CN103975539A - 多普勒频移补偿装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及适用于高移动性通信系统的多普勒频移补偿方案。在一些示例中，一种多普勒频移补偿装置可以包括：角度测量单元，被配置为测量用户设备(UE)的到达角度(AOA)信息；速度计算单元，被配置为基于所测量的AOA信息来计算UE的速度信息；频移估计单元，被配置为基于所测量的AOA信息和所计算的UE的速度来估计UE的多普勒频移；频移补偿触发单元，被配置为基于所估计的UE的多普勒频移来触发多普勒频移补偿；以及频移补偿单元，基于从频移补偿触发单元接收的触发指令，执行多普勒频移补偿。在本公开的一些其他示例中，还描述了多普勒频移补偿方法。

Description

多普勒频移补偿装置和方法
技术领域
本公开涉及无线通信系统，更具体地，涉及无线通信系统中的多普勒频移补偿装置和方法。
背景技术
LTE和LTE-A旨在解决针对高用户密度区域中的宽带服务的不断增长的需求，同时在如高速火车的高移动性之类的极端信道条件下维持良好性能。高速铁路/公路(HSR/HSH)的规模和速度不断提高。HSR的最高运行速度甚至达到380km/h。
速度的增加将导致乘客的通信质量下降。多普勒效应明显，多普勒频移对HSR/HSH中的移动通信业务的质量产生更大的不利影响。因此，通信运营商和设备制造商渴望解决相关问题。在该场景中，用户具有很大的潜在需求。并且，与其他场景相比，移动通信覆盖在HSR/HSH中具有其特定特性。
(1)现今多数LTE和LTE-A基站(BS)部署在高频(例如2.6GHz)，这导致与低频(例如700MHz)相比更高的多普勒频移。
(2)多普勒频移的变化不是频率线性的。其不仅取决于UE的速度，还取决于UE的移动方向与BS之间的角度。
(3)UE在非常短时间内穿过小区，这导致多普勒频移的频度快速改变。这将增大频移、误块率(BLER)等。
在无线接入网中，有多个标准(2G/3G)考虑了多普勒效应，尤其是对于LTE和LTE-A(4G)。LTE和LTE-A采用需要载波正交的OFDM。限制小区间干扰(ICI)、估计和补偿频移是关键技术。因此，多普勒频移的问题对于移动通信系统而言是重要的。
3GPP的标准[1][2][3]具体描述了高速火车场景的传播条件。它们示出了多普勒频移轨迹的仿真结果。然而，它们仅仅假定速度是均匀的，而未提出任何方法来克服多普勒频移。
发明内容
为了解决上述问题，本公开提出了适用于无线通信系统的多普勒频移补偿方案。
根据本公开的第一方面，提供了一种多普勒频移补偿装置，包括：角度测量单元，被配置为测量用户设备(UE)的到达角度(AOA)信息；速度计算单元，被配置为基于所测量的AOA信息来计算UE的速度信息；频移估计单元，被配置为基于所测量的AOA信息和所计算的UE的速度来估计UE的多普勒频移；频移补偿触发单元，被配置为基于所估计的UE的多普勒频移来触发多普勒频移补偿；以及频移补偿单元，基于从频移补偿触发单元接收的触发指令，执行多普勒频移补偿。
在示例中，频移补偿触发单元被配置为将UE的多普勒频移的完整跨度分为多个范围，如果在第一预定数目的估计周期中估计的UE的多普勒频移落入同一范围，贝频移补偿触发单元被配置为将所述同一范围确定为稳定范围。
此外，频移补偿触发单元被配置为，在第二预定数目的估计周期中，利用所述稳定范围的中值，或者在第一预定数目的估计周期中估计的UE的多普勒频移的均值，触发混合补偿模式的多普勒频移补偿。
另一方面，频移补偿触发单元被配置为，如果频移补偿触发单元未确定稳定范围，则在每个估计周期中，利用所估计的UE的多普勒频移，触发精确补偿模式的多普勒频移补偿。
在另一示例中，如果UE正在从多普勒频移补偿装置所属的基站(BS)移动至另一BS，则多普勒频移补偿装置被配置为经由BS间接口，将在第一预定数目的估计周期中的一些周期中估计的多普勒频移传送至所述另一BS；和/或，如果UE正在从另一BS移动至多普勒频移补偿装置所属的基站(BS)，则多普勒频移补偿装置被配置为经由BS间接口，从所述另一BS接收在第一预定数目的估计周期中的一些周期中估计的多普勒频移；频移估计单元被配置为：在第一预定数目的估计周期中的其余周期中，估计UE的多普勒频移。BS间接口可以是X2接口或S1接口。
