CN102210106A - 移动无线电通信系统、移动通信装置及其频率控制方法 - Google Patents

移动无线电通信系统、移动通信装置及其频率控制方法 Download PDF

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Abstract

提供了即使当接收频率急剧变化时也能够使内部基准频率跟随接收频率的变化的移动通信装置和用于该装置的频率控制方法。在包括移动站(54)和静止的基站(55)的移动无线电通信系统中，移动站包括：收发器(52)，其从基站接收高频信号；以及信息处理部(53)，其基于从外部提供的移动站的移动环境信息来预测从基站接收的高频信号的频率变化，并且基于预测结果来控制收发器部的本地信号的频率。

Description

移动无线电通信系统、移动通信装置及其频率控制方法
技术领域
本发明涉及移动无线电通信系统，更具体而言涉及相对于固定安装的基站高速移动的移动通信装置以及该装置的频率控制方法。
背景技术
在以CDMA(码分多址)蜂窝电话系统为代表的移动通信系统中，需要经常性地考虑由移动站的移动引起的无线电环境的变化。由取决于反射波的影响和移动站的移动速度的多普勒效应(Doppler effect)引起的频率误差的发生是不可避免的。如果移动站处的接收频率由于移动而偏离了当移动站静止时的接收频率，即基站处的发送频率，则无法对数据正确解调。因此，移动站设有反馈机构，用以估计基站侧的基准频率并校正频率误差。
作为示例，将简要描述PTL中公开的CDMA移动电话装置中的自动频率控制系统。
图1是示出一般的CDMA移动电话装置中的收发器部的示例的示意性框图。移动电话装置设有电压控制型基准时钟生成电路10，该电路10生成充当整个装置的操作定时的基准的基准时钟。利用由基准时钟生成电路10生成的基准时钟作为基准频率，PLL(锁相环)电路11生成接收本地信号和发送本地信号并将它们分别输出到无线电接收器部12和无线电发送器部13。
无线电接收器部12通过使用接收本地信号对接收高频信号执行下变频和准同步检测并将其作为接收数字基带信号输出到耙指电路14。耙指电路14对于每个耙指把接收数字基带信号的解调信号输出到RAKE电路15并且把导频数据输出到频率偏置估计电路16，并且RAKE电路15通过使用来自频率偏置估计电路16的频率偏置量来生成接收数据。
频率偏置估计电路16基于来自每个耙指的导频数据计算接收频率偏置以输出到RAKE电路15，并且还把从这些偏置合成的频率偏置输出到累积器电路17。累积器电路17把这种合成的频率偏置的累积值作为控制电压数据输出到基准时钟生成电路10。这样，从基准时钟生成电路10输出的基准时钟频率通过频率偏置估计被自动控制，从而接收频率的变动可被校正。根据这样校正后的频率时钟，用于下变频和用于正交解调的本地信号被生成并输出到无线电接收器部12。类似地，根据校正后的频率时钟，用于上变频和用于正交调制的本地信号被生成并输出到无线电发送器部13。顺便说一下，发送数据被信道编解码器18通过预定的方案编码并被输出到无线电发送器部13。
注意，移动站的基准时钟被配置为跟随来自基站的下行链路信号频率的原因是，与移动站中包含的基准时钟生成电路相比，基站中包含的基准时钟生成电路对于温度的变化和振动更稳定。从而，整个系统的频率的稳定性增强了。
另外，在PTL 2中公开了一种系统，除了如上所述的自动频率控制之外，该系统还设有多普勒频移处理器装置，以便即使频率校正的范围加宽，也能进行准确的校正。在此系统中，移动站被配置为通过使用GPS(全球定位系统)接收器测量其移动速度和位置并计算由多普勒效应引起的频率偏移，从而控制电压控制振荡器并调整本地频率(参见PTL 2的图2和3)。
[引文列表]
[专利文献]
PTL 1：日本专利申请未实审公布No.2001-157263
PTL 2：日本专利申请未实审公布No.2001-119333
发明内容
[技术问题]
然而，反馈系统一般有误差。特别是当接收高频信号的频率随时间的变化变得更迅速时，通过上述频率偏置估计来跟随频率变化的能力降低，从而导致更大的误差。以下，作为示例，将描述当移动站高速经过基站时发生的多普勒效应。
首先，假定由基站发送的下行链路信号的频率是fo[Hz]，将考虑移动站在从基站看的角度θ的方向上以速度v[m/s]移动的情况。在此情况下，在移动站处测量到的从基站到达的电磁波的频率fd[Hz]一般可由以下式子表示。
[数学式1]
f d = 1 - ( v / c ) 2 1 - ( v / c ) cos θ f o . . . ( 1 )
这里c是光速[m/s]。假定当移动站朝着基站移动时θ＝0°，那么通过将θ＝0°代入式(1)中，此时测量到的频率fd可由以下的式(2)表示。
[数学式2]
f d = 1 - ( v / c ) 2 1 - ( v / c ) f o = 1 + ( v / c ) 1 - ( v / c ) f o . . . ( 2 )
这里，如果v＜＜c，则可以进行如下近似。
[数学式3]
1 - ( v / c ) 2 ≈ 1
因此，式(2)可被近似成以下的式(3)。
[数学式4]
f d = 1 + ( v / c ) 1 - ( v / c ) f o = 1 + ( v / c ) 1 - ( v / c ) 2 f o ≈ ( 1 + v / c ) f o . . . ( 3 )
即，当移动站以速度v[m/s]靠近基站时，由于多普勒效应，在移动站处测量到的来自基站的下行链路信号频率fd[Hz]可由式(3)来得出。换言之，由于fo是当移动站静止时测量到的来自基站的下行链路信号频率，因此如果移动站高速靠近基站，则在移动站处测量到的来自基站的下行链路信号频率fd与静止时的下行链路信号频率fo相比以v/c的频率比率增大(向上偏移)。结果，以上述方式，移动站中的基准时钟频率以相同的频率比率v/c相应地变化。
