CN104836766A - 高速列车基站信号接收器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高速列车基站信号接收器。本发明的基站信号接收器针对信道时变性强和多普勒效应严重的状况，采用基于信道估计的空时解码，并且在信道估计当中利用自适应的采样窗口函数实现了可调节的频移抑制作用，并且通过对每个OFDM符号期间执行信道估计而适应了时变产生的影响。

Description

高速列车基站信号接收器

技术领域

本发明涉及高铁通信服务领域，更具体地，涉及一种高速列车基站信号接收器。

背景技术

WIFI技术是手机、平板设备、笔记本电脑等便携电子产品实现无线网络接入的主要手段。在各种室内环境中实现WIFI信号覆盖的技术目前已经相当成熟，当前WIFI技术的发展方向是在交通工具当中提供稳定可靠和具有较高数据传输速度的无线网络接入。

我国在高铁建设和研发方面已经逐渐走向世界前列，目前高铁已经成为了城际旅客运输的主要力量。通过在高铁列车车厢内覆盖WIFI，能够为乘客在长途旅行当中的网络访问带来极大的便利，满足移动互联网时代广大用户的基本信息需求，从而进一步提升高铁服务的品质和体验。

在高铁车厢实现WIFI接入的主要技术手段是安装车载多模式信号收发设备，该设备对外接入无线信号覆盖的移动蜂窝网络，通过移动接入实现与广域互联网的数据连接。车载多模式信号收发设备对内则在各个车厢提供WIFI热点，并且执行WIFI信号与蜂窝网络信号的转换。用户的终端设备通过车厢的WIFI热点连接到该车载多模式信号收发设备，并且执行双向的数据收发，车载多模式信号收发设备通过所述移动蜂窝网络实现了用户终端的互联网接入。

目前，在WIFI无线网络接入的环境下，用户终端一般需要网页浏览、即时通信、电子邮件、语音聊天、在线音视频观看等服务，对网络访问的带宽要求比较高；而且高铁列车乘客数量多，高铁WIFI接入系统需要承载的用户终端数量远远超过一般室内环境应用的WIFI设备。综合以上因素，所述车载多模式信号收发设备至少需要达到1000兆级以上的数据传输速率，才能够可靠和有效地保证车厢内网络访问的顺畅和稳定，取得较好的用户体验。

车载多模式信号收发设备所接入的移动蜂窝网络是通过高铁列车专用的地面基站系统来提供无线信号覆盖的。相比于一般的蜂窝基站，该专用地面基站系统需要面对高铁轨道沿线特殊的空间环境以及列车持续高速运行所带来的特别需要。具体而言，对多径效应所形成的MIMO信道进行利用是提高移动网络通信信道容量的有效途经，但高铁轨道的绝大多数路段处在空旷野外，因此沿线设立的地面基站所发射的信号由于缺少反射作用，普遍以直达路径的形式存在，不利形成较丰富的多径，沿不同路径到达的信号之间的相关性明显增强，因此降低了整体信道容量。列车的高速运动也会造成蜂窝小区的频繁切换，这会导致信道容量的波动性变化，给对通信实时性要求比较高的业务质量带来较大的影响。高铁列车非常高的运行速度还会产生比较严重的多普勒效应，即由于列车的运动带来无线信号的频移。多普勒效应所产生的频移具有很强的随机性，因而会使得信道特性不稳定，引发数据比特丢失，给通信质量带来不利影响。

在现有的高铁WIFI接入系统当中，为了克服上述技术障碍，可以采用以下介绍的手段。

在专用地面基站建设方面，采用了射频拉远技术，地面基站BS利用光纤来控制大量的沿着轨道分布设置的RAU(remote antenna unit)，从而实现了带状区域上的接力信号覆盖；基站BS控制至少两个与高铁列车的距离在预定范围以内的RAU协同执行信号发射，所述至少两个RAU采用单一频率发射相同的无线信号，通过空间分离布置的RAU在基站和列车之间建立了符合MIMO信道特性的通信链路，在不同的RAU与列车之间形成了信号的多径传输通路，从而有助于信道容量的提升。

