CN102710270A - 射频拉远单元及其自动频率预控方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动频率预控方法及装置，该方法包括：测算来自高速移动体的上行信号或点频信号的频偏值；至少部分地根据测算的频偏值预算频率补偿值；以及用所述频率补偿值对下一时间段要转发给所述高速移动体的下行信号进行补偿。该装置包括：频偏测算模块，用于测算来自高速移动体的上行信号或点频信号的频偏值；补偿值预算模块，用于至少部分地根据测算的频偏值预算频率补偿值；以及补偿模块，用于用所述频率补偿值对下一时间段要转发给所述高速移动体的下行信号进行补偿。还涉及采用上述装置的射频拉远单元。本发明方法及装置能够大幅度改善高速运动环境下的终端的通信质量和网络覆盖效果，且其实施非常方便。

Description

射频拉远单元及其自动频率预控方法及装置

技术领域

本发明涉及移动通信覆盖系统中的频率偏移方法及装置，特别是一种自动频率预控方法和装置，还涉及采用该装置的射频拉远单元（Radio Remote Unit，即RRU），它们能够用于高铁、地铁、高速公路等高速交通轨道的沿线覆盖系统。

背景技术

终端在运动中会产生多普勒频移，会影响终端的数据传输和语音质量。而且速度越快多普勒频移越大，例如当终端在高速火车上随火车一起运动时，除了产生信号快衰落之外，频偏偏移尤为严重。为提高终端在高速运动环境下（如在高铁车厢中）的通信质量，人们设计了车载纠偏直放站，对接收到的下行信号进行纠偏然后再通过重发天线发射到车厢内，供终端接收。车载纠偏直放站能够有效改善高速移动环境下终端的通信质量，但其存在以下缺陷：1、其需要在车厢上安装天线，需要考虑天线的方向角、形状和受风面的大小，还需要考虑火车运行时产生的风速，安装的力度，防水设计等；2、由于车厢是需要高速运动的公共场所，在其上安装纠偏直放站设备需要考虑防震、防跌落、防霉菌、可靠供电等因素；3、其实施同时牵涉到铁道部、工信部、三大运营商之间的协调，且车载系统需要进行车厢改造，实施难度较大。

发明内容

鉴于高速运动环境对移动通信网络会产生严重影响，本发明提供一种易于实施的自动频率预控方法和装置，进而提供一种采用这种装置的射频拉远单元，以改善高速运动环境下终端的通信质量。

以火车为代表进行了预控模型研究，当火车垂直于自动频率预控系统（Automatic Frequency Beforehand Control System，简称AFBCS）以速度v行驶，经过时间t后，车内的终端开始发射上行信号，经过时间t′后上传到AFBCS，假设AFBCS立即转发信号返回终端（理想状态下时延为0s），经过时间△t后，终端接收到转发的下行信号。图1-3分别示出了终端开始发射上行信号时、上行信号到达AFBCS时、以及终端接收到转发的下行信号时的状态。用c表示信号传输速度，d表示AFBCS到火车轨道的垂直距离，c和d为常量，并假设速度v也为常量，根据勾股定理有

（v（t+△t））² +d² =（c×（△t- t′））²……①

(vt)² + d²=（c×t′）²……②

由式②可以得出

t′=(（v²t² +d²）^½）/ c……③

将式③带入式①得

△t =（2c（（v²t² +d²）^½）+2v²t）/（c²-v²）......④

式④中c为常量，v为常量，d为常量，t为变量，由式④可知，假设在t时间点，某终端发射上行信号，上传到AFBCS，AFBCS再转发回到该终端（理想状态转发时延为0），当终端接收到AFBCS转发的信号时，所需的时间△t仅和t有关。

假设车载系统在t时向AFBCS发射信号，经过t′后AFBCS接收到上行信号，立即以接收到频率转发（时延为0），经过△t时间后，车载系统接收到AFBCS转发的信号，通过FPGA（Field－Programmable Gate Array）可以算出频偏值。而根据式④△t是由t决定的，所以结合车载系统研究模型可以得出，当初始频率f、速度v、垂直距离d为常量时，频偏值也由t决定的。

