CN103780571B - 面向高速列车通信的调制信号星座设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种面向高速列车通信的调制信号星座设计方法，移动通信系统中的接收信号经多普勒校正后存在频率偏差，每个信号星座点存在多普勒剩余频偏差的信号扩散半径，其中，两个相邻所述信号星座点的信号扩散半径之间未被干扰的区域间隔为信号星座点之间的保护间隔，其特征在于，所述方法包括调整所述信号星座点的位置，使得所述信号星座点之间的保护间隔相等。

Description

面向高速列车通信的调制信号星座设计方法

技术领域

本发明涉及高速移动通信环境下的无线通信领域，具体涉及一种面向高速列车通信的调制信号星座设计方法。

背景技术

随着高速铁路的迅速发展和地面移动通信技术的快速增长，人们对高铁移动通信的需求，特别是高数据速率的需求，日益增强。然而，当前的高铁移动通信系统GSM-R只能支持200kbps的比特率，而且以面向信令为主。此外，依赖地面2G/3G通信的蜂窝覆盖支持单用户的通信模式，在高铁移动场景下常

常导致语音通信的中断，短数据通信的连续重发，这些问题严重困扰着众多的高铁乘客，因此很需要针对高速铁路环境设计合理的宽带移动通信系统，提升人们在高速移动场景下对高质量通信的体验，满足人们的通信需求。

高铁环境下的信息传输存在很多问题，其中之一就是接收信号的多普勒效应问题。为了克服多普勒效应，人们提出许多多普勒估计校正算法，然而由于估计存在误差，剩余的多普勒残差仍被滞留在接收信号中，此时，仅凭校正算法无法进一步提升系统的性能。因此，需要建立新的对多普勒残差具有很好的鲁邦性的调制信号模式，可以保证性能优异的高质量的信号解调。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种解决多普勒校正残差的信号畸变问题，保持移动通信系统性能优异的面向高速列车通信的调制信号星座设计方法。

为达到上述目的，本发明面向高速列车通信的调制信号星座设计方法，移动通信系统中的接收信号经多普勒校正后存在频率偏差，每个信号星座点存在多普勒剩余频偏差的信号扩散半径，其中，两个相邻所述信号星座点的信号扩散半径之间未被干扰的区域间隔为信号星座点之间的保护间隔，所述方法包括调整所述信号星座点的位置，使得所述信号星座点之间的保护间隔相等。

具体地，所述信号星座点的具体调整方法包括：

S1获取经多普勒校正后的接收信号的基本模型，所述基本模型如下：

其中，s_k和y_k分别为一个信号帧中发送的信号和接收的信号；

k为一个信号帧的长度；

D_r为多普勒校正后剩余的频率残差量，且|D_rK|<<2π；

φ₀为固定的收发端载波相位差；

n_k为高斯白噪声；

S2将所述接收信号的基本模型去除固定载波偏差得到所述接收信号的计算模型，所述计算模型如下：

其中，

S3基于所述计算模型，确定每个星座点存在多普勒剩余偏差时的信号扩散半径，所述扩散半径公式如下：

其中，{X₁,X₂,……X_N}为N元调制信号星座点的位置；

S4计算所述信号星座点之间未被干扰的保护间隔集合，所述计算公式如下：

{d_n,m},n＝1,2,...,N；m＝1,2,...,N.

S5计算信号点之间的最小保护距离，d_min＝min{d_n,m,n≠m}；

S6对信号星座点之间最小保护距离进行最大化调整max{d_min}，利用迭代求解方法或数值计算逐渐增大max{d_min}的值，调整所述信号星座点位置k＝1,2,...,N，使得所述信号星座点之间的保护间隔一致，且满足

其中，P为预定的常数；

{X_k}为信号星座点进行调整之前的位置；

为信号星座点进行调整之后的位置。

进一步地，所述P的取值为1。

本发明面向高速列车通信的调制信号星座设计方法，通过对信号星座点的位置进行调整，使得每个信号星座点在存在多普勒剩余偏差时，每两个信号星座点之间的保护间隔相等，如此增大了信号星座点之间的最小保护间隔，因为系统保护间隔越小系统的误码率越高，增加最小保护间隔也即降低了通信系统的误码率，保持了优异的系统性能，同时提高了调制信号的承载量，增加了每个星座点携带的平均信息量。

附图说明

图1是标准的4PM信号星座图；

图2是本发明面向高速列车通信的调制信号星座设计方法的实施例的多普勒剩余频偏干扰后的4MP信号星座图；

图3是本发明本发明面向高速列车通信的调制信号星座设计方法的实施例的优化调整后具有等保护间隔的4PAM信号星座示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。

本实施例面向高速列车通信的调制信号星座设计方法，移动通信系统中的接收信号经多普勒校正后存在频率偏差，每个信号星座点存在多普勒剩余频偏差的信号扩散半径，其中，两个相邻所述信号星座点的信号扩散半径之间未被干扰的区域间隔为信号星座点之间的保护间隔，所述方法包括调整所述信号星座点的位置，使得所述信号星座点之间的保护间隔相等。

