CN102014084A - 车地通信中基于列车速度和位置的信道估计和分集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车地通信中基于列车速度和位置的信道估计和分集方法，其做法主要是：根据获取到的列车当前时刻的速度和位置信息，查询出预存的信道状态经验数据库中当前列车速度和位置所对应的信道状态经验信息，以此信息作为初步信道估计结果，再由参考信号进行验证，若验证结果在设定的误差范围内，将其作为最终信道估计结果，若验证结果误差大，则将前一帧的信道估计结果作为最终信道估计结果。该方法的复杂度低、效率高，信道估计结果精确、可靠。

Description

车地通信中基于列车速度和位置的信道估计和分集方法

技术领域

本发明属于列车在高速移动环境下与地面基站之间的车地通信技术领域。

背景技术

随着高速铁路的建设和发展，铁路通信技术也在不断更新，高速移动环境下车地通信系统引起了人们越来越多的关注。高速列车上的旅客的通信需求以及列控(列车运行控制)信息的高效传输需求激增，对现有的通信系统提出了严峻的挑战。

高速移动环境会给通信网络带来多普勒频移、信道快速变化、频繁的越区切换等一系列问题。在高速铁路场景下，较大的多普勒频移和信道的快速变化对信道估计提出了严峻的挑战：需要在频域上准确的纠正多普勒频偏，需要在时域上及时跟踪信道的变化。以LTE(Long Term Evolution，长期演进)系统为例，当列车速度达到500km/h时，最大多普勒频移约为1kHz，而LTE中子载波间隔为15kHz，这将产生严重的子载波间干扰，从而导致严重的误码，影响通信系统的可靠性。此外，根据奈奎斯特采样定理，在多普勒频偏达1kHz时，能恢复信道的最小采样频率为2kHz，也就是每隔0.5ms采样一次。这意味着在时域中每个子帧(1ms)需要采样两次，以便进行正确估计信道。若采用该方法，势必降低通信系统的频谱利用率，而且随着列车运行速度的增加其频谱利用率还将进一步降低。

信道估计精度主要受发射天线个数、接收天线个数、传输带宽、载波频率、小区配置和基站与移动台间的相对速度的影响。具体影响通常可概括为：(1)载波频率和系统带宽主要决定信道的散射特性；(2)小区部署和配置情况影响多径、传播延时和空间相关性；(3)相对速度影响信道的多普勒频移和时变特性。在高速车地通信场景下，发射天线个数、接收天线个数、传输带宽、载波频率、小区配置和基站与移动台间的相对速度均可准确的提前获知，利用这些信息可以获得准确的信道估计结果，从而更好地改善系统性能。

通过对现有专利及相关技术的检索发现，现有的高速移动环境下车地通信中信道估计和分集接收方法包括：

(1)基于移动单元速度对频率和时间跟踪环路中的频偏和定时偏移的补偿(CN 1774875B)中提供了一种基于无线通信设备相对于基站的速度来调节通信接收机的方法和装置。该专利所提供的方法只是基于速度信息进行频偏估计和定时偏移而无法真实准确的反映信道的空间相关性、角度相关性，以及干扰等完整的信道状态。并且估计频偏时，速度也只是影响因素之一，还是必须通过参考信号进行复杂的频偏估计运算，其算法流程长，复杂度高，运算量大，而(超)高速移动场景下的信道状态随时间的变化非常快，采用该算法无法解决信道的时间选择性问题。

(2)频偏纠正方法和设备(CN 101547062A)中根据接收到的当前分组数据获取用户在当前分组数据中的频域数据和导频数据；根据用户在当前分组数据中的导频数据以及用户在已经过频偏纠正的分组数据中的频偏纠正结果，获得用户在当前分组数据中的频偏估计结果；根据频偏估计结果对用户当前分组数据中的频域数据进行频偏纠正。该专利也只专注于频偏纠正，只涉及了信道估计中的一部分，另外该方案要先获取当前分组数据中的导频数据(频域参考信号)，再根据导频数据反向推导获得频偏估计，最后再根据频偏估计结果对用户数据进行频偏纠正。算法流程长，复杂度高，运算量大，因此无法解决信道的时间选择性问题。

