CN103607362B - 利用多天线消除高速移动环境下多频偏的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用多天线消除高速移动环境下多频偏的方法，包括：利用多天线构成扇区化天线；按照通信环境的条件确定波束的宽度；以确定的波束宽度在360度的范围进行扫描；当扫描到某一方位的信号的强度大于预定阈值强度时停止扫描，并利用由多天线构成的扇区化天线所接收到的信号进行通信。

Description

利用多天线消除高速移动环境下多频偏的方法

技术领域

本发明涉及通信技术及多媒体应用技术领域，更具体地说，本发明涉及一种利用多天线消除高速移动环境下多频偏的方法。

背景技术

无线通信和有线通信在传输的方式上有着本质上的区别，有线传输时信号只有单一的通道，而在无线传输中信号从发射端到达接收端却可以有很多个“通道”，这就是无线传输所带来的多径效应。从时域来看，当多个不同路径的信号到达接收天线时，由于多径信号的时延不同，造成了对信号的时延扩展。当信号的带宽进一步增加，使得信号的码元持续期和时延扩展相当时，就会有明显的码间串扰形成，这时无线信道对于信号中的不同频率成分具有不同的衰落特性，此时的无线信道就称为频率选择性信道。

正交频分复用(OFDM)技术在传输过程中把一定带宽的信道划分为多个相互正交的子信道，从而把宽带问题变成了窄带问题，使多个码元在多个并行的子信道上并行的传输。在正交频分复用中子带之间的频谱允许有部分的重叠而不破坏相互间的正交性，因而具有更高的频谱利用率，这就使得OFDM成为了下一代无线通信中的核心技术。但是，要使用OFDM技术首先要保证子载波间的正交性，对子载波间正交性造成破坏的因素是频率的偏移，频率偏移会造成严重的子载波间的相互干扰，使OFDM的误码率性能大幅下降。因此，使用OFDM技术要首先解决频偏的问题。

无线通信中频率偏移主要有两个来源：1.)由收发信机之间的本振频率不完全一致造成的频率偏移。这类频率偏移对于一对收发信机来说是固定的，通过对比和估计就可以加以消除。2.）无线传输过程中电磁波入射到移动的用户或反射物而导致的多普勒频移。当无线传输的收发信机之间只有一条传播路径时，只可能存在一个多普勒频移，可以通过在接收端对该频偏加以估计并消除。

在实际的无线通信中，频率偏移和多径传输往往会纠缠在一起使问题变的很复杂。在高速移动环境下，无线传输的多径效应和高速移动所造成的多普勒频移相结合使得频偏的估计和信道的估计都变得十分困难。这种情况形成的原因是发射给同一用户的信号在无线传输的过程中分别经历了不同的传输路径，多径信号入射到高速移动的物体会具有不同的多普勒频移，此时的信道具有显著的频率选择性，同时还具有快时变的特性。对于这类信道的估计问题,目前已有大量的研究，针对具有单天线的接收机分别在时域或频域对信道建立了模型,并提出了相应的解决方法。一般地，对这类信道要先估计出频偏再加以补偿，消除了频偏的影响后再获得对信道的估计。对于单天线接收机来说，只能估计出一个频偏，如果有多个频偏存在时所估计出的频偏是多个频偏在接收机处的一个合成效果，该值会介于多个频偏之间，但和任何一个实际的频偏都不相符。因此，想用估计到的这个频偏去消除由多个频偏所带来的影响是不可能的，会给系统的误码率性能带来很大的影响，出现这种状况的根本原因是利用为处理单频偏而建立的模型已无法应对多频偏的问题。