故假设用AFBCS替换原车载系统及沿线覆盖的RRU，算法由以前直接根据偏移值进行频率补充方式转换为预先进行频率偏移。这样，当下行信号发射到高速移动的终端时，此时终端接收到频率为原来基站的载波频率（理想状态），这个方法是完全可以保证终端的语音和数据正常接收。

本发明具体技术方案如下：

一种自动频率预控方法，包括：测算来自高速移动体的上行信号或点频信号的频偏值；至少部分地根据测算的频偏值预算频率补偿值；以及用所述频率补偿值对下一时间段要转发给所述高速移动体的下行信号的频率进行补偿。

优选地，预算频率补偿值还根据本次和上一次测算的两个频偏值相减所得的第一差值。

优选地，预算频率补偿值还根据本次测算的频偏值和上一次预算的频率补偿值相减所得的第二差值。

优选地，每个时间段≤10ms。

一种自动频率预控装置，包括：频偏测算模块，用于测算来自高速移动体的上行信号或点频信号的频偏值；补偿值预算模块，用于至少部分地根据测算的频偏值预算频率补偿值；以及补偿模块，用于用所述频率补偿值对下一时间段要转发给所述高速移动体的下行信号的频率进行补偿。

优选地，所述自动频率预控装置还包括第一差值计算模块，该第一差值计算模块用于获取本次和上一次测算的两个频偏值之间的第一差值，以及将该第一差值输给所述补偿值预算模块，以预算频率补偿值。

优选地，所述自动频率预控装置还包括第二差值计算模块，该第二差值计算模块用于获取本次测算的频偏值和上一次预算的频率补偿值之间的第二差值，以及将该第二差值输给所述补偿值预算模块，以预算频率补偿值。

优选地，每个时间段≤10ms。

一种射频拉远单元，用于高速交通轨道的沿线覆盖，包括：上述任意一项所述的自动频率预控装置；双工器及与其连接的天线；从所述双工器的第一端到所述自动频率预控装置的第一端依次连接的第一低噪放、第一滤波器、第一下混频器和第一模数转换器；从所述自动频率预控装置的第二端到所述双工器的第二端依次连接的数模转换器、上混频器和功放；以及连接于所述自动频率预控装置的光收发器件。

优选地，所述双工器和所述自动频率预控装置之间还设置一个点频信号通道，该点频信号通道包括从所述双工器到所述自动频率预控装置依次连接的第二低噪放、第二滤波器、第二下混频器和第二模数转换器。

本发明自动频率预控方法和装置通过检测来自高速移动体的上行信号或点频信号的频率，计算频率补偿值进而对即将要转发给该高速移动体的下行信号进行补偿，即在下行信号发生频率偏移前先进行预补偿，当下行信号到达高速运动的终端时，下行信号频率将和原来基站的载波频率接近（理想状态相等），能够保证终端的语音和数据正常接收，从而能够大幅度改善高速运动环境下的终端的通信质量和网络覆盖效果。

而且，由于本发明是在高速交通轨道的沿线覆盖系统进行实施，不需要对车厢进行改造，不需要在车厢安装纠偏设备，不需要与铁道部等相关部门协调，因此其实施非常方便，能够用于高铁、地铁、高速公路等高速交通轨道的沿线覆盖系统。

附图说明

图1为预控模型在终端开始发射上行信号时的状态；

图2为预控模型在上行信号到达AFBCS时的状态；

图3为预控模型在终端接收到转发的下行信号时的状态；

图4为一些实施例自动频率预控方法的流程图；

图5为一个实施例RRU的原理框图；

图6为另一个实施例RRU的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图4示出了一些实施例自动频率预控方法的流程图。该自动频率预控方法通过循环执行步骤S101至步骤S103实现。每个循环的时间可以根据需要设置，例如一些实施例中设置为5ms。

