CN102811083A - 一种高速铁路环境下信道信息预获方法 - Google Patents

Abstract

一种高速铁路环境下信道信息预获方法，包括①在高速列车上相距S距离处布置两根性能完全相同的天线，两根天线同时与基站进行通信，高速列车与基站之间的通信采用TDD模式；②高速列车通过第一天线与基站通信中，高速列车与基站的数据接收端都对当前通信时刻t₁、该时刻对应信道的路径损耗、阴影衰落等信息进行保存，得到的信道预估计信息③高速列车通过第二天线与基站通信中，在当前通信时刻t₂，将第一天线经过当前位置时得到的信道预估计信息用于数据接收端的信道补偿。本发明实现信道信息的复用，把前一根天线传输中的信道信息用于后一根天线传输中的信道补偿，有效简化了接收机信道估计的复杂度，提高了性信道估计的精度。

Description

一种高速铁路环境下信道信息预获方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是在高速铁路环境下，基站与列车进行上下行链路通信时，信道信息补偿方法。

背景技术

近几年来高速铁路在中国的发展势头十分迅猛，中国计划在2040年前建成遍布全国的“五纵七横八连线”的高速铁路交通网。随着高速铁路规模的不断扩大，运行中的高速列车中与铁路两侧基站之间无线通信的问题日益凸显。无论是从乘客在旅途过程中无线上网的需求考虑还是从列车安全实时监控的角度考虑，都要实现高速列车与铁路两侧基站间高速率的无线数据传输。

一方面，由于列车的速度很快，甚至可能达到350km/h，列车与基站间的无线传输信道呈现时变特性；另一方面，为实现无线数据的高速传输，目前在高速列车与基站之间采用宽带通信方案，带宽可能达到10MHz甚至20MHz，而较大的带宽使得列车与基站间的无线传输信道呈现频率选择特性。因此，在高速铁路环境下，列车与铁路两侧基站之间的无线信道是频率时间双重选择性信道。如此恶劣的无线信息传输环境给高速列车与基站之间的无线数据高速率传输带来的极大的挑战。为了解决高速铁路环境下无线数据传输遇到的这个问题，一个很重要的途径就是在通信过程中实现对无线传输信道的准确估计。

目前应用比较广泛的信道估计技术主要是基于导频信道估计方法。具体涉及到的算法有最小二乘（LS）算法以及最小均方误差（MSE）算法。在利用LS算法进行信道估计时，只需要知道接收数据和导频信息，算法复杂度低，实际工程运用广泛，但是LS算法的信道估计性能不是很好。相对LS算法，MSE算法对高斯白噪声有很好的抑制作用，信道估计性能明显优于LS算法，但其算法复杂度较高，且需要预先知道信道的统计特性，所以在实际工程运用中比较困难。

在高速铁路环境下，由于无线信道的时间-频率双重选择性特点，无论是LS算法还是MSE算法的信道估计误差都很大，进而造成了高速行驶的列车与基站之间进行高速率数据传输的困难。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的问题，提出一种高速铁路环境下信道信息预获方法，该方法通过信道信息预估计与补偿的方式，有效简化了接收机信道估计的复杂度，提高了性信道估计的精度。

本发明的主要想法是：

在高速铁路环境下，列车的运行轨迹是固定的，所以天线在同一位置与基站通信时的无线信道的相关信息如路径损耗、阴影衰落、多径分布、多普勒频偏是缓变的，因此可以在列车上相距一定距离布置两根天线，第一根天线与基站通信时估计的信道相关信息可以用作下一时刻第二根天线与基站间通信时的信道信息补偿。

根据以上想法，本发明原理是：在高速列车上相距一段距离布置两根设置完全相同的天线，这样在列车的运行中这两根天线将先后经过同一位置。将先经过某一位置的天线与基站之间通信时的信道相关信息储存起来，再将其用于后一个天线经过同一位置与基站间通信时的信道信息补偿。