接下来，当移动站经过基站的附近并且以速度v[m/s]移离基站时，通过将θ＝180°代入式(1)中并且应用类似的近似，在移动站处测量到的下行链路信号频率fd′[Hz]可由以下的式(4)表示。
fd′＝(1-v/c)fo    …(4)
即，当移动站高速移离基站时，在移动站处测量到的来自基站的下行链路信号频率fd′与静止时的下行链路信号频率fo相比以v/c的频率比率减小(向下偏移)。因此，当移动站高速经过基站时，由多普勒效应引起的频率偏离从向上偏移急剧变化成向下偏移。此时，在移动站处测量到的频率变化量Δfd由以下的式(5)给出。
Δfd＝fd′-fd＝-(2·v·fo)/c    …(5)
随着移动站以更高速度移动，频率的这种变化增大，并且尝试跟随该变化的反馈系统的误差也增大。随着基准时钟的误差变大，接收信号的差错率增大，这导致了信号传送吞吐量的减小和通信质量的劣化，从而在最坏情况下将发生连接断开。
可以进一步提高频率偏置估计电路的速度以便能够跟随接收频率的这种急剧变化。然而，提高电路速度不是一种可取的方案，因为它伴随着功耗和发热量的增大以及成本的上升。
另外，在PTL 2中，采用的方法是通过使用GPS接收器来测量移动站的移动速度和位置并且计算多普勒频移，从而校正本地信号。然而，此多普勒频移是通过测量移动站的不断变化的当前位置和速度来计算的，并且计算结果被反映在电压控制振荡器的振荡频率中。这是与频率偏置估计类似的反馈控制。此外，PTL 2仅考虑了移动站接近或远离基站移动的情况。因此，单纯地利用GPS计算多普勒频移并对电压控制振荡器进行反馈控制的配置不能跟随像上述式(3)中那样的当移动站高速经过基站附近时发生的频率的急剧变化。
本发明是考虑到上述情况而做出的，并且其一个目的是提供一种即使当接收频率急剧变化时也能使内部基准频率跟随接收频率的变化的移动通信装置和用于该装置的频率控制方法。
[解决问题的方案]
根据本发明的移动无线电通信系统是一种包括移动站和静止的基站的移动无线电通信系统，其特征在于：基站向移动站发送高频信号，并且移动站基于从外部提供的移动站的移动环境信息来预测从基站接收的高频信号的频率变化，并且基于预测结果来控制本地信号的频率。
根据本发明的移动无线电通信装置是一种包括至少一个静止的基站的移动无线电通信系统中的移动通信装置，其特征在于包括：发送和接收装置，用于与基站执行无线电通信；以及控制装置，该控制装置基于从外部提供的移动环境信息来预测从基站接收的高频信号的频率变化，并且基于预测结果来控制发送和接收装置的本地信号的频率。
根据本发明的频率控制方法是一种用于与静止的基站执行无线电通信的移动通信装置的频率控制方法，其特征在于包括：利用发送和接收装置从基站接收高频信号；以及利用控制装置，基于从外部提供的移动环境信息来预测从基站接收的高频信号的频率变化，并且基于预测结果来控制发送和接收装置的本地信号的频率。
[本发明的有利效果]
根据本发明，即使当接收频率急剧变化时，移动通信装置的内部基准频率也可以跟随接收频率的变化。
附图说明
图1是示出一般的CDMA移动电话装置中的收发器部的示例的示意性框图。
图2是示出根据本发明第一示例性实施例的包括移动通信装置(移动站)的移动无线电通信系统的示意性结构的框图。
图3是本发明的第一示例性实施例中的移动站-基站间相对速度的计算的说明图。
图4是示出根据本发明第一示例的移动通信装置中的收发器部的示意性功能配置的框图。
图5是示出根据本发明第一示例的移动通信装置中的收发器部的详细功能配置的框图。
图6是示出图5所示的移动通信装置中的信息处理部的详细功能配置的框图。
图7是示出相对于基站-移动站间移动路径方向距离x的频率偏移比率fr的变化的曲线图。
图8是根据本发明第二示例性实施例的包括移动通信装置(移动站)的移动无线电通信系统的框图。
图9是在本发明的第二示例性实施例中根据移动站和基站的第一布置示例的移动站-基站间传播路径上相对速度的计算的说明图。
图10是在本发明的第二示例性实施例中根据移动站和基站的第二布置示例的移动站-基站间传播路径上相对速度的计算的说明图。
图11是示出根据本发明第二示例的移动通信装置的收发器部的详细功能配置的框图。
图12是根据本发明第三示例性实施例的包括移动通信装置(移动站)的移动无线电通信系统的框图。
图13是示出图12所示的移动通信装置中的信息处理部的详细功能配置的框图。
具体实施方式
根据本发明，从外部获取移动环境信息，并且基于该信息来估计即将发生的频率变化，从而执行对本地信号频率的预测性控制。移动环境信息是从基站提供的(图2和8)，或者是从其上搭载着移动通信装置的车辆提供的(图12)。以下将详细描述本发明的实施例。
1.第一示例性实施例
首先，将参考图2和3简要描述系统的整体结构。假定根据本实施例的移动无线电通信系统大体上包括移动通信装置54(以下称为移动站54)和固定地安装在地面上并且静止的基站55，如图2所示。移动站54是诸如移动电话终端之类的移动通信设备并且包括天线51、收发器部(TRX)52和信息处理部53。
基站55通过使用下行链路高频信号(无线电信号)向移动站54发送移动站54的移动环境信息(x，d，u)。移动环境信息(x，d，u)是移动站54获得其相对于基站55的速度v所需的位置信息和速度信息。将参考图3来描述移动环境信息(x，d，u)的具体示例。
参考图3，假定移动站54正沿着移动路径58以速度u移动并且基站55被安装在与移动路径58相距距离d处。在此情况下，在移动环境信息(x，d，u)之中，x是沿着移动路径58在当前时间点的距离，d是从基站55到移动路径58上的最近点F的距离，并且u是移动站沿着移动路径58在当前时间点的速度。