现有技术中针对高速铁路应用环境的另一个改进手段是采用MIMO-OFDM空时编码。OFDM即正交频分复用，其将数据流通过串并变换转化为N路子数据流，分别用于调制N路子载波并进行并行传输。由于子数据流的速率是原始数据流的1/N，因此可以把宽带频率选择性信道划分为N个窄带平坦衰落信道。MIMO-OFDM空时编码是将MIMO信号收发与OFDM结合起来，一方面利用OFDM克服了多径传输中的频率选择性衰落问题，另一方面通过MIMO提高了OFDM编码的容量和频谱利用率。

现有的高铁WIFI接入技术所存在的主要问题包括以下方面。

首先，列车高速运动条件下的多普勒效应产生的负面影响不能得到良好的抑制。由于多普勒效应引起信号频移，造成OFDM子载波之间的相互干扰，这使得OFDM编码对多普勒效应引发的频移更加敏感，如果对其不加抑制，会影响整个MIMO-OFDM系统的性能。现有技术当中对抗多普勒效应的主要手段是在基站一侧执行AFC(Auto Frequency Correction)，通过在基站执行频率校正算法，自动校正基站发射比特流和接收器接收比特流二者的频率偏差，补偿多普勒效应的影响。但是该方法需要基站和列车接收器之间的交互，通信开销比较大，且加大了基站设备复杂度，增加了硬件成本。

其次，在实际应用当中，MIMO-OFDM系统一般采用可变幅度的子载波调制技术。在这种情况下，接收器需要获得信道状态信息才能够实现相干解调和空时译码。但是，在高铁列车的运行状态下，伴随着其极高速度的空间移动以及基站小区的频繁切换，接收器所处的信道环境是未知并且复杂多变的，这给接收器高精度的信道状态估计造成了很大的困难。

对于实现高铁列车WIFI接入的车载多模式信号收发设备来说，基站信号接收器是其中用来接收基站发射信号的主要部件。基站信号接收器决定了下行链路的数据传输速率、可靠性和稳定性，对判断基站和列车之间的信道质量从而执行上行数据传输也具有重要作用。因此，如何构造性能良好的基站信号接收器，克服多普勒效应的不利影响，实现准确的信道状态估计，是现有技术当中亟待解决的突出问题。

发明内容

基于现有技术中的上述缺陷，本发明提供了一种高速列车基站信号接收器。本发明的基站信号接收器针对信道时变性强和多普勒效应严重的状况，采用基于信道估计的空时解码，并且在信道估计当中利用自适应的采样窗口函数实现了可调节的频移抑制作用，并且通过对每个OFDM符号期间执行信道估计而适应了时变产生的影响。

本发明所述的高速列车基站信号接收器，其特征在于，包括至少四组接收天线以及MIMO-OFDM接收结构；所述接收天线分别在彼此独立的多径信道上接收由基站通过射频拉远技术发送的并行MIMO-OFDM调制信号；所述MIMO-OFDM接收结构包括OFDM解调单元、空时解码单元以及信道估计单元；所述OFDM解调单元对各路接收天线接收的MIMO-OFDM调制信号分别进行OFDM解调；所述信道估计单元执行信道估计获得信道参数；所述空时解码单元通过信道估计单元获得所述信道参数，并且基于该信道参数进行空时解码；并且，所述信道估计单元将自适应窗口函数施加到各路接收天线的信号进行采样，自适应窗口函数可以降低对由于多普勒效应引起的OFDM载波频率偏移的灵敏性。

优选的是，所述信道估计单元所施加的自适应窗口函数采用时域二阶多项式窗口函数，并且通过自适应地调节二阶多项式的参数来改变窗口函数形状。

优选的是，所述信道估计单元包括：窗口采样单元，用于将所述自适应窗口函数施加到各路接收天线的信号进行采样；频响估计单元，利用采样的信号点进行信道在特定子载波上的频响估计计算。

