CN105897633B - 一种高铁宽带专网高动态转换系统的多普勒频移微调方法 - Google Patents

一种高铁宽带专网高动态转换系统的多普勒频移微调方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高铁宽带专网高动态转换系统的多普勒频移微调方法，采用高铁宽带专网高动态转换系统的多普勒频移微调系统，该系统包括GNSS与惯导组合导航接收机、高铁专网电子地图、频率控制模块和射频/中频转换模块.本发明的高铁宽带专网高动态转换系统的多普勒频移微调方法可以有效改善高铁通信环境下车地通信链路的质量，提高铁列车用户的通信速率。

Description

一种高铁宽带专网高动态转换系统的多普勒频移微调方法
技术领域
本发明属于移动通信领域，更具体地，涉及一种高铁宽带专网高动态转换系统的多普勒频移微调方法。
背景技术
目前，我国运营高铁总里程已达2万公里，居世界首位，未来到2020年，运营里程数将达到14.5万公里以上。中国高铁是我国在全球竞争中的一张王牌，未来必将掀起一股中国高铁风暴。但是高铁列车运营速度达到350km/h以上，导致常规的地面移动网络无法为乘客提供满意的2G/3G通信服务，对多媒体、internet网络等更没有实现完美支持。
先进的高铁动力技术与落后的高铁信息服务技术方面的巨大矛盾，成为制约高铁进一步发展和走出去的瓶颈。
列车高速运行带来的多普勒频移、信令风暴和信号穿透车厢损耗是导致2G/3G地面移动网通信性能恶化的主要原因。缩短地面通信基站间距离，构造近似直射穿透车厢的通信模型，可以降低穿透损耗。
中兴通讯股份有限公司在申请号为200810104654.3的中国专利申请中提出，通过基站对上行信号的多普勒频移进行估计和补偿，并将此信号作为下行信号的参考，同时可以缓解多普勒频移对通信链路的影响。
还有一种观点是增加基站数量，改造现有通信基站，构成“塔海”通信系统。而这必将导致高铁通信专网系统建设成本暴涨，后续维护费用也成倍增加。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述不足，提供一种高铁宽带专网高动态转换系统的多普勒频移测量及修正方法，从终端解决高速运动带来的多普勒频移的问题，从而以较小的成本保障高铁列车高速运动情况下通信信息稳定可靠的传输。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高铁宽带专网高动态转换系统的多普勒频移微调方法，采用多普勒频移微调系统，该系统包括GNSS与惯导组合导航接收机、高铁专网电子地图、频率控制模块和射频/中频转换模块(RICM)；
该方法包括以下步骤：
步骤(1)：获取GNSS与惯导组合导航接收机提供的定位位置信息C0(X0，Y0，Z0)；
步骤(2)：查询高铁专网电子地图，获取所定位的位置周围最近的通信基站位置信息B1(XB1，YB1，ZB1)，B2(XB2，YB2，ZB2)；
步骤(3)：计算C0和B1、B2的距离，令C0B1＝D10，C0B2＝D20，则
步骤(4)：再次获取GNSS与惯导组合导航接收机提供的定理位置信息C1，并替代C0数值代入公式(1)和(2)，计算C1B1＝D11和C1B2＝D21。
定位时间间隔为Δt，列车相对于基站的运动速度近似为：
步骤(5)：频率控制模块分别针对通信基站B1和B2，计算上行通信信号的中心频点Fu和下行通信信号的中心频点频率Fd的多普勒频移:
步骤(6)：根据列车实际定理位置和频率控制模块内置的基站信号覆盖范围R，选择本次计算采用实际基站的多普勒频移结果；
步骤(7)：频率控制模块对上述多普勒频移结果进行分析比较，若和前次发送至射频/中频转换模块(RICM)的频率配置不同，则将此结果发送至射频/中频转换模块(RICM)；若相同，则不发送数据；