在高速无线通信系统中由于相干解调具有比较好的误码率性能而被广泛采用，但相干解调时需要在接收端获得信道的信息，这就要求对信道有准确的估计和跟踪。在非专利文献[1]中，对于多普勒频移不很显著的情况，ICI被当作高斯噪声来处理，使用了接收天线的分集技术来改善系统的性能。而在非专利文献[2]中，利用多径信道的时域及频域具有的相关性及带限性，对多普勒频移较小时的情况提出了一种鲁棒的信道估计算法，使信道的估计精度进一步提升。当移动的速度提高时，在一个OFDM符号内的无线信道变化已不能忽略，非专利文献[3]中采用线性模型描述信道的时变性，为了减少运算量，在频域信道矩阵中只考虑存在ICI较大的相邻子载波，对残余能量较低的ICI给以了忽略。为应对多径快时变信道，有多种基于基展开模型的信道估计方法被提出，其中有非专利文献[4-6]的复指数函数、非专利文献[7-8]的多项式、非专利文献[9]的椭圆函数，这些方法利用基函数对时变信道进行降阶逼近，从而把时变信道的估计问题转化为了参数估计问题。在非专利文献[10]中，对各类基于基展开模型的信道估计方法进行了总结，给出了统一的线性均方误差估计(LMMSE)以及最小二乘估计（LS）。基于基展开模型的信道估计方法从时域拟合时变的信道，模型的阶数高低要和信道时变的快慢相适应。当需要估计的参数增多以及信道的相干时间变短时，要达到相同的估计精度就需要更多的导频信息，而且需要更高的计算复杂度。

对于高速移动环境下的信道估计的另一类方法是假设信道在频域服从高斯-马尔科夫过程（参见非专利文献[11]），利用Kalman滤波器估计并跟踪多径快衰落信道（参见非专利文献[12，13]）。采用这类方法要频繁地插入训练序列，当信道变化加快时则难以跟踪信道的变化。与基于基展开模型的参数估计方法类似，这种基于频域AR模型并结合Kalman滤波的方法也需要在模型的阶数与估计的精度和频谱的利用率之间寻求一个折中。为了在不降低频谱利用率的情况下提高估计的精度，在文（参见非专利文献[14，15]）中提出了利用迭代对信道估计与检测方法，其中利用判决反馈的方式用检测符号代替部分的导频信息和训练序列。这类方法的研究重点是如何通过提高符号的判决精度来提高收敛速度，以及如何降低计算的复杂度。在目前的符号判决方法中，大多都是假设频域信道矩阵为块对角矩阵（参见非专利文献[16，17]），这样做可以消除ICI中的大部分，而且不会使计算量增加过多。这种假设并不能完全消除ICI的影响，当移动速度较高时块对角矩阵的宽度会变大，使检测复杂度增加，迭代算法的计算量加大，无法适应高速移动的情况。

上面所介绍的技术试图用解决单频偏的方法来解决多频偏问题，虽然有一定的效果，但是算法复杂且无法从根本上解决问题。

具体地说，现有技术存在下述缺点：

(1)要估计高速移动环境下OFDM的频偏需要更多导频符号，占用了更多的频谱资源。多频偏的存在使信号的幅度和频率特性变化较大，使用同等数量的导频符号已经不能很好的估计和补偿频偏的影响。现有的方法是用估计单频偏的方法来应对多频偏问题的，而多频偏信号经过了合成后纠缠在了一起已经从信号上区分不出来了。

(2)算法的复杂程度增加，延时相应的增加。多个频偏的存在使得算法的复杂程度增加，通过在时频域的共同处理和估计能够对估计的频偏有一定的改善，但是所增加的复杂程度是实际应用中较难克服的问题。

(3)频偏无法估计准确，补偿后系统的性能无法得到很好的改善。

现有的方法采用的是传统的应对单频偏的方法，从根本上来说解决不了多频偏问题，所估计出的频偏也不能够补偿多频偏所造成的影响，因此使得系统在频偏补偿后无法获得很好的性能提升。

参考文献列表：

[1]RussellM,Stuber G L.Interchannel interference analysis of OFDM ina mobile environment.IEEE 45th Vehicular Technology Conf.Chicago,USA,Jul1995.

[2]Li Y,Cimini L J,Sollenberger N R.Robust channel estimation forOFDM systems with rapid dispersive fading channels.IEEE Trans Commun.vol.46,no.7,pp.902-915,Jul1998.