在另一示例中，角度测量单元被配置为：使用在估计周期的起点和终点分别报告的UE的信道质量索引(CQI)报告，测量UE的AOA信息。
例如，多普勒频移补偿装置可以用于长期演进(LTE)系统、LTE-高级系统、或时分同步码分多址(TD-SCDMA)系统。
根据本公开的第二方面，提供了一种多普勒频移补偿方法，包括：测量用户设备(UE)的到达角度(AOA)信息；基于所测量的AOA信息来计算UE的速度信息；基于所测量的AOA信息和所计算的UE的速度来估计UE的多普勒频移；以及基于所估计的UE的多普勒频移来触发和执行多普勒频移补偿。
在示例中，频移补偿触发和执行步骤包括：如果在第一预定数目的估计周期中估计的UE的多普勒频移落入同一范围，则将所述同一范围确定为稳定范围，其中UE的多普勒频移的完整跨度分为多个范围；以及在第二预定数目的估计周期中，利用所述稳定范围的中值，或者在第一预定数目的估计周期中估计的UE的多普勒频移的均值，触发混合补偿模式的多普勒频移补偿。
频移补偿触发和执行步骤还包括：如果未确定稳定范围，则在每个估计周期中，利用所估计的UE的多普勒频移，触发精确补偿模式的多普勒频移补偿。
在另一示例中，多普勒频移补偿方法还包括：如果UE正在从基站(BS)移动至另一BS，则经由BS间接口，将在第一预定数目的估计周期中的一些周期中估计的多普勒频移从所述基站传送至所述另一BS。
在另一示例中，多普勒频移补偿方法还包括：如果UE正在从源基站(BS)移动至目的地BS，则在目的地BS处，经由BS间接口，从源BS接收在第一预定数目的估计周期中的一些周期中估计的多普勒频移；以及在目的地BS处，在第一预定数目的估计周期中的其余周期中，估计UE的多普勒频移。BS间接口可以是X2接口或S1接口。
在另一示例中，UE的AOA信息是通过使用在估计周期的起点和终点分别报告的UE的信道质量索引(CQI)报告来测量的。
例如，多普勒频移补偿方法可以用于长期演进(LTE)系统、LTE-高级系统、或时分同步码分多址(TD-SCDMA)系统。
附图说明
结合附图，根据以下关于本公开的非限制实施例的详细描述，本公开的上述和其他目的、特征和有点将更加清楚，附图中：
图1是示意了高速铁路(HSR)环境中的中继UE通信场景的示意图。
图2是示意了高速公路(HSH)环境中的中继UE通信场景的示意图。
图3是示意了根据本公开实施例的多普勒频移补偿装置300的框图。
图4是示意了用于HSR的系统模型的示意图。
图5是示意了根据本公开实施例的频移补偿触发单元350的操作的流程图，其中具有3个划分范围作为示例。
图6是示意了用于HSR的仿真场景的示意图。在该仿真场景中使用以下参数。
图7是示出了高速火车的速度的图。
图8是示出了高速火车的对应位置信息的图。
图9(a)～9(c)是示出了多普勒频移和补偿的仿真结果的图。
具体实施方式
以下根据附图来描述本公开的实施例。在以下描述中，一些特定实施例仅用于描述目的，其不应被理解为对本公开的任何限制，而是其示例。在可能对本公开的理解造成不利影响的情况下，将省略传统结构或构造将被省略。
图1是示意了高速铁路(HSR)(一般具有高于250km/h的最高速度)环境中的中继UE通信场景的示意图。
如图1所示，火车上的系统和装置处于高速环境，通信信号在BS(例如eNB)和车厢无线基站(CRBS)之间双向传送。CRBS及其CORA(车厢外顶部天线)和CIRA(车厢内顶部天线)构成UE中继子系统。如果旨在获得良好的通信质量，需要克服多普勒效应。
图2是高速公路(HSH)(一般具有高于120km/h的最高速度)环境中的中继UE通信场景的示意图。
在图2中，没有任何中继节点。UE与BS(例如eNB)直接通信。如果不补偿多普勒频移，则UE和BS之间的信号质量将较差。
在以下描述中，将结合HSR环境为例来详细描述本公开的实施例。然而，注意，在适当适配的情况下，如将火车高度(Htrain)替换为汽车高度(Hcar)并且将BS与轨道之间的距离(Dbs2rail)替换为BS与高速公路之间的距离(Dbs2highway)，本公开的实施例可以应用于HSH环境。