在步骤S100中，开始该自动频率预控制流程。

在步骤S101中，测算来自高速移动体的上行信号或点频信号的频偏值。具体地，首先检测上行信号或点频信号的频率，将得到的频率值与已知的基准频率值比较，获得频偏值f_n。高速移动体可以是高铁、普通列车、地铁、在高速公路行驶的车辆等，来自高速移动体的上行信号或点频信号可以是这些列车或汽车上的无线通信终端（如手机、电脑或车载系统等，为了叙述方便，本发明中一些地方简称为终端）发出的上行信号或点频信号。

在步骤S102中，预算频率补偿值，该频率补偿值用于对下一时间段要转发给该高速移动体的下行信号进行补偿。

在一些较佳实施例中，通过公式f_n+1′= f_n+（f_n-f_n-1）+△f_n预算频率补偿值，其中，f_n+1′表示预算的频率补偿值，f_n表示第n次测算得到的上行信号或点频信号的频偏值，f_n-1表示第n-1次测算得到的上行信号或点频信号的频偏值，（f_n-f_n-1）表示本次和上一次测算的两个频偏值相减所得的差值（为便于区别，称为第一差值），△f_n表示预测误差，即本次测算的频偏值f_n 和上一次预算的频率补偿值f_n′相减所得的差值（为便于区别，称为第二差值），△f_n=f_n- f_n′ 。可以看出，在较佳实施例中，频率补偿值的预算不仅根据测算的频偏值，而且还根据本次和上一次测算的两个频偏值相减所得的第一差值（f_n-f_n-1），该第一差值的引入，能够消除由于运动的缘由在每个循环周期（如5ms）内产生的频偏变化，在较佳实施例中，频率补偿值的预算还根据预测误差△f_n，即本次测算的频偏值和上一次预算的频率补偿值相减所得的第二差值。

在一些实施例中，当n=1和n=2时，设△f_n=0，当n=1时，设（f_n-f_n-1）=0。这样，第一次预算的频率补偿值（即当n=1时的频率补偿值）f_n+1′= f₂′= f₁，第二次预算的频率补偿值（即当n=2时的频率补偿值）f_n+1′= f₃′= 2f₂-f₁，第三次预算的频率补偿值（即当n=3时的频率补偿值）f_n+1′= f₄′= f₃+（f₃-f₂）+△f₃，依此类推，在第n(n>3)次预算的频率补偿值f_n+1′= f_n+（f_n-f_n-1）+△f_n 。

在步骤S103中，用预算得到的频率补偿值对下一时间段（与循环周期对应，如5ms）要转发给该高速移动体的下行信号进行补偿。具体地，就是用下行频率的基准值F（固定值）与预算得到的频率补偿值f_n+1′相加后的值作为下行频率。

在步骤S104中，判断是否停止频率预控，如果停止，执行步骤S105，自动频率预控结束；如果不停止，则转到步骤S101，再次执行步骤S101至步骤S103。

一些实施例中，自动频率预控装置包括频偏测算模块、补偿值预算模块和补偿模块，其中，频偏测算模块用于测算来自高速移动体的上行信号或点频信号的频偏值；补偿值预算模块用于至少部分地根据测算的频偏值预算频率补偿值；补偿模块用于用所述频率补偿值对下一时间段要转发给该高速移动体的下行信号的频率进行补偿。

在另外一些实施例中，自动频率预控装置还包括第一差值计算模块，该第一差值计算模块用于获取本次和上一次测算的两个频偏值之间的第一差值f_n-f_n-1，以及将该第一差值输给所述补偿值预算模块，以预算频率补偿值。

还有一些实施例中，自动频率预控装置还包括第二差值计算模块，该第二差值计算模块用于获取本次测算的频偏值和上一次预算的频率补偿值之间的第二差值△f_n，以及将该第二差值输给所述补偿值预算模块，以预算频率补偿值。

