CN102412878A - 一种高速环境下的多普勒频率估计方法 - Google Patents

Abstract

一种高速环境下的多普勒频率估计方法，其特征是方法为：首先，高速终端和基站都有GPS功能，运用GPS每隔1秒测量一次高速终端的移动速度ν、高速终端到基站的距离l和载波到达方向与接收机运动方向的夹角θ，然后，根据上述测量值对多普勒频率进行估计。本发明的技术效果是：适用于高速环境下的无线蜂窝移动通信网络中，解决了现有技术邻近基站时多普勒频率估计误差大、难以消除载波间干扰的弊端，提高了高速终端离基站比较近时多普勒频率估计的精度，避免了多普勒频率测不准现象。

Description

一种高速环境下的多普勒频率估计方法

技术领域

本发明涉及一种多普勒频率估计方法，尤其涉及一种高速环境下的多普勒频率估计方法。

背景技术

在高速环境下，比如高速铁路、高速公路，由于高速终端的高速移动带来的多普勒频率偏移比较大，会造成比较严重的载波间干扰（ICI），因此，必须采用多普勒频率估计方法估计出多普勒频率偏移，才能够根据该估计值进行补偿，以消除载波间干扰。

本发明提出一种高速环境下的新型的折线段近似拟合多普勒频率估计方法。原有技术主要采用由高速终端根据相关测量值直接计算多普勒频率，在高速终端离基站比较远时，根据该测量值进行多普勒频率补偿，能够消除高速环境下多普勒频率带来的载波间干扰。但是这种技术，由于没有考虑到在高速终端离基站比较近时，多普勒频率测不准的现象，此时，根据测量值直接对多普勒频率进行估计误差比较大，根据该测量值进行多普勒频率补偿，并不能完全消除多普勒频率偏移带来的载波间干扰。

假设基站主载频为f_c，由于高速终端移动导致的多普勒频率为f_D，则高速终端的接收信号频率为f_c+f_D，并将该频率作为参考基准发送上行信号；高速终端发射的上行信号到达基站天线时，其频率为f_c+2f_D，该频率与基站主载频的偏差为2f_D（见图1），即产生了两倍的频偏。在高速终端高速移动的情况下，比如工作频率为2.4GHz、移动速度为350千米/小时下，最大多普勒频率约为778Hz，2倍的多普勒频偏高达1.56KHz，对高速终端和基站解调信号都产生影响，会造成无法正确检测，因此必须在高速终端上对多普勒频率进行准确估计和补偿。

目前普遍采用的方法是：首先测量出高速终端的移动速度和载波到达方向与高速终端运动方向的夹角，然后利用测量值直接计算出多普勒频率的大小。

如图2所示，假设高速终端在时间Δt内以恒定速率ν由端点A移动到端点B时接收来自基站发出的无线信号。设高速终端与基站之间的距离足够远，则A和B处与入射波的夹角可以假设相等，记为θ。那么，无线电波从基站出发，在A点和B点分别被高速终端接收时所走的路径差为

                                    （1）

由路程差造成的接收信号相位差为

                          （2）

则多普勒频率f_D的计算方法如下

                      （3）

其中，λ是载波波长，ν是高速终端移动速度，f_c是载波频率，c是光速（c＝2.998×10⁸米／秒），θ是高速终端运动方向与载波到达方向的夹角。

但是，当高速终端离基站比较近时，A和B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，采用该多普勒频率进行补偿不能完全消除多普勒频率偏移带来的载波间干扰。

在上述方法中，通过测量高速终端的移动速度和高速终端运动方向与载波到达方向的夹角并直接计算出多普勒频率，在高速终端离基站比较远时，用该多普勒频率进行补偿，可以消除高速移动时多普勒频率偏移带来的载波间干扰。

当高速终端离基站比较近时，由于测量的误差，存在多普勒频率测不准现象，必须采用有效的方法进行多普勒频率估计。上述方法由于在高速终端采用直接利用测量值计算多普勒频率，在高速终端离基站比较近时，多普勒频率估计误差比较大，用该多普勒频率估计值进行补偿，依然存在载波间干扰问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高速环境下的多普勒频率估计方法，本方法在原有技术基础上，采用GPS技术测量高速终端的移动速度、高速终端离基站的距离和载波到达方向与高速终端运动方向的夹角，然后，在高速终端离基站较远时，用测量值直接计算多普勒频率，在高速终端离基站较近时，用折线段近似拟合方法估计多普勒频率，根据多普勒频率估计值进行多普勒频率补偿，消除高速环境下多普勒频率偏移带来的载波间干扰。