图3是示意了根据本公开实施例的多普勒频移补偿装置300的框图。
如图3所示，多普勒频移补偿装置300包括：参数配置单元310、角度测量单元320、速度计算单元330、频移估计单元340、频移补偿触发单元350和频移补偿单元360。
参数配置单元310主要用于设置系统信息，包括BS和UE/火车的高度(Hbs和Htrain)、小区的半径(Radius)、BS与轨道之间的距离(Dbs2rail)、以及与UE通信的中心频率(fc)。这些参数是影响多普勒频移的物理信息。参数配置单元310中的参数可以经由本地维护终端或运营支持系统(OSS)来配置。
角度测量单元320负责测量来自UE/火车的信号的到达角度(AOA)。LTE和LTE-A系统的UE和BS具有多天线以支持MIMO特征。根据3GPP的标准，在上行链路，UE的天线之一可以连接至BS的天线。UE周期性地报告其CQI(信道质量索引)。因此，角度测量单元320可以使用该CQI报告，例如通过采用任何合适的现有技术，来计算来自UE/火车的信号的AOA。通过使用周期(△t)中的两个连续CQI报告，角度测量单元320可以测量在该周期的起点和终点处的AOA(图4中的β和β’)。
速度计算单元330可以基于参数配置单元310和角度测量单元320的信息来计算UE/火车的速度(v)。速度计算单元330可以根据周期中的角度和物理信息的差值来计算速度。周期(△t)可以设置为10ms的倍数。周期(△t)越短，精度越高，但是开销也越多。周期(△t)越长，精度越低，但是开销也越少。因此，根据系统要求，可以基于精度和开销之间的折衷来设置周期(△t)。
图4是示意了用于HSR的系统模型的示意图。
在图4中，在△t的周期中，火车从点e移动至另一点e’。角度测量单元320测量的在该周期△t的起点和终点处的AOA分别为β和β’。因此，速度计算单元330将火车中的UE的速度(v)计算为：
v = ( H bs - H train ) 2 + D bs 2 rail 2 * ( tgβ - tg β ′ ) Δt - - - ( 1 )
频移估计单元340根据所测量的AOA、所计算的UE/火车的速度和所配置的与UE通信的中心频率，估计多普勒频移。再参照图4，利用所测量的AOAβ’、所计算的UE/火车的速度v、所配置的与UE通信的中心频率fc以及真空中的光速c、频移估计单元340将多普勒频移fd估计为：
f d = f c * v c * sin β ′ = f c * ( H bs - H train ) 2 + D bs 2 rail 2 * ( tgβ - tg β ′ ) c * Δt * sin β ′ - - - ( 2 )
在检查触发条件之后，频移补偿触发单元350可以触发频移补偿单元360基于从频移估计单元340输出的所估计的多普勒频移fd来执行频率补偿。根据本公开的该实施例，提供了两个补偿模式，一个是精确补偿模式，另一个是混合补偿模式。在精确补偿模式中，频移补偿单元360在每个周期中均被触发，以补偿由频移估计单元340估计的精确多普勒频移。在混合补偿模式中，在对稳定阶段中的所估计的多普勒频移范围进行步进检查之后，触发频移补偿单元360。在混合补偿模式中，UE的多普勒频移的完整跨度被分为多个范围，对于每个范围，利用该范围的中值来补偿多普勒频移。例如，UE的多普勒频移的完整跨度[0，850Hz]被分为3个范围：[0，200Hz)、[200Hz，650Hz)以及[650Hz，850Hz]。如果频移估计单元340估计的多普勒频移稳定地落入[650Hz，850Hz]，则触发频移补偿单元360以补偿750Hz的多普勒频移。
图5是示意了根据本公开实施例的频移补偿触发单元350的操作的流程图，其中具有3个划分范围作为示例。