发明内容：

本发明的目的就是提供一种车地通信中基于列车速度和位置的信道估计和分集方法。该方法的复杂度低、效率高，信道估计结果精确、可靠。

本发明实现其发明目的所采用的第一种技术方案是：一种车地通信中基于列车速度和位置的信道估计和分集方法，包括如下步骤：

A、车载台和基站存储信道状态经验信息库，该信息库中包含列车运行的速度信息和位置信息所对应的信道状态经验信息；

B、车载台获取列车当前的速度信息和位置信息，同时将速度信息和位置信息传送给基站；

C、车载台和基站根据当前的速度信息和位置信息查询信道状态经验信息库，获取对应的信道状态经验信息作为初步信道估计信息；

D、车载台和基站在接收数据帧前，利用数据帧中的参考信号对当前的初步信道估计信息进行验证，若验证结果在设定的误差范围内，则将初步信道估计信息作为当前帧的最终信道估计结果，否则，进行调整，将前一帧最终信道估计结果作为当前帧的最终信道估计结果；且将该信道估计结果替换车载台和基站存储的信道状态经验信息库中的相应信息完成数据库的更新，并确定相应的分集接收方案；

E：根据D步中确定的信道估计结果和分集接收方案，调整车载台和基站当前帧的数据处理方式和分集接收方案，进行数据帧的接收。

与现有技术相比，本发明第一种技术方案的有益效果是：

本发明根据获取到的列车当前时刻的速度和位置信息，查询出预存的信道状态经验数据库中当前列车速度和位置所对应的信道状态经验信息，以此信息作为初步信道估计结果，再由参考信号进行验证，若验证结果在设定的误差范围内，将其作为最终信道估计结果，若验证结果误差大，则将与其相干性最强且已完成正常通信的前一帧的信道估计结果作为最终信道估计结果。因此本发明方法无需进行复杂的信道估计运算，而是根据验证和调整利用预存的当前的或者前一帧的经验信道估计数据，其复杂度大大降低，获得的信息多、效率高。

由于在高速车地通信中，列车运行在固定的轨道上，列车每次运行到某一地点时该地环境基本不变，其信道状态信息不会发生大的变化。故本发明根据列车的当前位置和速度得到的这些预存信息能精确可靠的反映当前的信道状态信息。并且本发明对查出的当前位置的预存信息进行了实施前的验证和调整，并根据调整结果对数据库进行实时更新，因此，本发明方法不仅复杂度低，而且信道估计结果精确、可靠。

本发明实现其发明目的所采用的第二种技术方案是：一种车地通信中基于列车速度和位置的信道估计和分集方法，包括如下步骤：

A、车载台和基站存储信道状态经验信息库，该信息库中包含列车运行的速度信息和位置信息所对应的信道状态经验信息；

B、车载台获取列车当前的速度信息和位置信息，同时将速度信息和位置信息传送给基站；

C、车载台和基站根据当前的速度信息和位置信息查询信道状态经验信息库，获取对应的信道状态经验信息作为初步信道估计信息；

D、车载台有两根天线分别安装在列车的前端和后端，车载台接收数据前，根据前端天线接收到的当前数据帧中的参考信号，验证初步信道估计结果，若验证结果在设定的误差范围内，将初步信道估计结果作为后端天线接收当前数据帧的最终信道估计结果；否则，车载台根据前端天线接收到的参考信号进行信道估计，将信道估计结果作为后端天线接收当前数据帧的最终信道估计结果；且将该信道估计结果替换车载台和基站存储的信道状态经验信息库中的相应信息完成数据库的更新，并确定相应的分集接收方案；

基站在接收数据帧前，利用数据帧中的参考信号对当前的初步信道估计信息进行验证，若验证结果在设定的误差范围内，则将初步信道估计信息作为当前帧的最终信道估计结果，否则，进行调整，将前一帧最终信道估计结果作为当前帧的最终信道估计结果；且将该信道估计结果替换车载台和基站存储的信道状态经验信息库中的相应信息完成数据库的更新，并确定相应的分集接收方案；

E：根据D步中确定的信道估计结果和分集接收方案，调整车载台和基站当前帧的数据处理方式和分集接收方案，进行数据帧的接收。

与现有技术相比，本发明第二种技术方案的有益效果是：

本发明的第二种技术方案为双天线车载台的方案，与单天线车载台的第一种方案基本一致，不同的是：车载台对查出的信道估计信息进行验证的参考信号由前端天线提供，而数据帧的接收由后端天线负责，若验证合格，直接采用查出的信道估计结果处理由后端天线接收的数据帧，若验证不合格，车载台根据前端天线的参考信号进行信道估计运算，将运算结果作为后端天线接收当前数据帧的最终信道估计结果。

由于预存信息与当前的实际信道状态在大多数情况下都是一致的，而不需要进行信道估计运算，因此该方案同样具备单天线方案所具备的运算复杂度低，效率高，信道估计结果精确可靠的优点。