如果移动站54正随着列车沿铁路移动，则x是从列车的当前位置到铁路上与固定安装在铁路旁的基站55最近的点F的距离，d是从基站55到铁路上的点F的距离，u是列车的行进速度。一般地，铁路具有掌握着列车的移动信息的铁路交通控制系统。因此，基站55可以从铁路交通控制系统获取运载移动站54的列车的移动信息并且将该移动信息作为移动站54的移动环境信息(x，d，u)发送给移动站54。
如果移动站54正随着车辆沿公路移动，则x是从车辆的当前位置到公路上与固定安装在公路旁边的基站55最近的点F的距离，d是从基站55到公路上的点F的距离，并且u是车辆的行进速度。公路具有识别移动的车辆并且检测其速度的移动车辆监视系统。因此，基站55可以从移动车辆监视系统获取运载移动站54的车辆的移动信息并且将该移动信息作为移动站54的移动环境信息(x，d，u)发送给移动站54。
移动站54的收发器部52在通过天线51接收到来自基站55的下行链路高频信号后，利用以上提及的接收本地信号对下行链路高频信号解调，并且把包含移动环境信息(x，d，u)的接收数据RDA输出到信息处理部53。信息处理部53从接收数据RDA中提取移动环境信息(x，d，u)，并且基于提取出的移动环境信息(x，d，u)，计算基站-移动站间相对速度v。利用此相对速度v，信息处理部53不仅估计接收高频信号的当前频率，而且估计即将发生的频率变化，生成频率控制数据FCD，并在适当时将其输出到收发器部52。
收发器部52利用与频率控制数据FCD相对应的控制信号，通过频率偏置估计功能反馈系统来改变本地信号的频率。频率控制数据FCD也包括对即将发生的频率变化的估计。因此，即使在来自基站55的下行链路高频信号的频率中发生急剧变化，移动站54的基准时钟也可充分地跟随该变化。
2.第一示例
以下，将以CDMA移动通信终端作为根据本发明第一示例的移动通信装置，来描述收发器部52和信息处理部53。
2.1)收发器部
如图4中示意性示出的，与图1所示的移动通信终端相比，根据本示例的移动通信终端具有额外包括电压数据转换电路56和加法器57的配置。因此，与图1所示的电路具有相同功能的那些块将用与图1中相同的标号来标示。以下，将描述整个配置。
基准时钟生成电路10生成充当整个装置的操作定时的基准的基准时钟，并且例如是使用温度补偿晶体振荡器(TCXO)的电压控制型振荡器。利用由基准时钟生成电路10生成的基准时钟作为基准频率，PLL(锁相环)电路11生成所需的本地信号并将它们分别输出到无线电接收器部12和无线电发送器部13。
无线电接收器部12通过使用用于下变频并且用于正交解调的本地信号对接收高频信号执行下变频和正交解调并向耙指电路14输出接收数字基带信号。耙指电路14对于每个耙指把接收数字基带信号的解调信号输出到RAKE电路15并且把导频数据输出到频率偏置估计电路16。RAKE电路15对利用从频率偏置估计电路16输入的频率偏置量加权的解调信号进行合成，从而生成接收数据RDA并将其输出到信息处理部53。
频率偏置估计电路16基于从每个耙指输入的导频数据估计接收频率偏置并将其输出到RAKE电路15。此外，频率偏置估计电路16还把从这些偏置合成的频率偏置量输出到累积器电路17。累积器电路17把这种合成的频率偏置的累积值作为控制电压数据通过加法器57输出到基准时钟生成电路10的控制端。
电压数据转换电路56把从信息处理部53输入的频率控制数据FCD转换成相应的控制电压数据FCV并将其输出到加法器57。加法器57把从累积器电路17输入的通过频率偏置估计获得的控制电压数据和从电压数据转换电路56输入的与频率控制数据相对应的控制电压数据FCV相加，并将加法的结果作为频率控制电压数据输出到基准时钟生成电路10的控制端。
这样从基准时钟生成电路10输出的基准时钟频率不仅包括根据频率偏置估计的自动控制，而且还包括由信息处理部53估计的频率变化的预测性控制。因此，可以跟随当移动高速经过基站时发生的接收频率的急剧变化。用于下变频和用于正交解调的本地信号根据这样控制的基准时钟被生成并被输出到无线电接收器部12。类似地，用于上变频和用于正交调制的本地信号根据受控制的基准时钟被生成并输出到无线电发送器部13。顺便说一下，发送数据被信道编解码器18通过预定的方案编码并输出到无线电发送器部13。以下，将参考图5来描述收发器部52的更详细配置。
参考图5，上述移动站54的接收电路部主要由低噪声放大器27、带通滤波器28、PLL电路29、正交解调器30、自动增益控制(AGC)放大器31、带通滤波器32、A/D转换器33、基准时钟生成电路34、延迟分布特性搜索电路35、耙指电路36、定时生成电路37、频率偏置估计电路38、RAKE电路39、累积器电路40、频率-电压数据转换电路56以及加法器57构成。发送电路部主要由与接收电路部共用的基准时钟生成电路34、信道编解码器41、D/A转换器42、带通滤波器43、PLL电路44、正交调制器45、AGC放大器46、带通滤波器47以及功率放大器48构成。
移动站中包含的基准时钟生成电路34在控制端接收作为加法器57执行的加法的结果的控制电压数据的输入，并且基于该控制电压数据生成基准时钟。基准时钟生成电路34将该基准时钟输出到接收电路部方的PLL电路29和发送电路部方的PLL电路44中的每一个，并且还将其提供给定时生成电路37。接收电路部方PLL电路29基于输入的基准时钟生成本地信号并将其输出到正交解调器30。另一方面，发送电路部方PLL电路44基于输入的基准时钟生成本地信号并将其输出到正交调制器45。