在图5中，在步骤S501，频移补偿触发单元350从频移估计单元340获得在第一预定数目(例如n1＝5)的周期中估计的多个多普勒频移。在步骤S503，频移补偿触发单元350确定所估计的多普勒频移是否在稳定阶段。例如，如果多普勒频移的改变小于50Hz每秒，则将该阶段确定为稳定。否则，将该阶段确定为快速改变。如果多普勒频移处于快速改变阶段(不稳定)(步骤S503：否)，则在步骤S505，频移补偿触发单元350在每个周期(例如50ms)中触发频移补偿单元360补偿频移估计单元340所估计的精确多普勒频移(精确补偿模式)。如果多普勒频移处于稳定阶段(步骤S503：是)，则在步骤S507和S509，频移补偿触发单元350确定多普勒频移处于哪个范围。如果多普勒频移处于低范围(例如[0，200Hz))(步骤S507：是)，则频移补偿触发单元350不触发频移补偿单元360，因为UE现在被确定为缓慢移动。如果多普勒频移处于中间范围(例如[200Hz，650Hz))(步骤S509：是)，则在步骤S511，频移补偿触发单元350在第二预定数目(例如n2＝20)的周期中触发频移补偿单元360补偿中间范围的中值(例如(200Hz+650Hz)/2＝425Hz)(混合补偿模式)。如果多普勒频移处于高范围(例如[650Hz，850Hz])(步骤S509：否)，则在步骤S513，频移补偿触发单元350在第三预定数目(例如n3＝10)的周期中触发频移补偿单元360补偿高范围的中值(例如(650Hz+850Hz)/2＝750Hz)(混合补偿模式)。根据系统要求，第一、第二和第三预定数目可以相同(例如以下在[仿真]部分中)或不同(例如以上)。
对此，可以以较少的开销来补偿稳定阶段中的多普勒频移，可以减少补偿调整次数。
备选地，在混合补偿模式中，可以计算来自频移估计单元340的在第一预定数目(例如5)的周期中估计的多个多普勒频移的均值。利用所估计的多普勒频移的均值，可以在第二或第三预定数目的周期中触发频移补偿单元360补偿所计算的平均多普勒频移。
此外，如果在第一预定数目(例如5)的周期中，UE正在从源BS移动至目的地BS，则在这两个BS之间将发生UE的切换。例如，在UE切换时，源BS1已经利用其频移估计单元340在前2个周期中估计了UE的多普勒频移。然后，源BS1将在前2个周期中估计的多普勒频移传送至目的地BS2。目的地BS2将利用其频移估计单元340在剩余3个周期中估计UE的多普勒频移。然后，源BS1估计的前2个周期中的多普勒频移和目的地BS2估计的剩余3个周期中的多普勒频移均将输入至目的地BS2的频移补偿触发单元350。这两个BS利用BS间接口(如LTE系统中的X2接口或S1接口)通信。如果这两个BS连接至相同的移动性管理实体(MME)，则可以经由X2接口将估计信息从源BS传送至目的地BS。如果这两个BS连接至不同的MME，则可以经由S1接口将估计信息从源BS传送至目的地BS。X2接口和S1接口是在LTE和LTE-A系统中可用的接口，因此为了简洁，省略对其的详细描述。
频移补偿单元360基于来自频移补偿触发单元350的指令来补偿频移。可以使用任何现有多普勒频移补偿方法。为了简洁清楚，省略了详细描述。
[仿真]
图6是示意了用于HSR的仿真场景的示意图。在该仿真场景中使用以下参数。
表1参数
参数 值 注释
Hbs 35m BS高度
Htrain 5m 火车高度
Dbs2rail 100m BS与轨道之间的距离
fc 2.6GHz 与UE通信的中心频率
Cell 3BSs 小区包含3个BS
Radius 2000m BS的覆盖半径
Dbs2bs 3600m 两个BS之间的距离
Time 500s 仿真时间
△t 10ms 估计周期
n1 5 稳定阶段检查周期，以△t计
n2 n1 中间范围的混合补偿周期
n3 n1 高范围的混合补偿周期
3个BS形成小区(Cell)。小区的半径(Radius)是2000m，两个BS之间的距离(Dbs2bs)是3600m。此外，仿真时间(Time)是500秒。BS和UE/火车的高度(Hbs和Htrain)分别是35m和5m。BS与轨道之间的距离(Dbs2rail)是100m。与UE通信的中心频率(fc)是2.6GHz。在仿真中，为了简洁易懂，第一、第二和第三预定数目(n1、n2和n3)设置为彼此相同：n1＝n2＝n3＝5At＝50ms。