即使需要进行信道估计运算，虽然此时刻的运算复杂度高，但由于是利用前端天线接收的参考信号进行估计运算，前端天线相对后端天线接收信号有一个提前的时间量，足以保证车载台信道估计结果对后端天线利用的实时性，有效地解决了信道的时间选择性问题，确保了信道估计结果的精确可靠。

上述A步中的信道状态经验信息库的初始信息是通过多次实地测量获得。这样确保了数据库中的初始信息的准确性和可靠性。

上述A步中的信道状态经验信息库中存储的信道状态经验信息包含信道的时域响应、频域响应、空间相关性、角度相关性，以及干扰信息。这样数据库中存储的信息包括了信道状态信息的全部内容，有利于全面反映信道状态，使信道估计结果更全面、完善。

上述B步中车载台获取列车的速度信息和位置信息的具体方法是：通过从列车运行控制系统中获取；或者通过列车上安装的速度传感器获得列车的速度信息，并通过读取轨道上的应答器或者车载GPS获得列车的位置信息。

本发明通过这几种方式可以简单、高效、准确的获得列车的位置信息和速度信息。

上述的B步中车载台将速度信息和位置信息传送给基站的时间间隔为列车运行50-100m的时间，在该时间段内若速度变幅超过10％则即刻传送速度信息和位置信息。这样本发明能实时精确的跟踪信道的变化情况，避免由于瞬时速度变化过快所导致的信道突变而带来的信道估计偏差。

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

实施例一

1.一种车地通信中基于列车速度和位置的信道估计和分集方法，其步骤是：

A、车载台和基站存储信道状态经验信息库，该信息库中包含列车运行的速度信息和位置信息所对应的信道状态经验信息。

本例中的信道状态经验信息库的初始信息是通过多次实地测量获得，信道状态经验信息库中存储的信道状态经验信息包含信道的时域响应、频域响应、空间相关性、角度相关性，以及干扰信息。

B、车载台获取列车当前的速度信息和位置信息，同时将速度信息和位置信息传送给基站。

车载台获取列车的速度信息和位置信息的具体方法可以是：通过从列车运行控制系统中获取；或者通过列车上安装的速度传感器获得列车的速度信息，并通过读取轨道上的应答器或者车载GPS获得列车的位置信息。

本例中车载台将速度信息和位置信息传送给基站的时间间隔为列车运行50-100m的时间，在该时间段内若速度变幅超过10％则即刻传送速度信息和位置信息。

C、车载台和基站根据当前的速度信息和位置信息查询信道状态经验信息库，获取对应的信道状态经验信息作为初步信道估计信息；

D、车载台和基站在接收数据帧前，利用数据帧中的参考信号对当前的初步信道估计信息进行验证，若验证结果在设定的误差范围内，则将初步信道估计信息作为当前帧的最终信道估计结果，否则，进行调整，将前一帧最终信道估计结果作为当前帧的最终信道估计结果；且将该信道估计结果替换车载台和基站存储的信道状态经验信息库中的相应信息完成数据库的更新，并确定相应的分集接收方案；

E：根据D步中确定的信道估计结果和分集接收方案，调整车载台和基站当前帧的数据处理方式和分集接收方案，进行数据帧的接收。

实施例二：

1.一种车地通信中基于列车速度和位置的信道估计和分集方法，其步骤是：

A、车载台和基站存储信道状态经验信息库，该信息库中包含列车运行的速度信息和位置信息所对应的信道状态经验信息。

本例中的信道状态经验信息库的初始信息是通过多次实地测量获得，信道状态经验信息库中存储的信道状态经验信息包含信道的时域响应、频域响应、空间相关性、角度相关性，以及干扰信息。

B、车载台获取列车当前的速度信息和位置信息，同时将速度信息和位置信息传送给基站。

车载台获取列车的速度信息和位置信息的具体方法可以是：通过从列车运行控制系统中获取；或者通过列车上安装的速度传感器获得列车的速度信息，并通过读取轨道上的应答器或者车载GPS获得列车的位置信息。

本例中车载台将速度信息和位置信息传送给基站的时间间隔为列车运行50-100m的时间，在该时间段内若速度变幅超过10％则即刻传送速度信息和位置信息。

C、车载台和基站根据当前的速度信息和位置信息查询信道状态经验信息库，获取对应的信道状态经验信息作为初步信道估计信息；

D、车载台有两根天线分别安装在列车的前端和后端，车载台接收数据前，根据前端天线接收到的当前数据帧中的参考信号，验证初步信道估计结果，若验证结果在设定的误差范围内，将初步信道估计结果作为后端天线接收当前数据帧的最终信道估计结果；否则，车载台根据前端天线接收到的参考信号进行信道估计，将信道估计结果作为后端天线接收当前数据帧的最终信道估计结果；且将该信道估计结果替换车载台和基站存储的信道状态经验信息库中的相应信息完成数据库的更新，并确定相应的分集接收方案；