从通过天线25从基站接收的下行链路高频信号中，所需的预定频率带中的信号被双工器26选择并作为接收高频信号被引导至接收电路部。接收高频信号首先被低噪声放大器27放大，被带通滤波器28进一步进行频带限制，然后被输入到正交解调器30。正交解调器30利用由PLL电路29提供的本地信号执行接收高频信号的准同步检测并且生成接收模拟基带信号。接收模拟基带信号被AGC放大器31进行电平控制，被带通滤波器32进行频带限制，然后被输入到A/D转换器33。A/D转换器33把接收模拟基带信号转换成接收数字基带信号。接收数字基带信号被输入到延迟分布特性搜索电路35和耙指电路36中的每一个。这里，移动站可基于导频数据来估计基站的基准时钟，该导频数据是与基站的基准时钟同步生成的并且被叠加在了接收数字基带信号上。这相当于基站的基准时钟被叠加在接收数字基带信号上。
另外，延迟分布特性搜索电路35基于由定时生成电路37生成的帧定时信号和输入的接收数字基带信号来生成帧定时时间校正量，并将其输出到定时生成电路37。定时生成电路37首先基于装置中的基准时钟生成电路34生成的基准时钟生成理想帧定时信号，接下来将输入的帧定时时间校正量添加到所生成的理想帧定时信号，从而对理想帧定时信号进行校正。经校正的帧定时信号被输入到延迟分布特性搜索电路35和耙指电路36中的每一个。
耙指电路36由多个耙指构成，这些耙指用于把通过多径接收的接收数字基带信号分离成各个单径成分。基于输入的经校正的帧定时信号，耙指电路36对于每个耙指对接收数字基带信号解调并将它们输出到RAKE电路39。另外，耙指电路36把每个耙指的接收数字基带信号中包含的导频数据从每个耙指输出到频率偏置估计电路38。频率偏置估计电路38基于从每个耙指输入的导频数据(与基站的基准时钟同步)，计算每个耙指的频率偏置量，并将它们输出到RAKE电路39。同时，频率偏置估计电路38通过加权来合成各个耙指的频率偏置量并将合成的频率偏置量输出到累积器电路40。上述RAKE电路39基于各个耙指的输入频率偏置量，通过加权来合成从各个耙指输出的解调信号，从而生成接收数据RDA。从而，可以获得减轻了衰减的接收数据RDA。
累积器电路40把输入的合成频率偏置量(频率偏移量)与当前输出值相加，并将此加法的结果输出到加法器57。另外，频率-电压数据转换电路56把从信息处理部53捕捉的频率控制数据FCD转换成相应的频率控制电压数据FCV，并将其输出到加法器57。加法器57把输入的累积器电路40的输出值与输入的频率控制电压数据FCV相加，并且把加法的结果输出到基准时钟生成电路34。基准时钟生成电路34在频率控制端接收作为加法器57进行的加法的结果的控制电压数据的输入并且基于该控制电压数据来生成基准时钟。即，这相当于使移动站54的基准时钟跟随基站55的基准时钟。从而，基准时钟生成电路34把跟随基站55的基准时钟的基准时钟输出到接收电路部的PLL电路29、发送电路部的PLL电路44和定时生成电路37中的每一个。
2.2)信息处理部
接下来，将参考图6来详细描述移动站54中包括的信息处理部53的配置。如图6所示，根据本示例的信息处理部53大体上包括输入电路53a、输出电路53b、存储器部53c、计算部53d、定时器电路53e、接口电路53f以及控制装置的每个部件的控制部(CPU)53g。
信息处理部53的控制部53g使输入电路53a可接收从收发器部52的RAKE电路39输出的接收数据RDA的输入并将其临时存储在存储器部53c中。控制部53g把接收数据RDA转换成通常的接收信息和移动环境信息(x，d，u)，并通过接口电路53f输出通常接收信息。另外，在通过接口电路53f接收到通常发送信息的输入时，控制部53g生成发送数据TDA并将其从输出电路53b输出到收发器部52。
另外，在信息处理部53中，计算部53d在控制部53g的控制下，基于移动环境信息(x，d，u)执行关于由多普勒效应引起的频率偏移的预测性计算。控制部53g对定时器电路53e设定时间设定值以激活它，并且基于来自定时器电路53e的时间信息，在适当的时间允许由计算部53d获得的频率控制数据FCD从输出电路53b输出到收发器部52。
注意，对于上述的控制部53g和计算部53d，等同的功能也可通过在诸如CPU之类的程序控制处理器上执行程序来实现。
2.3)操作
接下来，将参考图5来描述移动站54的收发器部52的与频率控制有关的操作。
基准时钟生成电路34生成基准时钟并将其提供给接收电路部方PLL电路29和发送电路部方PLL电路44。PLL电路29和44各自基于输入的基准时钟来生成本地信号。接收电路部方PLL电路29把所生成的本地信号输出到正交解调器30，而发送电路部方PLL电路44把所生成的本地信号输出到正交调制器45。
从基站55接收的包含移动环境信息(x，d，u)的接收数据RDA被输出到信息处理部53。如上所述，在耙指电路36处，每个耙指生成接收数字基带信号中包含的导频数据并将其输出到频率偏置估计电路38。频率偏置估计电路38基于从每个耙指输入的导频数据来为每个耙指计算频率偏置量，通过加权合成各个耙指的频率偏置量，并且将合成频率偏置量输出到累积器电路40。
累积器电路40把输入的合成频率偏置量(频率偏移量)与当前输出值相加并将此加法的结果输出到加法器57。另外，频率-电压数据转换电路56通过使用预定的转换公式或预定的转换表把作为由信息处理部53提供的预测性控制数据的频率控制数据FDC转换成相应的频率控制电压数据FCV，并将其输出到加法器57。加法器57把输入的累积器电路40的输出值与频率控制电压数据FCV相加，并将加法的结果输出到基准时钟生成电路34。基准时钟生成电路34基于由加法器57进行的加法的结果来生成基准时钟，并将其输出到接收电路部的PLL电路29、发送电路部的PLL电路44和定时生成电路37中的每一个。
2.4)对频率变化的预测
