能获取。
步骤b所述两种统计方法中多径的合并均采用功率加权合并，测量次数可根据统计特性灵活变动。
本发明的有益效果如下，目前高速条件下信道探测的测量数据极为匮乏，本发明在现行3G网络的基础上研究高速铁路信道探测的方法。由于3G蜂窝网络其核心技术是码分多址（CDMA），可利用经典伪随机序列相关法在接收端利用其导频信道或时隙信息完成信道估计，获取信道可分辨多径的冲击响应信息，最终提取信道时延扩展统计参数；在高铁场景下若采用3G网络信号，解决了铁道部对高铁沿线无线信号的管制造成的对信道测量限制问题。3G网络在带宽和时间分辨率上均优于GSM信号，相对于未来TD-LTE系统20MHz带宽，3G信号体制更为接近未来宽带信号，若利用3G信号作为信道探测信号，可以获得更为准确的信道多径统计信息。采用的两种统计方法，从不同的角度进行多径处理，得到高速条件下的信道特性。
附图说明
图1是WCDMA的帧结构；
图2是示出根据本发明实施例的信道估计实现流程图；
图3是示出基于时间间隔的簇分离示意图；
图4是示出基于功率衰落的功率分离示意图。
具体实施方式
本发明在现行3G信号的基础上进行信道探测，在接收端对TD-SCDMA、WCDMA及CDMA2000信号分别利用midamble码、Common Pilot Channel(CPICH)及Forward-Pilot Channel(F-PICH)进行信道估计获取信道冲击响应信息。在统计方法上，本发明提出两种多径统计的方法——基于时间间隔的簇分离法和基于功率衰落的功率分离法。
下面结合附图和具体实施例对本发明做更详细的描述。
由于三种3G信号在接收端均通过相关接收机进行信道估计，获取信道时延扩展特征。下面的具体说明将以WCDMA信号为例，其他两种信号（TD-SCDMA和CDMA2000）与此类似。
在WCDMA帧结构中，每一个无线帧的长度是10ms，即38400chips。每个无线帧包含15个时隙，每个时隙的长度是2560chips，如图1所示。
WCDMA系统是一个码分多址的接入系统，该系统使用OVSF码来扩频。OVSF码对用户数据进行扩频，并保持信道的正交性。不同的信号速率，不同的扩频因子，使用不同长度的OVSF码，扩频后变为统一的3.84Mcps。WCDMA中使用Gold码来为数据加扰。下行链路Gold码的序列长度为2^18-1,上行链路Gold码的序列长度为2^25-1。Gold码具有很低的相关性，大大降低了把一个Gold码误认为是另一个Gold码的可能行，因此使用Gold码对信道化的信号进行加扰是非常理想的。在WCDMA系统中，Gold码序列长度被截短成38400个码片，与10ms的无线帧相匹配。
WCDMA中的公共导频信道（CPICH）是一个在整个小区广播的纯物理信道，其发射功率大于其他专用传输信道。它包含一个已知比特序列，并和主、辅公共控制物理信道并行传送，用于确定主扰码和参考相位。公共导频信道以广播的形式不间断发送，小区内所有接收机均可接收到。CPICH采用固定的扩频因子和扩频码，因此，CHICH中一帧含有150个符号，每个时隙有10个符号，所有的符号均为1-j。在接收端，这些符号作为导频信号用于信道估计。
扩频信号非常适应多径信道传输在多径信道中传输信号被障碍物如建筑物和山等反射接收机就会接收到多个不同时延的码片信号如果码片信号之间的时延超过一个码片接收机就可以分别对它们进行解调实。如图2所示，Rake接收机利用CPICH进行多径的测量。接收机将接收到的信号作下变频及AD转换后，利用SCH(同步控制信道)进行同步，同时将CPICH与本地扰码信号做相关。由于Gold码具有很低的相关性，得到多径时延，可以得到WCDMA的最小多径延迟为一个chip，即约0.26us。
由于同步偏差及高速运动，接收端每次测量得到的多径会左右偏移，影响到多径的测量，因此需要在统计方法上进行纠正。
在统计方法上，本发明提出两种多径统计的方法：
第一种是基于时间间隔的簇分离法，如图3所示。将时间间隔很小或者很紧密的一组多径作为一簇，看做一径，在多径的合并上，采用功率加权合并；
第二种是基于功率衰落的功率分离法，如图4所示。由于多径延迟越大，其信号传播的距离越长，经历的反射或折射越多，所以将信号功率相近或在同一数量级的多径作为一组，看作同一条可分辨径中不可分离的多径，多径的合并也采用功率加权合并，方法同基于时间间隔的簇分离法。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于3G蜂窝网的高铁信道探测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤a，接收机接收高铁场景下的3G信号，在本地进行信道估计获取信道冲击响应信息；
步骤b，对步骤a中得到的冲击响应信息进行统计，统计方法采用基于时间间隔的簇分离法或基于功率衰落的功率分离法；
所述簇分离法以时间间隔为基准，将时间间隔较小的多径作为一簇，在宏观上，一簇即为可分离的一径，所述功率分离法以功率衰落为基准，将接收信号功率相近或在同一数量级的多径作为一条可分辨径。
2.根据权利要求1所述的一种基于3G蜂窝网的高铁信道探测方法，其特征在于，步骤a中所述3G信号是指TD-SCDMA或CDMA2000或WCDMA。
3.根据权利要求1所述的一种基于3G蜂窝网的高铁信道探测方法，其特征在于，步骤a探测过程中不发送任何激励信号，接收机只接收信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于3G蜂窝网的高铁信道探测方法，其特征在于，所述多径的最小分辨率为一个chip的长度，一个chip内的多径信息不能获取。
5.根据权利要求1所述的一种基于3G蜂窝网的高铁信道探测方法，其特征在于，步骤b所述两种统计方法中多径的合并均采用功率加权合并，测量次数根据统计特性变动。
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