图7是示出了高速火车的速度的图。如图7所示，第一阶段处于加速状态(时间：1～35s，速度：0～350km/h)。第二阶段处于匀速状态(时间：36～465s，速度：350km/h)。最后阶段处于减速状态(时间：466～500s，速度：350～0km/h)。图8是示出了高速火车的对应位置信息的图。
图9(a)～(c)是示出了多普勒频移和补偿的仿真结果的图。
图9(a)示出了500秒的仿真时间的完整跨度，图9(b)示出了前100秒中的加速状态，图9(c)示出了最后100秒中的减速状态。在图9(a)～(c)中，菱形标记的曲线示出了无补偿的多普勒频移。最大频移约842Hz，并且最大变化是在两个基站的边缘处。频移约1684Hz。方形标记的曲线表示具有精确补偿的频移。该曲线几乎等于零。然而，这意味着系统应当频繁调整补偿值。三角形标记的曲线示出了具有混合模式补偿的频移。在稳定阶段中，补偿范围被设置为[642，842]和[-842，-642]，其中值为742和-742。在快速改变阶段中，补偿采用精确模式。这意味着系统可以减少补偿调整次数并实现折衷。稳定阶段与快速改变阶段的比例约为10∶1。
本公开可以提供在HSR/HSH中估计多普勒频移的方案，尤其对于LTE和LTE-A的无线网络。本公开还提出了混合或精确模式的触发决定方法，以补偿多普勒频移。混合模式可以减少计算机复杂度和补偿次数。本公开可以解决多普勒频移补偿的问题，包括BS内和BS间。在LTE和LTE-A中，可以利用X2或S1接口来传送BS间估计信息。本公开可以提高通信系统信号质量并提高吞吐量。
所公开的技术可以在BS中实现，而对UE无任何修改。所公开的技术适于高移动性场景。其可以补偿多普勒频移并提高信号质量。所公开的技术可以用于具有AOA测量能力的任何合适系统，例如，LTE(如TD-LTE、FD-LTE)、LTE-高级(如TD-LTE-A、FD-LTE-A)、TD-SCDMA等。
以上描述仅给出了本公开的实施例，而不应以任何方式限制本公开的范围。因此，在本公开的精神和原理之内做出的任何修改、替换、改进等应当包含在本公开的范围内。
缩写
参考文献
3GPP TS36.101，EVolVed Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)；User Equipment(UE)radio transmission and receptionAvailable：http：//www.3gPp.org/ftp/Specs/html-info/36101.htm；
3GPP TS36.104，EVolVed Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)；Base Station(BS)radio transmission and receptionAvailable：http：//www.3gPp.org/ftp/Specs/html-info/36104.htm；
3GPP TS36.141，EVolVed Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)；Base Station(BS)conformance testingAvailable：http：//www.3gPp.org/ftp/Specs/html-info/36141.htm。

Claims (16)

1.一种多普勒频移补偿装置，包括：
角度测量单元，被配置为测量用户设备UE的到达角度AOA信息；
速度计算单元，被配置为基于所测量的AOA信息来计算UE的速度信息；
频移估计单元，被配置为基于所测量的AOA信息和所计算的UE的速度来估计UE的多普勒频移；
频移补偿触发单元，被配置为基于所估计的UE的多普勒频移来触发多普勒频移补偿；以及
频移补偿单元，基于从频移补偿触发单元接收的触发指令，执行多普勒频移补偿。
2.根据权利要求1所述的多普勒频移补偿装置，其中
所述频移补偿触发单元被配置为将UE的多普勒频移的完整跨度分为多个范围，以及
如果在第一预定数目的估计周期中估计的UE的多普勒频移落入同一范围，则所述频移补偿触发单元被配置为将所述同一范围确定为稳定范围。