具体地，所述信号星座点的具体调整方法包括：

S1获取经多普勒校正后的接收信号的基本模型，一个通用的地对列车的通信模式，经过多普勒校正后，接收信号的基本模型如下：

其中，s_k和y_k分别为一个信号帧中发送的信号和接收的信号；

k为一个信号帧的长度；

D_r为多普勒校正后剩余的频率残差量，且|D_rK|<<2π；

φ₀为固定的收发端载波相位差；

n_k为高斯白噪声；

在通常情况下，可以依据信号的调制方式主要关注信号的解调，例如采用最大似然估计解调等。在本实施例中，我们从系统本质上关注调制信号的星座设计，具体实现方式如步骤S2至S6。

S2将所述接收信号的基本模型去除固定载波偏差得到所述接收信号的计算模型，所述计算模型如下：

其中，

S3基于所述计算模型，确定每个星座点存在多普勒剩余偏差时的信号扩散半径，所述扩散半径公式如下：

其中，{X₁,X₂,……X_N}为N元调制信号星座点的位置；

S4计算所述信号星座点之间未被干扰的保护间隔集合，所述计算公式如下：

{d_n,m},n＝1,2,...,N；m＝1,2,...,N.

S5计算信号点之间的最小保护距离，d_min＝min{d_n,m,n≠m}；

S6对信号星座点之间最小保护距离进行最大化调整max{d_min}，利用迭代求解方法或数值计算逐渐增大max{d_min}的值，调整所述信号星座点位置k＝1,2,...,N，使得所述信号星座点之间的保护间隔一致，且满足

其中，P为预定的常数；

{X_k}为信号星座点进行调整之前的位置；

为信号星座点进行调整之后的位置。

进一步地，所述P的取值为1。

本实施例中，考虑一个4PAM调制信号的模型，如图1所示，以四个星座点1、2、3、4为例初始星座为相应的X₁＝-3，X₂＝-1，X₃＝1，X₄＝3；如图2所示，所述星座点对应的干扰半径图11、12、13、14，本实施例中的信号是实信号，所以此处只考虑了实数部分。如图3所示，利用最大化最小保护间隔准则进行优化调整后的信号星座图，信号星座点之间具有相等的保护间隔。

上述实施例的具体方法还可以应用到8PAM调制信号模型中，其具体实施方式和上述实施例相同，在这里就不再赘述了。当然本发明的信号星座点也不仅仅限于上述实施例中的四个信号星座点，本技术领域人员可以扩展到更多的信号星座点，对于2ⁿPAM的调制信号模型均适用。

本发明面向高速列车通信的调制信号星座设计方法，通过对信号星座点的位置进行调整，使得每个信号星座点在存在多普勒剩余偏差时，每两个信号星座点之间的保护间隔相等，如此增大了信号星座点之间的最小保护间隔，因为系统保护间隔越小系统的误码率越高，增加最小保护间隔也即降低了通信系统的误码率，保持了优异的系统性能，同时提高了调制信号的承载量，增加了每个星座点携带的平均信息量。

以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种面向高速列车通信的调制信号星座设计方法，移动通信系统中的接收信号经多普勒校正后存在频率偏差，每个信号星座点存在多普勒剩余频偏差的信号扩散半径，其中，两个相邻所述信号星座点的信号扩散半径之间未被干扰的区域间隔为信号星座点之间的保护间隔，其特征在于，所述方法包括调整所述信号星座点的位置，使得所述信号星座点之间的保护间隔相等；

所述信号星座点的具体调整方法包括：

S1获取经多普勒校正后的接收信号的基本模型，所述基本模型如下：

$y_k=s_k{e}^{-j(D_{r}k+{\mathrm{\&phi;}}_0)}+n_k,k=1,2......,K$

其中，s_k和y_k分别为一个信号帧中发送的信号和接收的信号；

k为一个信号帧的长度；

$j=\sqrt{-1};$

D_r为多普勒校正后剩余的频率残差量，且|D_rK|<<2π；

φ₀为固定的收发端载波相位差；

n_k为高斯白噪声；

S2将所述接收信号的基本模型去除固定载波偏差得到所述接收信号的计算模型，所述计算模型如下：

$\tilde{y}=s_k{e}^{-jDrk}+{\tilde{n}}_k$

其中，

S3基于所述计算模型，确定每个星座点存在多普勒剩余偏差时的信号扩散半径，所述扩散半径公式如下：

$r_n={\max }_{k=1,2......k}\left\{\right|X_n-X_n{e}^{-{\mathrm{jD}}_{r}k}\left|\right\}$

其中，{X₁,X₂,……X_N}为N元调制信号星座点的位置；

S4计算所述信号星座点之间未被干扰的保护间隔集合，所述计算公式如下：

{d_n,m},n＝1,2,...,N；m＝1,2,...,N.

S5计算所述信号星座点之间的最小的保护间隔，d_min＝min{d_n,m,n≠m}；

S6对信号星座点之间最小保护距离进行最大化调整max{d_min}，利用迭代求解方法或数值计算逐渐增大max{d_min}的值，调整所述信号星座点位置k＝1,2,...,N，使得所述信号星座点之间的保护间隔一致，且满足

其中，P为预定的常数；

{X_k}为信号星座点进行调整之前的位置；

为信号星座点进行调整之后的位置。

2.根据权利要求1所述的面向高速列车通信的调制信号星座设计方法，其特征在于：所述P的取值为1。