接下来，将参考图3、6和7来描述移动站54的信息处理部53中的生成频率控制数据FCD的操作。首先，信息处理部53的控制部53g从提取自接收数据RDA的移动环境信息(x，d，u)获得基站-移动站间相对速度v[m/s]。基站-移动站间相对速度v[m/s]可利用式(6)来获得，其中基站-移动站间移动路径方向距离x[m]、基站-移动路径间距离d[m]和移动站的传播路径上速度u[m/s]是变量。
[数学式5]
v = x x 2 + d 2 · u . . . ( 6 )
这里，假定基站55在频率fo[Hz]发送下行链路高频信号并且移动站54以速度v[m/s]朝着基站55移动。此时，假定光速是c[m/s]，在移动站54处测量到的来自基站55的下行链路高频信号的频率Fd[Hz]由于多普勒效应由式(3)给出，如前文所述。
fd＝(1+v/c)fo    …(3)
当计算出下行链路高频信号的这个表观频率fd时，由多普勒效应引起的频率偏移fs由以下的式(7)给出，并且频率偏移比率fr由以下的式
(8)给出。
fs＝fd-fo＝(v/c)fo    …(7)
fr＝(fd-fo)/fo＝(v/c) …(8)
另外，当移动站54经过基站55的附近并且其移动从靠近变到远离时(即，当接收高频信号的载波频率发生急剧变化时)将测量到的频率fd′可利用式(4)来获得，并且当即将发生的急剧频率变化发生时的频率变化量Δfd可利用式(5)来预测，如前文所述。
fd′＝(1-v/c)fo                 …(4)
Δfd＝fd′-fd＝-(2·v·fo)/c    …(5)
作为参考，图7是示出频率偏移比率fr相对于基站-移动站间移动路径方向距离x的变化的曲线图。具体而言，此图通过使用基站-移动路径间距离d[m]作为参数，示出了当移动站沿着移动路径58的速度u是300km/h时，相对于移动站54与基站的在移动路径方向上的距离x[m]，频率偏移比率fr(ppm)的变化。
信息处理部53的计算部53d通过使用上述运算式来估计当前接收高频信号频率将如何变化，并且将计算结果作为频率控制数据FCD返回给控制部53g。控制部53g在适当的时间将频率控制数据FCD输出到收发器部52。控制部53g向定时器电路53e设定由计算部53d估计的频率控制数据FCD所对应的频率控制数据FCD的输出时间作为时间设定值，并且在设定的时间到达时，通过输出电路53b把计算部53d获得的频率控制数据FCD输出到收发器部52。从而，当在频率可能急剧变化的时段期间发生频率的急剧变化时，可以把频率控制电压数据FCV输出到加法器57，从而将跟随急剧变化后的频率。
上述对频率偏移fs的计算可在移动站54经过基站55的附近之前执行。因此，在移动站54经过基站55的附近之前，移动站54的信息处理部53可预测在移动站54刚刚经过基站55的附近之后将测量到的接收高频信号频率fd和频率偏移fs。
对于移动站54的收发器部52，希望PLL电路29(参见图5)输出的本地信号的频率等于接收高频信号的载波频率。信息处理部53通过上述计算预先生成与预测在移动站54刚刚经过基站附近之后将测量到的接收高频信号频率相对应的频率控制数据FCD。当移动站54实际经过基站的附近时，信息处理部53向收发器部52的频率-电压数据转换电路56输出频率控制数据FCD，并且频率-电压数据转换电路56把频率控制数据FCD转换成频率控制电压数据FCV并将其输出到加法器57。
这里，频率控制数据FCD和频率控制电压数据FCV对应于由多普勒效应引起的预测频率变化量(频率偏移差)Δfd。由于基准时钟生成电路34通过接收加法器57的加法输出作为控制电压来生成基准时钟，所以其振荡频率反映了受到在移动站54经过基站附近时(移动站54刚刚经过基站附近后)发生的多普勒效应的影响的接收高频信号频率。因此，PLL电路29基于基准时钟的振荡频率生成的本地信号的频率也反映了受多普勒效应影响的接收高频信号频率。
2.5)效果
如上所述，根据本示例，即使在频率变化由于多普勒效应而高速发生的环境中，PLL电路29输出的本地信号的频率也可被平滑地跟随控制为等于受多普勒效应影响的接收高频信号的载波频率。从而，可以使频率偏置估计功能中包括的反馈系统的误差较小，并可以减小信号差错率和信号连接断开概率。因此，即使当移动站经过了基站的附近并且其移动从靠近变成了远离时(即，当接收高频信号的载波频率发生了急剧变化时)，也可以避免信号传送吞吐量的减小和通信质量的降低。
另外，根据本示例的移动站54可以基于预先提供的移动环境信息对由在移动站54经过基站附近时(移动站54刚刚经过基站附近后)发生的多普勒效应引起的频率偏移执行预测性控制。因此，移动站54的收发器部52可以使本地信号的频率准确地跟随接收高频信号的载波频率，而不依赖于频率偏置估计电路38的加速。因此，不需要复杂且昂贵的高速电路配置，而是可以用不昂贵且简单的低速电路配置来实现频率偏置估计功能，从而电路可以以低功耗工作，而且发热值也可得到抑制。
3.第二示例性实施例
在本发明的第二示例性实施例中，考虑了无线电反射体对多普勒效应的影响。以下，将参考图8至10来描述根据本发明第二示例性实施例的移动无线电通信系统。
3.1)配置
根据第二示例性实施例的系统与上述第一实施例的不同点在于，向第一示例性实施例的移动环境信息(x，d，u)中进一步添加了关于从移动路径58到无线电反射体的反射面的距离w(以下也简称为移动路径-无线电反射体间距离)的信息。具体而言，在此第二示例性实施例中，如图9和10所示，在考虑无线电反射体59a或59b存在于移动路径58的附近的情况同时，使用移动环境信息(x，d，u，w)。在除了无线电反射体(反射面)59a或59b的存在以及相应引入的移动路径-无线电反射体间距离w以外的方面，第二示例性实施例与上述第一示例性实施例大致类似。因此，在图8至10中，使用与图2和3中相同的标号，并且将省略或简化对其的描述。另外，由于移动站54的收发器部52的电路配置也与图5所示的配置类似，所以在适当时也将参考图5中的电路来进行描述。