本发明的技术解决方案如下：

一种高速铁路环境下信道信息预获方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

①在高速列车上相距S处距离布置两根性能完全相同的天线，两根天线同时与基站进行通信，高速列车与基站之间的通信采用TDD模式。

②高速列车通过第一天线与基站通信中，高速列车与基站的数据接收端都对当前通信时刻t₁、该时刻对应信道的路径损耗、阴影衰落、多径分布、多普勒频偏信息进行保存，第一天线与基站通信过程中得到的信道预估计信息

为：

$\stackrel{\→}{h}\left(t_1\right)=h(\stackrel{\→}{a},f_d,\stackrel{\→}{l},t_1)$

其中

表示信道的路径损耗、阴影衰落大尺度信息，f_d表示多普勒频偏，

表示多径分布信息。

③高速列车通过第二天线与基站通信中，在当前通信时刻t₂，将第一天线经过当前位置时得到的信道预估计信息用于数据接收端的信道补偿。即通过利用ΔT时间间隔前接收机在步骤②中保存的信道预估计信息

完成数据接收端的信道补偿。

$\mathrm{\ΔT}=t_2-t_1\≈\frac{S}{V\left(t_2\right)}$

其中：ΔT表示两根天线先后经过同一位置的时间间隔，S表示列车上两根天线之间的距离，V(t₂)表示t₂时刻列车的速度。

该方法还包括步骤④确定多普勒频偏的补偿为：

$\tilde{r}=r\×e^{-j2\mathrm{\π}{f}_d{T}_S},$

其中：r表示多普勒频偏补偿前的接收信号，表示多普勒频偏补偿后的接收信号，T_s表示接收信号采样周期。

所述的第一天线设置于靠近高速列车车头的一端，所述的第二天线设置于靠近高速列车车尾的一端。

与现有技术相比，本发明的信道信息补偿方法实施方便，利用了同一位置对应的信道信息的缓变性，通过在列车上布置相距一段距离的两根天线，实现了信道信息的复用，把前一根天线传输中的信道信息用于后一根天线传输中的信道补偿，有效简化了接收机信道估计的复杂度，提高了性信道估计的精度。

附图说明

图1是本发明高速铁路环境下信道信息补偿方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐释，实施例以本发明给出的技术方案进行实施，详细描述了在高速铁路环境下进行信道信息补偿的具体实施方法，但是本发明所保护的范围并不仅限于以下实施例。

如图1所示，在高速铁路无线信息传输中，本发明所提出的信道信息预获方法主要包括以下步骤：

步骤1、初始设置：在高速列车上相距S安装两根设置完全相同的天线，两根天线在相同的传输协议框架下以TDD的传输模式与基站进行无线数据传输。天线1除了完成与基站的通信任务外还要完成无线信道的预估计工作，因此第一天线1在与基站通信中将传输更大比例的导频信号。第二天线2承担与基站通信的主要任务，相对第一天线1来说，第二天线2在与基站通信中将传输更大比例的数据信号。具体两根天线通信中导频信号与数据信号的比例大小可以根据实际列车数据业务要求的稳定性与传输速率折中确定。

步骤2、第一天线1在与基站的通信中，接收机在完成信道估计的同时，可以获得当前时刻信道的路径损耗、阴影衰落、多径分布、多普勒频偏等信息。无论是在基站一侧还是列车一侧，在TDD的传输模式下，数据接收端都可以将当前时刻t₁、该时刻对应信道的路径损耗、阴影衰落、多径分布、多普勒频偏这些信息保存下来。记t₁时刻车头一侧天线在与基站通信中的得到的信道预估计信息为