一些实施例中，每个时间段可以为≤10ms。

本领域技术人员可以理解，在模块的具体实现上，尤其是通过软件实现各个模块功能时，可以存在多种可选方案。例如，可以将上述频偏测算模块分为频率检测模块和偏差计算模块，也可以将上述频偏测算模块和补偿值预算模块合并成一个模块。

本发明自动频率预控方法和装置可以应用于高铁、地铁、高速公路等高速交通轨道的沿线覆盖系统。例如，图5和图6分别示出了两种采用上述自动频率预控装置的射频拉远单元（RRU）。

如图5所示，本实施例射频拉远单元包括双工器1、自动频率预控装置6、连接于自动频率预控装置6的光收发器件7、以及连接于双工器1的天线（图中未示出），还包括从双工器1的第一端到自动频率预控装置6的第一端依次连接的第一低噪放2、第一滤波器3、第一下混频器4和第一模数转换器5，还包括从自动频率预控装置6的第二端到双工器1的第二端依次连接的数模转换器8、上混频器9和功放10。自动频率预控装置6基于FPGA实现。

该射频拉远单元中，自动频率预控装置6通过检测上行信号的频偏值，对下一时间段要发射给终端的下行信号进行频率预补偿。具体过程如下：当终端上行起呼时，发射出功率到该射频拉远单元的天线，天线将信号接到双工器1进行上下行分离，上行信号先经过第一低噪放2放大，再经第一滤波器3和第一下混频器4进行滤波和下变频处理，再经第一模数转换器5转换为数字信号，自动频率预控装置6对该数字信号进行频率检测并与基准频率（已知）做比较，获得上行信号的频偏值，并根据一定的预控算法进行下行频偏预算，将预算得到的下行频偏值作为频率补偿值，用于对下一时间段要发射的下行信号进行预补偿；同时上行信号进行数字滤波处理后，经过光收发器件7传输到近端频率预控系统。下行从基站耦合信号，经过近端预控系统的光电和数字信号处理后，传输到本射频拉远单元（也称作远端预控系统），本射频拉远单元的自动频率预控装置6按照算出的频率补偿值对下行信号进行补偿（即频率预偏移），再经过数模转换器8、上混频器9进行数模转换和上变频，然后经过功放10放大后由双工器1传送到天线。由于天线发射的下行信号是经过频率预补偿后的信号，且补偿值是根据上行信号按照特定算法算出的，当高速移动环境下的终端接收到下行信号时，下行信号的频率接近基站本身设置的频率（理想状态下等于），因此终端不需要消耗更多的资源进行频率纠偏，直接解调即可，保证了通话质量和数据传输。

其中的自动频率预控装置可以采用上述任意一个实施例的自动频率预控装置。

如图6所示，本实施例射频拉远单元包括双工器1、自动频率预控装置6、连接于自动频率预控装置6的光收发器件7、以及连接于双工器1的天线（图中未示出），还包括从双工器1的第一端到自动频率预控装置6的第一端依次连接的第一低噪放2、第一滤波器3、第一下混频器4和第一模数转换器5，还包括从自动频率预控装置6的第二端到双工器1的第二端依次连接的数模转换器8、上混频器9和功放10。此外，双工器1和自动频率预控装置6之间还设置一个点频信号通道，该点频信号通道包括从双工器1到自动频率预控装置6依次连接的第二低噪放11、第二滤波器12、第二下混频器13和第二模数转换器14。