在移动站54随着列车沿铁路移动的情况下，移动路径-无线电反射体间距离w例如当在铁路隧道内时对应于铁路与隧道内壁(无线电反射面)之间的距离，或者当在构建有音障的区域中时对应于铁路与音障(无线电反射面)之间的距离。由于关于铁路与无线电反射面之间的这种距离的信息是作为铁路管理信息已知的信息，所以将省略对该信息的获取的详细描述。
另外，在移动站54随着车辆沿公路移动的情况下，移动路径-无线电反射体间距离w例如当在公路隧道内时对应于车辆行进路线与隧道内壁(无线电反射面)之间的距离，或者当在构建有音障的区域中时对应于车辆行进路线与音障(无线电反射面)之间的距离。由于关于移动路径与无线电反射面之间的这种距离的信息是作为交通管理信息或道路管理信息已知的信息，所以将省略对该信息的获取的详细描述。
3.2)操作
接下来，将参考图8至10来描述根据本示例性实施例由移动站54执行的跟随由多普勒效应引起的频率变化的操作。
在根据本示例性实施例的移动站54中，在从基站55接收到包含移动环境信息(x，d，u，w)的下行链路高频信号时，解调处理如上所述由解调器30执行，然后接收数据RDA被从RAKE电路39输出到信息处理部53。信息处理部53从接收数据RDA中提取移动环境信息(x，d，u，w)，并且识别出基站-移动站间移动路径方向距离x、基站-移动路径间距离d、移动站沿移动路径的速度u，并且在无线电反射体(反射面)59a或59b存在于移动路径58的附近时还识别出移动路径-无线电反射体间距离w。信息处理部53还识别出无线电反射体相对于移动站54的移动路径58是存在于基站55的相反一侧(图9中的无线电反射体59a)还是存在于基站55的同一侧(图10中的无线电反射体59b)。
信息处理部53从提取自接收数据RDA的移动环境信息(x，d，u，w)获得基站与移动站之间沿传播路径的相对速度v[m/s]。基站-移动站间传播路径上相对速度v[m/s]可利用以下的式(9)或(10)来获得，其中基站-移动站间移动路径方向距离x[m]、基站-移动路径间距离d[m]、移动站的传播路径上速度u[m/s]和移动路径-无线电反射体间距离w[m]是变量。
当识别出如图9所示无线电反射体59a沿着移动路径58存在于相对于移动路径58与基站55相反侧时，信息处理部53通过使用式(9)来计算基站-移动站间传播路径上相对速度v[m/s]。
[数学式6]
v = x x 2 + ( 2 w + d ) 2 · u . . . ( 9 )
另一方面，当识别出如图10所示无线电反射体59b沿着移动路径58存在于相对于移动路径58与基站55相同侧时，信息处理部53通过使用式(10)来计算基站-移动站间传播路径上相对速度v[m/s]。
[数学式7]
v = x x 2 + ( 2 w - d ) 2 · u . . . ( 10 )
当计算出基站-移动站间传播路径上相对速度v[m/s]时，可分别从式(3)、(7)和(8)得出在移动站54处测量到的来自基站55的下行链路高频信号的频率fd、由多普勒效应引起的频率偏移fs以及频率偏移比率fr。另外，当移动站54经过基站55的附近并且其移动从靠近变成移离时(即，当接收高频信号的载波频率发生急剧变化时)将测量到的(移离)频率fd′和频率变化量(即将发生的频率变化量)Δfd可分别利用式(4)和(5)来预测。
这样，根据本示例性实施例，移动站54的信息处理部53可以生成考虑了无线电反射体的频率控制数据FCD，并在适当时将其输出到收发器部52。
注意，与信息处理部53等同的功能也可通过在诸如CPU之类的程序控制处理器上执行程序来实现。
4.第三示例性实施例
4.1)配置
上述第一和第二示例性实施例采用了如图5所示的配置，其中在基准时钟生成电路34的频率控制端与累积器电路17的输出之间设有加法器57，并且向其加上与预测的频率变化量相对应的频率控制电压数据FCV。
另一方面，在本发明的第三示例性实施例中，与预测的频率变化量相对应的频率控制数据FCD被转换成直接控制PLL电路的信号，并且该信号被输出到生成接收方本地信号的PLL电路。
具体而言，图5中由频率-电压数据转换电路56、加法器57和接收电路方PLL电路29实现的频率控制功能，即当移动站54经过基站附近时执行的频率控制，在图11中由PLL控制电路61和PLL电路62实现。由于其他配置与图5所示的类似，所以使用相同的标号，并且将省略或简化对其的描述。
参考图11在根据本实施例的移动站的收发器部60，由基准时钟生成电路34生成的基准时钟被输出到接收电路方的PLL电路62和发送电路方的PLL电路44。PLL电路62基于基准时钟生成本地信号并将其输出到正交解调器30。另外，来自信息处理部的频率控制数据FCD被PLL控制电路61转换成PLL控制数据PCD，其随后被输出到PLL电路62。
4.2)操作
接下来，将参考图11来描述本实施例的收发器部60的操作。从信息处理部输入的频率控制数据FCD被PLL控制电路61转换成PLL控制数据PCD，该PLL控制数据PCD被输入到接收电路方PLL电路62。基于PLL控制数据PCD，PLL电路62确定本地信号的频率以输出到正交解调器30。具体而言，PLL电路62中包括的分频器的分频数被配置为取决于PLL控制数据PCD的值，从而可确定要输出的本地信号的频率。因此，收发器部60可以实现与第一实施例中描述的收发器部52(图2)类似的频率捕捉和频率跟随功能。