基站在接收数据帧前，利用数据帧中的参考信号对当前的初步信道估计信息进行验证，若验证结果在设定的误差范围内，则将初步信道估计信息作为当前帧的最终信道估计结果，否则，进行调整，将前一帧最终信道估计结果作为当前帧的最终信道估计结果；且将该信道估计结果替换车载台和基站存储的信道状态经验信息库中的相应信息完成数据库的更新，并确定相应的分集接收方案。

E：根据D步中确定的信道估计结果和分集接收方案，调整车载台和基站当前帧的数据处理方式和分集接收方案，进行数据帧的接收。

本发明确定分集接收方案的方法为现有技术：候选分集方案包括多径分集接收、多普勒分集接收、空间分集接收。以多普勒分集为例，如果信道估计结果发现此时多普勒分集能获得很好的分集增益，则加入多普勒分集接收。反之，如果采用多普勒分集所需代价超过普勒分集所带来的增益，将不采用多普勒分集接收，而是通过多普勒频偏纠正消除多普勒效应的不利影响。

Claims (6)

1.一种车地通信中基于列车速度和位置的信道估计和分集方法，其步骤是：

A、车载台和基站存储信道状态经验信息库，该信息库中包含列车运行的速度信息和位置信息所对应的信道状态经验信息；

B、车载台获取列车当前的速度信息和位置信息，同时将速度信息和位置信息传送给基站；

C、车载台和基站根据当前的速度信息和位置信息查询信道状态经验信息库，获取对应的信道状态经验信息作为初步信道估计信息；

D、车载台和基站在接收数据帧前，利用数据帧中的参考信号对当前的初步信道估计信息进行验证，若验证结果在设定的误差范围内，则将初步信道估计信息作为当前帧的最终信道估计结果，否则，进行调整，将前一帧最终信道估计结果作为当前帧的最终信道估计结果；且将该信道估计结果替换车载台和基站存储的信道状态经验信息库中的相应信息完成数据库的更新，并确定相应的分集接收方案；

E：根据D步中确定的信道估计结果和分集接收方案，调整车载台和基站当前帧的数据处理方式和分集接收方案，进行数据帧的接收。

2.一种车地通信中基于列车速度和位置的信道估计和分集方法，其步骤是：

A、车载台和基站存储信道状态经验信息库，该信息库中包含列车运行的速度信息和位置信息所对应的信道状态经验信息；

B、车载台获取列车当前的速度信息和位置信息，同时将速度信息和位置信息传送给基站；

C、车载台和基站根据当前的速度信息和位置信息查询信道状态经验信息库，获取对应的信道状态经验信息作为初步信道估计信息；

D、车载台有两根天线分别安装在列车的前端和后端，车载台接收数据前，根据前端天线接收到的当前数据帧中的参考信号，验证初步信道估计结果，若验证结果在设定的误差范围内，将初步信道估计结果作为后端天线接收当前数据帧的最终信道估计结果；否则，车载台根据前端天线接收到的参考信号进行信道估计，将信道估计结果作为后端天线接收当前数据帧的最终信道估计结果；且将该信道估计结果替换车载台和基站存储的信道状态经验信息库中的相应信息完成数据库的更新，并确定相应的分集接收方案；

基站在接收数据帧前，利用数据帧中的参考信号对当前的初步信道估计信息进行验证，若验证结果在设定的误差范围内，则将初步信道估计信息作为当前帧的最终信道估计结果，否则，进行调整，将前一帧最终信道估计结果作为当前帧的最终信道估计结果；且将该信道估计结果替换车载台和基站存储的信道状态经验信息库中的相应信息完成数据库的更新，并确定相应的分集接收方案；

E：根据D步中确定的信道估计结果和分集接收方案，调整车载台和基站当前帧的数据处理方式和分集接收方案，进行数据帧的接收。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是：所述A步中的信道状态经验信息库的初始信息是通过多次实地测量获得。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是：所述A步中的信道状态经验信息库中存储的信道状态经验信息包含信道的时域响应、频域响应、空间相关性、角度相关性，以及干扰信息。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是：所述B步中车载台获取列车的速度信息和位置信息的具体方法是：通过从列车运行控制系统中获取；或者通过列车上安装的速度传感器获得列车的速度信息，并通过读取轨道上的应答器或者车载GPS获得列车的位置信息。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是：所述的B步中车载台将速度信息和位置信息传送给基站的时间间隔为列车运行50-100m的时间，在该时间段内若速度变幅超过10％则即刻传送速度信息和位置信息。