进一步优选的是，所述自适应窗口函数如下式：

其中T_u是OFDM调制的数据符号时间长度，α是自适应窗口函数的滚降系数，函数是二阶多项式函数，可以表示为其中二阶多项式的各阶系数a₁、a₁、a₂是自适应可调的。

进一步优选的是，所述窗口采样单元可以针对各路接收天线接收的信号首先执行时域扩展处理，即将原始的时域接收信号y(t)附加到该时域接收信号y(t)之上，表示为：

$y\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}y(t+T_u)& -T_u\&le;t<0\\ y\left(t\right)& 0\&le;t<T_u\end{array}\right.$

这样就将时域接收信号在时域上的信号长度从T_u扩展到2T_u；进而，窗口采样单元针对时域扩展处理之后的时域接收信号采用自适应窗口函数进行窗口采样计算。

进一步优选的是，所述窗口采样单元对采用自适应窗口函数进行窗口采样计算之后的信号采样2N个信号点，所述频响估计单元根据下式计算H_n(k)：

Y_n，k＝H_n(k)X_n，k+N_n，k

其中X_n，k是在第k个子载波上承载的第n个OFDM符号，Y_n，k是接收器在第k个子载波上所获得的第n个OFDM符号，H_n(k)是传输第n个OFDM符号时刻第k个子载波上的信道频响，N_n，k表示传输第n个OFDM符号时刻第k个子载波上的高斯白噪声；频响估计单元通过2N个信号点的采样值序列来表示的Y_n，k，并且通过与发射信号的导频序列构成的X_n，k进行运算可以计算出H_n(k)值。

进一步优选的是，所述MIMO-OFDM接收结构还包括：反馈控制单元，获得空时解码单元关于解码的反馈参数，并且基于该反馈参数对所述二次多项式的各阶系数a₀、a₁、a₂进行自适应调制。更进一步优选的是，所述反馈参数是误码率。

可见，本发明提供了一种应用于高铁列车的基站信号接收器，其采用了改进的信道估计架构和算法，通过准确、实时和自适应的信道状态估计克服了多普勒效应的不利影响，改善了高铁WIFI系统当中下行链路的数据传输速率、可靠性和稳定性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明的高速列车基站信号接收器所采用的MIMO-OFDM接收结构示意图。

图2A和2B分别示出了式(2)的自适应窗口函数在时域和频域的波形图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例及实施例附图对本发明作进一步详细的说明。

本发明的高速列车基站信号接收器所采用的MIMO-OFDM接收结构如附图1所示。所述高速列车基站接收器采用至少四组接收天线RX100、RX101、RX102以及RX103，接收天线分别在彼此独立的多径信道上接收由基站通过射频拉远技术发送的并行OFDM调制信号；对各路接收天线RX100-RX103接收的OFDM调制信号通过OFDM解调单元110、111、112以及113分别执行OFDM解调。为了对OFDM解调后的信号实现空时解码，空时解码单元120需要通过由信道估计单元130、131、132、133分别执行信道估计获得信道参数，然后利用信道参数进行均衡，消除信道上的多普勒效应以及信号衰落所造成的失真。下面以信道估计单元130为例进行具体说明，其余信道估计单元的结构和功能与之相同。

为了消除列车高速运动过程中多普勒效应带来的频移的不良影响，本发明的信道估计单元130具有窗口采样单元1301，在执行OFDM解调之前，将自适应窗口函数施加到各路接收天线的信号进行采样，自适应窗口函数可以降低对由于多普勒效应引起的OFDM载波频率偏移的灵敏性，提高信道估计的性能。

所述窗口采样单元1301所施加的自适应窗口函数采用时域二阶多项式窗口函数，并且通过自适应地调节二阶多项式的参数来改变窗口函数形状，从而最优化自适应窗函数对OFDM载波频率偏移的抑制。

具体来说，假设任一接收天线的时域接收信号y(t)如式(1)所示：

$y\left(t\right)=e^{j(2\mathrm{\&pi;\&Delta;ft}+\mathrm{\&theta;})}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_k{e}^{j2\mathrm{\&pi;}{f}_{k}t}---\left(1\right)$