基于以上阐述，我们提出一种新方案对上述方法进行改进，整个方案可以描述如下：

首先，高速终端和基站都有GPS功能，运用GPS每隔1秒测量一次高速终端的移动速度ν、高速终端到基站的距离l和载波到达方向与接收机运动方向的夹角θ，然后，根据上述测量值对多普勒频率进行估计；

在高速终端离基站比较远时，多普勒频率的估计值为：

                               （4）

在高速终端离基站比较近时，采用折线段近似拟合方法估计多普勒频率，在高速环境下，当高速终端经过基站时，在高速终端离基站的距离在几百米以内，假设ν的方向基本保持不变，此时，cosθ的表达式可写为

                      （5）

其中，l是接收天线离基站的距离，h是基站天线离高速终端天线的最短距离（此时多普勒频率为0，称为补偿零点。）。用GPS测量l的误差记为Δl，该误差会影响到cosθ的测量精度，进而影响到f_D的测量精度。

以距离补偿零点d米为时间起点（t=0），开始用折线段近似描述cosθ，折线的段数为（2n+1），d的取值应满足：（1）保证ν的方向基本保持不变（d不能太大）；（2）用折线段近似拟合方法估计的多普勒频率与在该点用GPS测量计算的多普勒频率的差值要小（比如，在0.1%以内），当高速终端离基站的距离小于d时，采用折线段近似描述cosθ估计多普勒频率，记x为从t=0时刻起高速终端的移动距离，则

                                    （6）

此时，多普勒频率近似为

                     （7）

从式（7）可以看出，此时多普勒频率的估计只跟载波频率、高速终端速度和时间t有关，而与测量的距离l无关，从而有效地避免了多普勒频率测不准现象。

（2n+1）条折线段的端点从左至右依次取为：

        （8）

各个端点对应的x的取值记为x_i，则x_i的值为

         （9）

则在

的区间内，多普勒频率的估计值为

     

 （10）

在

的区间内，多普勒频率的估计值为

                       （11）

也就是说，计算出

区间内的多普勒频率后，只需要对折取反就可以得到

区间内的多普勒频率。在实际使用中，确定n的值之后，先根据公式（9）计算出各折线段的端点，再按公式（10）和公式（11）对多普勒频率进行估计。

本发明的技术效果是：适用于高速环境下的无线蜂窝移动通信网络中，解决了现有技术邻近基站时多普勒频率估计误差大、难以消除载波间干扰的弊端，提高了高速终端离基站比较近时多普勒频率估计的精度，避免了多普勒频率测不准现象。

附图说明

图1为两倍的多普勒频偏。

图2多普勒频率的估计。

图3 折线段近似拟合多普勒频率估计方法示意图。

图4 五折线段近似拟合多普勒频率估计方法示意图（n=2）。

图5 所提出的折线段近似拟合多普勒频率估计方法流程图。

具体实施例

下面用实例具体说明本专利在无线蜂窝移动通信网络中的应用方法。在实例中，高速环境下，高速终端和基站都有GPS功能模块。假设h=25m，Δl=10m，ν=350千米/小时。当d=200米时，由Δl引起的多普勒频率估计误差为0.09%；当d=190米时，由Δl引起的多普勒频率估计误差为0.10%。故可取d=200米，采用五折线段近似拟合，即n=2（见图4）。

当高速终端离基站的距离l大于200米时，多普勒频率的估计值按公式（4）进行计算。

当高速终端离基站的距离l小于200米时，5条折线的端点从左至右依次为： 。各个端点对应的x的取值从左至右依次为：0，100，150，250，300，400。则多普勒频率的估计值为

        （12）

图5给出了本发明的实现流程图，首先，GPS模块每隔1秒测量一次高速终端的移动速度ν、高速终端到基站的距离l和载波到达方向与接收机运动方向的夹角θ。然后，高速终端根据上述测量值对多普勒频率进行估计：判断l是否大于200，如果为“是”，则用公式（4）估计多普勒频率；如果为“否”，则用公式（12）估计多普勒频率。