另外，与上述类似的功能也可通过做出如下配置作为控制PLL电路62的频率的手段来实现：即，PLL控制数据PCD被D/A转换器(未示出)转换成模拟电压，并且此模拟电压的值被利用加法器(未示出)加到PLL电路中的电压控制振荡器(VOC)的控制电压。
5.第四示例性实施例
虽然在上述第一至第三示例性实施例中移动环境信息是从基站提供的，但本发明并不限于此配置。也可以从搭载着移动站的车辆获取移动环境信息，接下来将描述这种情况。
参考图12，在根据此示例性实施例的移动无线电通信系统中，搭载着移动站63的诸如列车或车辆之类的移动单元64设有移动环境信息提供部65。具体而言，在此实施例中，移动环境信息不是包含在作为接收高频信号的来自基站66的下行链路高频信号中，而是做出了这样的配置，即关于移动站63的移动环境信息(x，d，u)或(x，d，u，w)是改从移动单元64中包括的移动环境信息提供部65提供给移动站63的。
移动站63如图12所示包括用于与基站66执行无线电通信的天线67、收发器部68以及信息处理部69，并且由于搭载在移动单元64上而沿着诸如铁路或公路之类的移动路径移动。移动环境信息提供部65具有移动单元64的移动环境信息(x，d，u)或(x，d，u，w)，或者从管理移动单元64的交通管理系统之类的获取移动环境信息，并将其输出到移动站63的信息处理部69。移动站63的信息处理部69如前文所述基于输入的移动环境信息(x，d，u)或(x，d，u，w)生成频率控制数据FCD，并将其输出到收发器部68。根据此配置，可以认为移动单元64(移动环境信息提供部65)的位置信息x和速度信息u分别是移动站63的位置信息x和速度信息u。
接下来，将参考图13来详细描述移动站63中包括的信息处理部69。根据本实施例的移动站63的信息处理部69大体上包括输入电路69a、输出电路69b、存储器部69c、计算部69d、定时器电路69e、接口电路69f以及控制装置的每个部件的控制部(CPU)69g。
信息处理部69的控制部69g使输入电路69a可接收来自收发器部68的接收数据RDA的输入并将其临时存储在存储器部69c中。另外，控制部69g把接收数据RDA转换成一般的接收信息，然后通过接口电路69f输出所获得的接收信息。此外，在通过接口电路69f接收到一般的发送信息时，控制部69g生成发送数据TDA并将其从输出电路69b输出到收发器部68。
另外，在通过接口电路69f从移动环境信息提供部65接收到移动环境信息(x，d，u)或(x，d，u，w)的输入时，控制部69g基于移动环境信息执行关于由多普勒效应引起的频率偏移的预测性计算，从而生成频率控制数据(控制信息)FCD。此时，控制部69g向定时器电路69e设定时间设定值，从而频率控制数据FCD根据来自定时器电路69e的时间信息在适当的时间被从输出电路69b输出到收发器部68。
将描述当移动站63随着列车沿铁路移动时执行的操作。一般有各个列车的位置信息和速度信息的铁路交通管理系统在这里也有沿铁路布置的基站66的位置信息。在本实施例中，铁路交通管理系统根据需要也可以有诸如隧道或音障之类的无线电反射体的位置信息。上述交通管理系统基于速度信息、各种物体的位置信息等等生成列车(图12中的移动单元64)的移动环境信息(x，d，u)或(x，d，u，w)，并将其发送到相应的列车(移动单元64)。在接收到来自交通管理系统的移动环境信息时，列车(移动单元64)将其临时存储在移动环境信息提供部65中。移动环境信息提供部65把临时存储的移动环境信息发送到搭载在列车上的移动站63的信息处理部69。移动站63的信息处理部69基于所提供的移动环境信息生成频率控制数据FCD，并将其输出到移动站63的收发器部63。这样，可以实现与第一实施例(图5和6)中所述的大致类似的预测频率变化并相应地控制频率的功能。
将描述当移动站63随着车辆沿公路移动时执行的操作。一般有各个车辆的位置信息和速度信息的车辆导航系统在这里也有沿公路布置的基站66的位置信息。在本示例性实施例中，车辆导航系统根据需要也可以有诸如隧道或音障之类的无线电反射体的位置信息。上述车辆导航系统基于速度信息、各种物体的位置信息等等生成车辆(图12中的移动单元64)的移动环境信息(x，d，u)或(x，d，u，w)，并将其发送到相应的车辆(移动单元64)。车辆(移动单元64)把从车辆导航系统接收的移动环境信息临时存储在移动环境信息提供部65中。移动环境信息提供部65把临时存储的移动环境信息发送到(搭载在车辆上的)移动站63的信息处理部69。移动站63的信息处理部69基于所提供的移动环境信息生成频率控制数据FCD，并将其输出到移动站63的收发器部63。这样，可以实现与第一实施例(图5和6)中所述的大致类似的预测频率变化并相应地控制频率的功能。
注意，对于上述的控制部69g和计算部69d，等同的功能也可通过在诸如CPU之类的程序控制处理器上执行程序来实现。
以上，已参考附图描述了本发明的实施例。然而，具体配置并不限于这些实施例，在不脱离本发明要点的情况下在设计上做出的变化等等是包括在本发明中的。例如，虽然在上述实施例中描述了频率-电压数据转换电路56通过使用转换公式把频率控制数据FCD转换成频率控制电压数据FCV的情况，但也可改为使用转换表来将频率控制数据FCD转换成频率控制电压数据FCV。另外，移动路径并不限于直的道路，而是也可广泛应用于蜿蜒的道路或者倾斜的道路。另外，移动环境信息也可不包括位置信息而包括方位信息，或者既包括位置信息又包括方位信息。
[工作应用性]
根据本发明的移动无线电通信系统和移动通信装置不仅可应用到移动电话装置，而且可广播应用到移动通信终端，以及自动车电话、自动车无线电装置、安装在列车上的固定电话，等等。
[标号列表]
10    基准时钟生成电路
11    PLL电路
12    无线电接收器部
13    无线电发送器部
14    耙指电路