3.根据权利要求2所述的多普勒频移补偿装置，其中
所述频移补偿触发单元被配置为，在第二预定数目的估计周期中，利用所述稳定范围的中值，或者在所述第一预定数目的估计周期中估计的UE的多普勒频移的均值，触发混合补偿模式的多普勒频移补偿。
4.根据权利要求2所述的多普勒频移补偿装置，其中
所述频移补偿触发单元被配置为，如果频移补偿触发单元未确定稳定范围，则在每个估计周期中，利用所估计的UE的多普勒频移，触发精确补偿模式的多普勒频移补偿。
5.根据权利要求2～4中任一项所述的多普勒频移补偿装置，其中
如果所述UE正在从多普勒频移补偿装置所属的基站BS移动至另一BS，则：
所述多普勒频移补偿装置被配置为经由BS间接口，将在所述第一预定数目的估计周期中的一些周期中估计的多普勒频移传送至所述另一BS；
和/或
如果所述UE正在从另一BS移动至所述多普勒频移补偿装置所属的基站BS，则：
所述多普勒频移补偿装置被配置为经由BS间接口，从所述另一BS接收在所述第一预定数目的估计周期中的一些周期中估计的多普勒频移；以及
所述频移估计单元被配置为：在所述第一预定数目的估计周期中的其余周期中，估计UE的多普勒频移。
6.根据权利要求5所述的多普勒频移补偿装置，其中，所述BS间接口是X2接口或S1接口。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的多普勒频移补偿装置，其中
所述角度测量单元被配置为：使用在估计周期的起点和终点分别报告的所述UE的信道质量索引CQI报告，测量所述UE的AOA信息。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的多普勒频移补偿装置，其中，所述多普勒频移补偿装置用于长期演进LTE系统、LTE-高级系统、或时分同步码分多址TD-SCDMA系统。
9.一种多普勒频移补偿方法，包括：
测量用户设备UE的到达角度AOA信息；
基于所测量的AOA信息来计算UE的速度信息；
基于所测量的AOA信息和所计算的UE的速度来估计UE的多普勒频移；以及
基于所估计的UE的多普勒频移来触发和执行多普勒频移补偿。
10.根据权利要求9所述的多普勒频移补偿方法，其中，所述频移补偿触发和执行步骤包括：
如果在第一预定数目的估计周期中估计的UE的多普勒频移落入同一范围，则将所述同一范围确定为稳定范围，其中UE的多普勒频移的完整跨度分为多个范围；
在第二预定数目的估计周期中，利用所述稳定范围的中值，或者在所述第一预定数目的估计周期中估计的UE的多普勒频移的均值，触发混合补偿模式的多普勒频移补偿。
11.根据权利要求10所述的多普勒频移补偿方法，其中，所述频移补偿触发和执行步骤还包括：
如果未确定稳定范围，则在每个估计周期中，利用所估计的UE的多普勒频移，触发精确补偿模式的多普勒频移补偿。
12.根据权利要求10或11所述的多普勒频移补偿方法，还包括：
如果所述UE正在从一个基站BS移动至另一BS，则经由BS间接口，将在所述第一预定数目的估计周期中的一些周期中估计的多普勒频移从所述一个BS传送至所述另一BS。
13.根据权利要求10或11所述的多普勒频移补偿方法，还包括：
如果所述UE正在从源基站BS移动至目的地BS，则：
在目的地BS处，经由BS间接口，从源BS接收在所述第一预定数目的估计周期中的一些周期中估计的多普勒频移；以及
在目的地BS处，在所述第一预定数目的估计周期中的其余周期中，估计所述UE的多普勒频移。
14.根据权利要求12或13所述的多普勒频移补偿方法，其中，所述BS间接口是X2接口或S1接口。
15.根据权利要求9～14中任一项所述的多普勒频移补偿方法，其中，所述UE的AOA信息是通过使用在估计周期的起点和终点分别报告的所述UE的信道质量索引CQI报告来测量的。
16.根据权利要求9～15中任一项所述的多普勒频移补偿方法，其中，所述多普勒频移补偿方法用于长期演进LTE系统、LTE-高级系统、或时分同步码分多址TD-SCDMA系统。
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