该射频拉远单元中，自动频率预控装置6通过检测点频信号的频偏值，对下一时间段要发射的下行信号进行预补偿。具体过程如下：在车上安装一点频信号发射装置，时时发射频率为f的点频信号，此点频信号发射到该射频拉远单元的天线，天线将信号接到双工器1进行上下行分离，然后点频信号先经过第二低噪放11放大，再经过第二滤波器12滤波、第二下混频器13下变频处理，然后经第二模数转换器14转换为数字信号，自动频率预控装置6对该数字信号进行频率检测并与已知的基准频率做比较，获得点频信号的频偏值，并根据一定的预控算法进行下行频偏预算，将预算得到的下行频偏值作为频率补偿值，用于对下一时间段要发射的下行信号进行预补偿；同时上行信号从天线耦合到双工器1，依次经第一低噪放2、第一滤波器3、第一下混频器4和第一模数转换器5处理后，进行数字滤波处理，然后经过光收发器件7传输到近端频率预控系统。下行从基站耦合信号，经过近端预控系统的光电和数字信号处理后，传输到本射频拉远单元（也称作远端预控系统），本射频拉远单元按照算出的频率补偿值对下行信号进行补偿（即频率预偏移），再经过数模转换器8、上混频器9进行数模转换和上变频，经过功放10放大后由双工器1传送到天线。由于天线发射的下行信号是经过频率预补偿后的信号，且补偿值是根据来自终端所在车辆发射的点频信号按照特定算法算出的，当高速移动环境下的终端接收到下行信号时，下行信号的频率接近基站本身设置的频率（理想状态下等于），因此终端不需要消耗更多的资源进行频率纠偏，直接解调即可，保证了通话质量和数据传输。

以上通过具体实施方式，对本发明进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自动频率预控方法，其特征在于包括：

测算来自高速移动体的上行信号或点频信号的频偏值；

至少部分地根据测算的频偏值预算频率补偿值；以及

用所述频率补偿值对下一时间段要转发给所述高速移动体的下行信号的频率进行补偿。

2.根据权利要求1所述的自动频率预控方法，其特征在于：预算频率补偿值还根据

本次和上一次测算的两个频偏值相减所得的第一差值。

3.根据权利要求1或2所述的自动频率预控方法，其特征在于：预算频率补偿值还根据本次测算的频偏值和上一次预算的频率补偿值相减所得的第二差值。

4.根据权利要求1所述的自动频率预控方法，其特征在于：每个时间段≤10ms。

5.一种自动频率预控装置，其特征在于包括：

频偏测算模块，用于测算来自高速移动体的上行信号或点频信号的频偏值；

补偿值预算模块，用于至少部分地根据测算的频偏值预算频率补偿值；以及

补偿模块，用于用所述频率补偿值对下一时间段要转发给所述高速移动体的下行信号的频率进行补偿。

6.根据权利要求5所述的自动频率预控装置，其特征在于：还包括第一差值计算模块，该第一差值计算模块用于获取本次和上一次测算的两个频偏值之间的第一差值，以及将该第一差值输给所述补偿值预算模块，以预算频率补偿值。

7.根据权利要求5或6所述的自动频率预控装置，其特征在于：还包括第二差值计算模块，该第二差值计算模块用于获取本次测算的频偏值和上一次预算的频率补偿值之间的第二差值，以及将该第二差值输给所述补偿值预算模块，以预算频率补偿值。

8.根据权利要求5所述的自动频率预控装置，其特征在于：每个时间段≤10ms。

9.一种射频拉远单元，用于高速交通轨道的沿线覆盖，其特征在于，包括：

权利要求6-8任意一项所述的自动频率预控装置；

双工器及与其连接的天线；

从所述双工器的第一端到所述自动频率预控装置的第一端依次连接的第一低噪放、第一滤波器、第一下混频器和第一模数转换器；

从所述自动频率预控装置的第二端到所述双工器的第二端依次连接的数模转换器、上混频器和功放；以及

连接于所述自动频率预控装置的光收发器件。

10.根据权利要求9所述的射频拉远单元，其特征在于：所述双工器和所述自动频率预控装置之间还设置一个点频信号通道，该点频信号通道包括从所述双工器到所述自动频率预控装置依次连接的第二低噪放、第二滤波器、第二下混频器和第二模数转换器。

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