[3]Jeon W G,Chang K H,Cao Y S.An equalization technique fororthogonal frequency-division multiplexing systems in time-variant multipathchannels.IEEE Trans Commun.vol.47,no.1,pp.27-32,Jan1999.

[4]Cirpan H A,Tsatsanis M K.Maximum likelihood blind channelestimation in the presence of Doppler shifts.IEEE Trans.SignalProcess.vol.47,no.6,pp.1559-1569,Jun1999.

[5]Guillaud M,Slock D T M.Channel modeling and associated inter-carrier interference equalization for OFDM systems with high Dopplerspread.IEEE Int Conf on Acoustics,Speech,and Signal Processing.Hong Kong,China,Apr2003.

[6]Leus G.On the estimation of rapidly time-varying channels.12thEuropean Signal Processing Conf.Vienna,Austria,Sep2004.

[7]Borah D K,Hart B D.Frequency-selective fading channel estimationwith a polynomial time-varying channel model.IEEE Trans Commun.vol.47,no.6,pp.862-873,Jun1999.

[8]Tomasin S,Gorokhov A,Yang H,and et al.Iterative interferencecancellation and channel estimation for mobile OFDM.IEEE Trans WirelessCommun.vol.4,no.1,pp.238-245,Jan2005.

[9]Zemen T,C F.Time-variant channel estimation usingdiscrete prolate spheroidal sequences.IEEE Trans Signal Process.vol.53,no.9,pp.3597-3607,Sep2005.

[10]Tang Z,Cannizzaro R C,Leus G,and et al.Pilot-assisted time-varying channel estimation for OFDM systems.IEEE Trans SignalProcessing.vol.55,no.5,pp.2226-2238,May2007.

[11]Dong M,Tong L,Sadler B.Optimal insertion of pilot symbols fortransmissions over time-varying flat fading channels.IEEE Trans SignalProcess.vol.52,no.5,pp.1403-1418,May2004.

[12]Han K Y.Channel estimation for OFDM with fast fading channels bymodified Kalman filter.IEEE Trans Consumer Electronics.vol.50,no.2,pp.443-449,May2004.

[13]Chen W,Zhang R.Kalman filter channel estimator for OFDM systemsin time and frequency-selective fading environment.IEEE Int Conf onAcoustics,Speech,and Signal Processing,Montreal,Canada Canada,May2004.

[14]Ancora A,Montalbano G,Dirk T M.Preconditioned iterative inter-carrier interference cancellation for OFDM reception in rapidly varyingchannels,IEEE Int Conf on Acoustics,Speech,and Signal Processing,Dallas,USA,Mar2010.

[15]Hijazi H,Ros L.Polynomial estimation of time-varying multipathgains with intercarrier interference mitigation in OFDM systems.IEEE TransVeh Technol.vol.58,no.1,pp.140-151,Jan2009.

[16]Schniter P.Low-complexity equalization of OFDM in doublyselective channels.IEEE Trans Signal Proces.vol.52,no.4,pp.1002-1011,Arp2004.

[17]Muralidhar K,Hung L K,Liang Y C.Low-complexity equalizationmethods for OFDM systems in doubly selective channels,IEEE VehicularTechnology Conf,Marina Bay,Singapore,May2008.

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种能够从高速环境下的多频偏的成因入手利用多天线的空域特性来处理多频偏的影响的方法。

为了实现上述技术目的，根据本发明，提供了一种利用多天线消除高速移动环境下多频偏的方法，包括：第一步骤，利用多天线构成扇区化天线；第二步骤，按照通信环境的条件确定波束的宽度；第三步骤，以确定的波束宽度在360度的范围进行扫描；以及第四步骤，当扫描到某一方位的信号的强度大于预定阈值强度时停止扫描，并利用由多天线构成的扇区化天线所接收到的信号进行通信。