其中Δf表示该接收信号的OFDM载波的频率偏移，θ表示相位偏移，N表示OFDM调制的子载波总数，f_k表示第k个子载波的载波频率。

所述窗口采样单元1301采用的自适应窗口函数如下式(2)：

其中T_u是OFDM调制的数据符号时间长度，α是自适应窗口函数的滚降系数，函数是二阶多项式函数，可以表示为其中二阶多项式的各阶系数a₁、a₁、a₂是自适应可调的。在滚降系数α取定值(如等于0.5)的情况下，通过调节各阶系数a₀、a₁、a₂，可以使获得最优化的采样窗口，该采样窗口按照二阶多项式函数实现滚降，能够最大限度降低对载波频移的敏感度，从而实现更加良好的信道估计性能。

由于多普勒效应，使得不同载波上的发送信号出现载波频率偏移，造成某接收天线的接收信号与所有子载波上的发送信号都出现相关性。图2A和2B分别示出了式(2)的自适应窗口函数在时域和频域的波形图。从频域波形图可以看到，采用二阶多项式函数构造的自适应窗口函数具有主瓣带宽窄、旁瓣峰值较小的频域特性，因此可以实现窄带滤波以及旁瓣的削弱，这样使得除了采样所针对的特定子载波之外的其它子载波被尽可能的削弱，在存在因为多普勒效应而造成的载波频移的状态下，通过窗口采样，使得期望接收的子载波的信号尽量不被削弱，而是主要削弱其它子载波信号，从而降低了子载波之间相互干扰的影响，提高了信号接收精度，增强了对载波频移的抗干扰能力。

作为优选的方案，窗口采样单元1301可以针对时域接收信号y(t)首先执行时域扩展处理，即将原始的时域接收信号y(t)附加到该时域接收信号y(t)之上，表示为式(3)：

$y\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}y(t+T_u)& -T_u\&le;t<0\\ y\left(t\right)& 0\&le;t<T_u\end{array}\right.$

这样就将时域接收信号在时域上的信号长度从T_u扩展到2T_u。进而，窗口采样单元1301针对时域扩展处理之后的时域接收信号采用自适应窗口函数进行窗口采样计算，如式(4)：

$y^{\&prime;}\left(t\right)=y\left(t\right)\&CircleTimes;w\left(t\right)---\left(4\right)$

其中表示时域卷积，y′(t)是采用自适应窗口函数采样计算之后的信号。

对于经过自适应窗口函数采样处理之后的y′(t)，在经过了时域扩展处理的前提下，接下来由窗口采样单元1301采样2N个信号点。信道估计单元130的频响估计单元1302利用采样的2N个信号点进行信道在特定子载波上的频响估计计算。

信道的频响可以用以下式(5)来表示：

Y_n，k＝H_n(k)X_n，k+N_n，k   (5)

其中X_n，k是在第k个子载波上承载的第n个OFDM符号，Y_n，k是接收器在第k个子载波上所获得的第n个OFDM符号，H_n(k)是传输第n个OFDM符号时刻第k个子载波上的信道频响，N_n，k表示传输第n个OFDM符号时刻第k个子载波上的高斯白噪声。信道估计计算的目标就是估计出H_n(k)。估计出来的信道频响作为信道参数被提供给空时解码单元120。

为了实现低复杂度和高性能的信道估计，MIMO-OFDM系统在各子载波上的信号发射时一般会在全部或者部分的子载波当中插入导频。接收端利用导频估算特定子载波上的频响，然后利用该频响估计其它子载波的频响。由于在高铁列车的高速运行过程中，信道呈现出较快的时变特性，因此要连续地对各个OFDM符号分别进行信道估计，并更新相应地频响参数。因此，通过2N个信号点的采样值序列来表示的Y_n，k，并且通过与发射信号的导频序列构成的X_n，k进行运算可以计算出H_n(k)值。由于需要适应信道的时变特性，因此对于每个OFDM符号都要进行信道估计并计算相应的H_n(k)值。