15    RAKE电路
16    频率偏置估计电路
17    累积器电路
18    信道编解码器
10    基准时钟生成电路
11    PLL电路
29、44    PLL电路
34    基准时钟生成电路
36    耙指电路
38    频率偏置估计电路
39    RAKE电路
40    累积器电路
51    天线
52    收发器部
53    信息处理部
54    移动站(移动通信装置)
55    基站
56    频率-电压数据转换电路
57    加法器
58    移动路径
59a、59b    无线电反射体
61    PLL控制电路
62    PLL电路
63    移动站(移动通信装置)
64    移动单元
65    移动环境信息提供部
66    基站
67    天线
68    收发器部
69    信息处理部

Claims (20)

1.一种包括移动站和静止的基站的移动无线电通信系统，其特征在于：
所述基站向所述移动站发送高频信号，并且
所述移动站基于从外部提供的所述移动站的移动环境信息来预测从所述基站接收的高频信号的频率变化，并且基于预测结果来控制本地信号的频率。
2.根据权利要求1所述的移动无线电通信系统，其特征在于，所述移动环境信息包括计算所述移动站沿着来自所述基站的无线电波到达的方向的相对速度所需的、所述移动站和所述基站的位置信息和所述移动站沿其移动路径的速度信息。
3.根据权利要求2所述的移动无线电通信系统，其特征在于，所述移动环境信息还包括改变来自所述基站的无线电波到达的方向的无线电反射体的位置信息。
4.根据权利要求1至3中任何一个所述的移动无线电通信系统，其特征在于，在经过所述基站的定时，所述移动站预测从即将经过前的接收高频信号频率到刚刚经过后的接收高频信号频率的频率变化并且对所述本地信号的频率执行跟随控制。
5.根据权利要求1至4中任何一个所述的移动无线电通信系统，其特征在于，所述基站向所述移动站提供所述移动环境信息。
6.根据权利要求1至4中任何一个所述的移动无线电通信系统，其特征在于，所述移动无线电通信系统还包括搭载着所述移动站的移动单元，并且所述移动单元向所述移动站提供所述移动环境信息。
7.一种包括至少一个静止的基站的移动无线电通信系统中的移动通信装置，其特征在于包括：
发送和接收装置，用于与所述基站执行无线电通信；以及
控制装置，该控制装置基于从外部提供的移动环境信息来预测从所述基站接收的高频信号的频率变化，并且基于预测结果来控制所述发送和接收装置的本地信号的频率。
8.根据权利要求7所述的移动通信装置，其特征在于，所述移动环境信息包括计算所述移动通信装置沿着来自所述基站的无线电波到达的方向的相对速度所需的、所述移动通信装置和所述基站的位置信息和所述移动通信装置沿其移动路径的速度信息。
9.根据权利要求8所述的移动通信装置，其特征在于，所述移动环境信息还包括改变来自所述基站的无线电波到达的方向的无线电反射体的位置信息。
10.根据权利要求7至9中任何一个所述的移动通信装置，其特征在于，在经过所述基站的定时，所述控制装置预测从即将经过前的接收高频信号频率到刚刚经过后的接收高频信号频率的频率变化并且对所述本地信号的频率执行跟随控制。
11.根据权利要求7至10中任何一个所述的移动通信装置，其特征在于，所述移动环境信息是从所述基站接收的。
12.根据权利要求7至10中任何一个所述的移动通信装置，其特征在于，所述移动无线电通信系统还包括能够与所述移动通信装置通信的移动单元，并且当所述移动通信装置被搭载在所述移动单元上时所述移动环境信息是从所述移动单元获取的。
13.一种用于与静止的基站执行无线电通信的移动通信装置的频率控制方法，其特征在于包括：
利用发送和接收装置从所述基站接收高频信号；以及
利用控制装置，基于从外部提供的移动环境信息来预测从所述基站接收的高频信号的频率变化，并且基于预测结果来控制所述发送和接收装置的本地信号的频率。
14.根据权利要求13所述的频率控制方法，其特征在于，所述移动环境信息包括计算所述移动通信装置沿着来自所述基站的无线电波到达的方向的相对速度所需的、所述移动通信装置和所述基站的位置信息和所述移动通信装置沿其移动路径的速度信息。
15.根据权利要求14所述的频率控制方法，其特征在于，所述移动环境信息还包括改变来自所述基站的无线电波到达的方向的无线电反射体的位置信息。
16.根据权利要求13至15中任何一个所述的频率控制方法，其特征在于，在经过所述基站的定时，所述控制装置预测从即将经过前的接收高频信号频率到刚刚经过后的接收高频信号频率的频率变化并且对所述本地信号的频率执行跟随控制。
17.根据权利要求13至16中任何一个所述的频率控制方法，其特征在于，所述移动环境信息是从所述基站获取的。
18.根据权利要求13至16中任何一个所述的频率控制方法，其特征在于，所述移动通信装置被搭载在移动单元上，并且所述移动环境信息是从所述移动单元获取的。
19.一种使得包括至少一个静止的基站的移动无线电通信系统中的移动通信装置的控制处理器执行频率控制处理的程序，其特征在于使得所述控制处理器执行以下处理：
允许发送和接收装置从所述基站接收高频信号；以及
基于从外部提供的移动环境信息来预测从所述基站接收的高频信号的频率变化；以及
基于预测结果来控制所述发送和接收装置的本地信号的频率。
20.根据权利要求19所述的程序，其特征在于使得所述控制处理器执行以下处理：在经过所述基站的定时，预测从即将经过前的接收高频信号频率到刚刚经过后的接收高频信号频率的频率变化并且对所述本地信号的频率执行跟随控制。
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