优选地，所述预定阈值强度是可设置的。

优选地，多天线构成的扇区化天线只接收具有单一频偏的一条多径信号。

优选地，利用多天线构成的扇区化天线是利用三个天线构成的扇区化天线。

优选地，利用多天线构成的扇区化天线是利用四个至九个天线构成的扇区化天线。

优选地，扇区化天线被安装在高速行驶的车辆上。

优选地，利用由多天线构成的扇区化天线所接收到的信号进行的通信是采用正交频分复用技术的通信。

附图说明

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的多天线构成的扇区化天线示意。

图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的多天线构成的扇区化天线的工作示意。

需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。

具体实施方式

为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。

多天线方案概述

本申请发明人有利地发现：由于在高速移动的环境下多频偏的存在，使得高频谱效率的OFDM系统无法获得应有的性能；而现有的方法还是把多频偏问题当作单频偏问题处理，只是采用了一些算法上的改进，从多频偏形成的机理上无法根本上解决多频偏所带来的影响。多频偏是由于多径信号在接收端的叠加合成造成的，如果能够从空域的角度直接避免多路径信号在接收端的合成将使问题得到根本上的解决。由此，可以通过在高速车辆的接收端使用多天线，可以利用天线的空域处理能力，对特定的来波方向形成波束，使接收端只接收单路径的信号，此时只有单一的频偏，就可以使用传统的估计和补偿频偏的方法使系统的性能得到较大程度的提升，从根本上解决了问题。

在高速移动环境下，无线信号入射到接收端时会具有明显的多普勒频移特性。如果信号只有一条路径时，在接收端就只有一个频偏，通过对频偏的估计可以加以消除和补偿。但是，由于无线传输的多径特性，多条路径同时入射到高速移动的终端时会具有多个不同的多普勒频移。多径多频偏的信号在接收端的叠加就形成了差拍信号，时域信号的包络就会产生变化，形成了时间选择性衰落。由于在高速移动环境下多普勒频移比较显著，这种由多径多普勒频移所引起的信道时频域的变化对无线信号带来了非常大的影响。此时信道的时域选择性衰落和频域选择性衰落使得传统的时频域的处理方法已经无能为力了，也就是说如果再利用单天线进行接收，多径信号一旦在接收端叠加合成了就无法从根本上解决问题了。

无线信号所受到的频率选择性衰落和时间选择性衰落的根本原因是由于无线传输在空域的多径效应和多普勒频移造成的，或者说由于使用单天线接收高速移动下的多径多频偏信号使得信号出现了时间选择性和频率选择性，其本质上是在空域具有多个频偏的多径衰落。对于由空域产生的问题，利用时频域的处理是无法解决的。

相对于有线通信来说，无线通信不但有时间、频率的概念还有着空间的概念。无线信号在空间传播时同样也有能量的概念，虽然目前还无法用理论和公式来确切地描述这种空间的‘谱’，但它确实是存在的。因此，要完全透彻的描述无线通信和无线信道，必须要使用时间、频率和空间的三维参数。对于无线通信中的衰落问题，从其本质出发必须从信号的空间谱入手，对于空间中的不同路径的信号要利用它们到达接收端时的入射方位角的不同，从空间的角度加以判断和区分。因此，本发明在接收端具有多天线后，结合阵列天线的空域处理技术可以对不同的多径信号的来波方向进行估计，并通过波束成形对不同路径的信号分别处理和提取。

高速移动环境下无线通信的多径数量并不是很多，一般情况只有两三条路径，表现为每条路径具有不同的方位信息。虽然到达接收端的不同多径信号有着不同的多普勒频移，但却是从不同的方位角入射来的，如果能够对不同方向的来波信号进行分离，就可以使每条路径上只具有单一的频偏，依然可以通过估计得到正确的频偏并加以消除。

多天线构成的扇区化天线结构

利用多天线实现的扇区化天线为了获得可靠的通信路径需要在360度范围内实现波束的切换，切换的速度要能够保证正常的通信需求。同时，考虑到不同方向上的多天线所形成波束应该具有相同的增益，因此多天线的排列形式可以考虑均匀的圆形阵列，而不能使用线性阵列。