空时解码单元120利用信道估计获得的H_n(k)值实现均衡和解码。反馈控制单元140、141、142、143获得空时解码单元120关于解码的反馈参数，例如误码率，并且基于该反馈参数对所述二次多项式的各阶系数a₀、a₁、a₂进行自适应调制，从而达到采样窗口的最优化。

可见，本发明提供了一种应用于高铁列车的基站信号接收器，其采用了改进的信道估计架构和算法，通过准确、实时和自适应的信道状态估计克服了多普勒效应的不利影响，改善了高铁WIFI系统当中下行链路的数据传输速率、可靠性和稳定性。

以上描述中的尺寸和数量均仅为参考性的，本领域技术人员可根据实际需要选择适当的应用尺寸，而不脱离本发明的范围。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 (7)

1.一种高速列车基站信号接收器，其特征在于，包括至少四组接收天线以及MIMO-OFDM接收结构；所述接收天线分别在彼此独立的多径信道上接收由基站通过射频拉远技术发送的并行MIMO-OFDM调制信号；所述MIMO-OFDM接收结构包括OFDM解调单元、空时解码单元以及信道估计单元；所述OFDM解调单元对各路接收天线接收的MIMO-OFDM调制信号分别进行OFDM解调；所述信道估计单元执行信道估计获得信道参数；所述空时解码单元通过信道估计单元获得所述信道参数，并且基于该信道参数进行空时解码；并且，所述信道估计单元将自适应窗口函数施加到各路接收天线的信号进行采样，自适应窗口函数可以降低对由于多普勒效应引起的OFDM载波频率偏移的灵敏性。

2.根据权利要求1所述的高速列车基站信号接收器，其特征在于，所述信道估计单元所施加的自适应窗口函数采用时域二阶多项式窗口函数，并且通过自适应地调节二阶多项式的参数来改变窗口函数形状。

3.根据权利要求2所述的高速列车基站信号接收器，其特征在于，所述自适应窗口函数如下式：

其中T_u是OFDM调制的数据符号时间长度，α是自适应窗口函数的滚降系数，函数是二阶多项式函数，可以表示为其中二阶多项式的各阶系数a₁、a₁、a₂是自适应可调的。

4.根据权利要求3所述的高速列车基站信号接收器，其特征在于，所述窗口采样单元可以针对各路接收天线接收的信号首先执行时域扩展处理，即将原始的时域接收信号y(t)附加到该时域接收信号y(t)之上，表示为：

$y\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}y(t+T_u)& -T_u\&le;t<0\\ y\left(t\right)& 0\&le;t<T_u\end{array}\right.$

这样就将时域接收信号在时域上的信号长度从T_u扩展到2T_u；进而，窗口采样单元针对时域扩展处理之后的时域接收信号采用自适应窗口函数进行窗口采样计算。

5.根据权利要求4所述的高速列车基站信号接收器，其特征在于，所述窗口采样单元对采用自适应窗口函数进行窗口采样计算之后的信号采样2N个信号点，所述频响估计单元根据下式计算H_n(k)：

Y_n，k＝H_n(k)X_n，k+N_n，k

其中X_n，k是在第k个子载波上承载的第n个OFDM符号，Y_n，k是接收器在第k个子载波上所获得的第n个OFDM符号，H_n(k)是传输第n个OFDM符号时刻第k个子载波上的信道频响，N_n，k表示传输第n个OFDM符号时刻第k个子载波上的高斯白噪声；频响估计单元通过2N个信号点的采样值序列来表示的Y_n，k，并且通过与发射信号的导频序列构成的X_n，k进行运算可以计算出H_n(k)值。。

6.根据权利要求5所述的高速列车基站信号接收器，其特征在于，所述MIMO-OFDM接收结构还包括：反馈控制单元，获得空时解码单元关于解码的反馈参数，并且基于该反馈参数对所述二次多项式的各阶系数a₀、a₁、a₂进行自适应调制。

7.根据权利要求6所述的高速列车基站信号接收器，其特征在于，所述反馈参数是误码率。