整个方案可以描述如下：

首先，高速终端和基站都有GPS功能，运用GPS每隔1秒测量一次高速终端的移动速度ν、高速终端到基站的距离l和载波到达方向与接收机运动方向的夹角θ，然后，根据上述测量值对多普勒频率进行估计；

在高速终端离基站比较远时，多普勒频率的估计值为：

                               （4）

在高速终端离基站比较近时，采用折线段近似拟合方法估计多普勒频率，在高速环境下，当高速终端经过基站时，在高速终端离基站的距离在几百米以内，假设ν的方向基本保持不变，如图3所示，此时，cosθ的表达式可写为

                      （5）

其中，l是接收天线离基站的距离，h是基站天线离高速终端天线的最短距离（此时多普勒频率为0，称为补偿零点。）。用GPS测量l的误差记为Δl，该误差会影响到cosθ的测量精度，进而影响到f_D的测量精度。

以距离补偿零点d米为时间起点（t=0），开始用折线段近似描述cosθ，折线的段数为（2n+1），如图3所示，d的取值应满足：（1）保证ν的方向基本保持不变（d不能太大）；（2）用折线段近似拟合方法估计的多普勒频率与在该点用GPS测量计算的多普勒频率的差值要小（比如，在0.1%以内），当高速终端离基站的距离小于d时，采用折线段近似描述cosθ估计多普勒频率，记x为从t=0时刻起高速终端的移动距离，则

                                    （6）

此时，多普勒频率近似为

                     （7）

从式（7）可以看出，此时多普勒频率的估计只跟载波频率、高速终端速度和时间t有关，而与测量的距离l无关，从而有效地避免了多普勒频率测不准现象。

（2n+1）条折线段的端点从左至右依次取为：

        （8）

各个端点对应的x的取值记为x_i，则x_i的值为

         （9）

则在

的区间内，多普勒频率的估计值为

     

 （10）

在的区间内，多普勒频率的估计值为

                        （11）

也就是说，计算出

区间内的多普勒频率后，只需要对折取反就可以得到

区间内的多普勒频率。在实际使用中，确定n的值之后，先根据公式（9）计算出各折线段的端点，再按公式（10）和公式（11）对多普勒频率进行估计。

Claims (1)

1.一种高速环境下的多普勒频率估计方法，其特征是方法为：首先，高速终端和基站都有GPS功能，运用GPS每隔1秒测量一次高速终端的移动速度ν、高速终端到基站的距离l和载波到达方向与接收机运动方向的夹角θ，然后，根据上述测量值对多普勒频率进行估计；

在高速终端离基站比较远时，多普勒频率的估计值为：

                             （1）

在高速终端离基站比较近时，采用折线段近似拟合方法估计多普勒频率，在高速环境下，当高速终端经过基站时，在高速终端离基站的距离在几百米以内，假设ν的方向基本保持不变，此时，cosθ的表达式可写为：

                      （2）

其中，l是接收天线离基站的距离，h是基站天线离高速终端天线的最短距离，此时多普勒频率为0，称为补偿零点；用GPS测量l的误差记为Δl，该误差会影响到cosθ的测量精度，进而影响到f_D的测量精度；

以距离补偿零点d米为时间起点（t=0），开始用折线段近似描述cosθ，折线的段数为（2n+1），d的取值应满足：（1）保证ν的方向基本保持不变（d不能太大）；（2）用折线段近似拟合方法估计的多普勒频率与在该点用GPS测量计算的多普勒频率的差值要小，在0.1%以内，当高速终端离基站的距离小于d时，采用折线段近似描述cosθ估计多普勒频率，记x为从t=0时刻起高速终端的移动距离，则

                                    （3）

此时，多普勒频率近似为

                     （4）

从式（4）可以看出，此时多普勒频率的估计只跟载波频率、高速终端速度和时间t有关，而与测量的距离l无关，从而有效地避免了多普勒频率测不准现象；

（2n+1）条折线段的端点从左至右依次取为：

        （5）

各个端点对应的x的取值记为x_i，则x_i的值为

         （6）

则在

的区间内，多普勒频率的估计值为

      （7）

在

的区间内，多普勒频率的估计值为

                         （8）

也就是说，计算出

区间内的多普勒频率后，只需要对折取反就可以得到

区间内的多普勒频率，在实际使用中，确定n的值之后，先根据公式（6）计算出各折线段的端点，再按公式（7）和公式（8）对多普勒频率进行估计。

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