为了使多天线构成的扇区化天线对不同方向的来波具有相同的增益，多天线的排列采用圆形阵列。当单元天线是微带天线时，用多个微带天线排成圆柱的形状，通过对不同天线的选择，用不同位置的天线构成的阵列就可以在特定的方向形成波束，而在其他的方向上形成零陷点起到抑制作用。对于不同天线组合的变化就使得多天线形成的波束实现了切换，使形成的波束只对多径信号的一路进行接收克服了多径多频偏对无线通信所带来的影响，对于只有一个频偏时的估计和补偿是容易实现的。

图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的多天线构成的扇区化天线示意。图1中假设基站BS发出的信号经过两条路径传输到达高速移动的接收端MS时具有两个频偏（第一频偏f1和第二频偏f2）,由于这两条路径的入射方位不同，利用多天线构成的扇区化天线可以只对其中的一条路径形成波束，而对另一条波束形成零陷点，这样在接收到的信号中就会只含有单一的频偏，可以通过较为成熟的算法加以估计和补偿，使系统的性能得到有效的提升。

图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的多天线构成的扇区化天线的工作示意。

如图2所示，首先，在第一步骤S1中，利用多天线构成扇区化天线；

并且，在第二步骤S2中按照通信环境的条件确定波束的宽度，出于对多径信号的抑制作用及避免扇区化天线的频繁扫描，波束的宽度可以选择在60度；具体地说，按照通信环境的条件确定波束的宽度，出于对多径抑制的需要，波束的宽度不能太宽，但是过窄又会引起频繁的波束扫描，因此从折中的角度及实际的应用角度考虑波束的宽度，如60度的波束即可以有效的分离不同的路径信号，同时也不至于出现频繁的扫描；

随后，在第三步骤S3中，以确定的波束宽度在360度的范围进行扫描；

在第四步骤S4中，当扫描到某一方位的信号的强度大于预定阈值强度时停止扫描，随后可以利用由多天线构成的扇区化天线在特定的方位上进行通信（由于正交频复用对频偏的敏感性，这里假定采用正交频分复用技术的通信）；即当扫描到某一方位的信号足够正常通信时停止扫描，而不必要扫描出最强的信号方位才进行通信，由于波束的宽度限制使高速移动的车辆只可能接收到单路径的信号，克服了多频偏对通信的影响。

虽然以采用正交频分复用技术的通信示出了本发明的具体示例，但是对于存在与采用正交频分复用技术的通信相同问题的其它通信方式，也可以应用本发明的方案。

优选地，用户可以设置所述预定阈值强度。而且，在应用时，用户可以根据具体通信条件和通信设备对预定阈值强度进行任意适当设置。

优选地，多天线构成的扇区化天线可以只接收具有单一频偏的某一条多径信号。

例如，在具体实施例中，利用多天线构成的扇区化天线是利用三个天线构成的扇区化天线，此时扇区化天线结构最简单，可以有效简化结构。但是，在其它实施例中，例如利用多天线构成的扇区化天线是利用四个或者更多天线构成的扇区化天线。优选地，利用多天线构成的扇区化天线是利用三个至九个天线构成的扇区化天线，此时可以实现结构和效果的最佳折中。

并且，实验表明，本发明优选实施例提供的上述方法尤其适用于移动速度超过60km/h（千米每小时）的对象（例如行驶的车辆上的乘客）的采用正交频分复用技术的通信；换言之，上述方法对移动速度超过60km/h的对象的正交频分复用通信的通信质量改善尤其显著。

(1)在高速移动环境下当接收端设置了多天线后可以实现对多条路径的分离，从空域处理的角度解决了多频偏的问题。

具体地说，当多路径的信号从不同的角度到达高速移动的车辆时会产生不同的频偏，这些具有不同频偏的信号会在单天线的接收端叠加在一起，多频偏信号混合后无法正确的估计出不同的频偏，也就无法对原有的信号进行补偿，会对系统的性能造成较大的影响。但是当接收端设置了多天线后，可以利用多天线的空域处理能力对特定的方向形成波束，这样就可以对不同来波方向的多径信号进行分离，使接收到的信号中不再是多径信号的合成。