$\stackrel{\→}{h}\left(t_1\right)=h(\stackrel{\→}{a},f_d,\stackrel{\→}{l},t_1)$

其中

表示信道的路径损耗、阴影衰落等大尺度信息，f_d表示多普勒频偏，

表示多径分布信息。

步骤3、高铁环境下，列车的运行轨迹是确定的，同一位置所对应的通信信道的大部分信息是缓变的。在图1中，由于t₁时刻与t₂时刻第一天线1与第二天线2的物理位置相同，因此它们与基站通信中的信道路径损耗、阴影衰落、多径分布、多普勒频偏也基本相同。所以在t₂时刻，第二天线2在与基站的通信中可以充分利用步骤2中保存的ΔT时间间隔前，即t₁时刻对应的信道路径损耗、阴影衰落、多径分布、多普勒频偏等预估计信息 $\stackrel{\→}{h}\left(t_1\right)=\stackrel{\→}{h}(t_2-\mathrm{\ΔT})=h(\stackrel{\→}{a},f_d,\stackrel{\→}{l},t_2-\mathrm{\ΔT})$ 实现信道补偿，简化接收机设计。

$\mathrm{\ΔT}=t_2-t_1\≈\frac{S}{V\left(t_2\right)}$

其中：ΔT表示两根天线先后经过同一位置的时间间隔，S表示列车上两根天线之间的距离，V(t₂)表示t₂时刻列车的速度。

由于相同位置处信道信息的缓变性，t₂时刻，第二天线2在与基站的通信中，接收机进行信道估计时可以直接复用中

包含的路径损耗、阴影衰落等信道大尺度信息，为信道幅度的大小提供参照。

同时接收机进行信道估计时可以通过利用

中

包含的多径分布信息，预先获得t2时刻信道中多径的个数以及各径延时大小。这一关键信息将显著减小相关信道估计算法的计算复杂度。如在利用压缩感知算法进行信道估计时，由于已经预先获得信道多径分布的位置信息，可以直接估计信道各径的大小，大大减小算法的复杂度。

通过利用

中的多普勒频偏信息f_d，接收机可以在信号输入端对接收信号进行多普勒频偏补偿：

$\tilde{r}=r\×e^{-j2\mathrm{\π}{f}_d{T}_S}$

其中r表示多普勒频偏补偿前的接收信号，

表示多普勒频偏补偿后的接收信号，T_s表示接收信号采样周期。

Claims (3)

1.一种高速铁路环境下信道信息预获方法，其特征在于，该方法包

括如下步骤：

步骤①在高速列车上相距S距离处布置两根性能完全相同的天线，两根天线同时与基站进行通信，高速列车与基站之间的通信采用TDD模式；

步骤②高速列车通过第一天线与基站通信中，高速列车与基站的数据接收端都对当前通信时刻t₁、该时刻对应信道的路径损耗、阴影衰落、多径分布、多普勒频偏信息进行保存，第一天线与基站通信过程中得到的信道预估计信息

为：

$\stackrel{\→}{h}\left(t_1\right)=h(\stackrel{\→}{a},f_d,\stackrel{\→}{l},t_1)$

其中表示信道的路径损耗、阴影衰落大尺度信息，f_d表示多普勒频偏，

表示多径分布信息；

步骤③高速列车通过第二天线与基站通信中，在当前通信时刻t₂，将第一天线经过当前位置时得到的信道预估计信息用于数据接收端的信道补偿,即通过利用ΔT时间间隔前接收机在步骤②中保存的信道预估计信息

完成数据接收端的信道补偿,

$\mathrm{\ΔT}=t_2-t_1\≈\frac{S}{V\left(t_2\right)}$

其中：ΔT表示两根天线先后经过同一位置的时间间隔，S表示列车上两根天线之间的距离，V(t₂)表示t₂时刻列车的速度。

2.根据权利要求1所述的高速铁路环境下信道信息预获方法，其特征在于，该方法还包括步骤④确定多普勒频偏的补偿为：

$\tilde{r}=r\×e^{-j2\mathrm{\π}{f}_d{T}_S},$

其中：r表示多普勒频偏补偿前的接收信号，表示多普勒频偏补偿后的接收信号，T_s表示接收信号采样周期。

3.根据权利要求1或2所述的高速铁路环境下信道信息预获方法，其特征在于，所述的第一天线设置于靠近高速列车车头的一端，所述的第二天线设置于靠近高速列车车尾的一端。

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