(2)对频偏的估计算法变为单频偏问题，算法的复杂度降低。

具体地说，由于使用了多天线构成的扇区化天线，只对某一个特定的方向形成波束，而具有不同频偏的多径信号是从不同的方向入射到高速行进的列车上的，因此利用多天线构成的扇区化天线可以只接收具有单一频偏的某一条多径信号，而对其它方向入射来的信号可以进行有效的抑制，这样在接收端实际处理的就是单频偏问题，使问题的复杂度降低，而且有相对成熟的算法可以利用，可以有很好的估计性能。

(3)可以提高对频偏的估计精度，经补偿后可以提高系统的性能。

具体地说，在接收端使用单天线时是无法使多路径的信号在接收端分开接收的，而合成后的多路径信号因为具有多个频偏使得后续的估频偏和对频偏的补偿都带来了问题，无法正确的估计出多个频偏并对多个频偏进行补偿，因此对于OFDM系统来说码间干扰问题严重。但当使用了多个天线构成的扇区化天线后，在空域上区分开了多径信号，可以使接收到的信号只具有单频偏，可以实现对频偏的正确估计和补偿，这样就可以使系统的性能获得显著的提高。

现有技术是对在接收端接收到经过合并后的多路径信号的处理来试图估计频偏,通过在时频域的处理来获得对多频偏的补偿。而在本发明中,通过在接收端的多天线对多路径信号实现了分离作用,可以做到在接收端只有单路径信号,避免了多路径多频偏信号在接收端的直接合成,因此从根本上克服了多频偏无法正确估计和补偿的问题。传统的接收端只有单天线,而在本发明中在接收端是使用的多天线构成的扇区化天线,通过扇区化天线的切换可以对某个方向形成定向的接收而对其余的方向形成抑制,可以避免多路径信号在接收端的合成。

在具体示例中，例如，通过在高速行驶的车辆上设置多天线,可以利用多天线构成能够进行波束扫描的扇区化天线,在高速行使的过程中有针对性的对某一个方向形成波束,在保证通信质量的同时由于有波束宽度的限制可以降低甚至完全消除由于多径效应而在高速移动车辆上形成的多频偏,使频偏的估计和纠正算法得到简化,使系统的性能得到了有效的提高。

此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种利用多天线消除高速移动环境下多频偏的方法，其特征在于包括：

第一步骤，利用多天线构成扇区化天线；

第二步骤，按照通信环境的条件确定波束的宽度；

第三步骤，以确定的波束宽度在360度的范围进行扫描；

第四步骤，当扫描到某一方位的信号的强度大于预定阈值强度时停止扫描，并利用由多天线构成的扇区化天线所接收到的信号进行通信。

2.根据权利要求1所述的利用多天线消除高速移动环境下多频偏的方法，其特征在于，所述预定阈值强度是可设置的。

3.根据权利要求1或2所述的利用多天线消除高速移动环境下多频偏的方法，其特征在于，多天线构成的扇区化天线只接收具有单一频偏的一条多径信号。

4.根据权利要求1或2所述的利用多天线消除高速移动环境下多频偏的方法，其特征在于，利用多天线构成的扇区化天线是利用三个天线构成的扇区化天线。

5.根据权利要求1或2所述的利用多天线消除高速移动环境下多频偏的方法，其特征在于，利用多天线构成的扇区化天线是利用四个至九个天线构成的扇区化天线。

6.根据权利要求1或2所述的利用多天线消除高速移动环境下多频偏的方法，其特征在于，扇区化天线被安装在高速行驶的车辆上。

7.根据权利要求1或2所述的利用多天线消除高速移动环境下多频偏的方法，其特征在于，利用由多天线构成的扇区化天线所接收到的信号进行的通信是采用正交频分复用技术的通信。