步骤(8)：计算结果发送至射频/中频转换模块(RICM)后，将此组数据作为最新的频率控制字写入中频数字控制振荡器(NCO)寄存器，完成多普勒频率偏移的微调。
其中，步骤(4)中的GNSS与惯导组合导航接收机采用高精度测量型导航接收机，定位时间间隔Δt不大于50ms。
其中，步骤(5)中频率控制模块同时计算通信基站B1和B2多普勒频移，使覆盖范围重叠部分切换时的多普勒频移快速改正。
其中，所述GNSS与惯导组合导航接收机包括测量型GNSS天线、测量型GNSS导航接收机和惯性测量器件，用于测量高速运动的列车位置信息，与所述射频/中频转换模块(RICM)通过串行输入输出接口相连。
其中，所述高铁专网电子地图包括铁路路轨和沿线高铁专网通信基站的详细信息，存储在频率控制模块的存储器内。
其中，所述频率控制模块包括存储器、CPU和多个串行输入输出接口。
其中，射频/中频转换模块(RICM)包括多级射频中频转换模块，在中频端内置了数字控制振荡器(NCO)，用于调节发射和接收的中频信号频率，通过串行输入输出接口与室内基带模块(BBM)相连。
本发明的高铁宽带专网高动态转换系统的多普勒频移微调方法，以较低的成本实现了高铁列车车地通信的多普勒频移测量及修正问题，通过控制射频/中频转换模块(Radio frequency Intermediate frequency Covert Module，RICM)的中频数字控制振荡器(Numerically Controlled Oscillator，NCO)实现了高铁列车高速运动带来的通信多普勒频移修正问题，改善了车地通信链路。
附图说明：
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，采用以下附图：
图1是本发明的高铁宽带专网高动态转换系统的多普勒频移微调方法所采用的多普勒频移微调系统组成示意图；
图2是本发明的高铁宽带专网高动态LTE转换器(HIDT-LTE)射频/中频转换模块(RICM)组成示意图；
图3是高铁列车行驶中车地通信链路多普勒形成示意图；
图4是本发明的高铁宽带专网高动态转换系统的多普勒频移测量及修正流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
实施例一
如图1所示，本发明的高铁宽带专网高动态转换系统的多普勒频移微调方法所采用的多普勒频移微调系统包括全球卫星导航系统(GNSS)与惯导组合导航接收机、高铁专网电子地图、频率控制模块和射频/中频转换模块(RICM)。
所述GNSS与惯导组合导航接收机包括测量型GNSS天线、测量型GNSS导航接收机和惯性测量器件，用于测量高速运动的列车位置信息，与所述射频/中频转换模块(RICM)通过串行输入输出接口相连。
所述高铁专网电子地图包括铁路路轨和沿线高铁专网通信基站的详细信息，存储在频率控制模块的存储器内。其显示形状为随高铁路轨而变化的狭长形状；其显示内容为高铁路轨及路轨沿线的通信基站详细信息，包括：铁路路轨的经度、纬度、高度信息，通信基站的有效覆盖半径，基站铁塔高度，基站天线高度，基站铁塔距离路轨最短距离信息等。
所述频率控制模块包括存储器、CPU和多个串行输入输出接口。存储器可以存储高铁专网电子地图，可以存储计算过程中的各种数据；CPU具备快速解算加减乘除开方等运算的能力；由于有多个外设，CPU具有中断式收发串行数据的能力：接收GNSS与惯导组合导航接收机测量的列车位置信息的能力；根据高铁专网电子地图和列车位置信息，计算多普勒频率偏移，并通过串行输入输出接口发送至RICM。
所述RICM具备收发射频模拟信号、中频数字信号的能力，特别是具备收发3.4GHz-3.6GHz模拟信号的能力；具备将接收到的射频模拟信号转换为中频数字信号的能力，其中频输出频点和电平值是可以精细调节的，特别是其中频输出频点，可以根据外部的指令调至理论输出值的2Hz偏差范围内；具备将中频数字信号转换为射频模拟信号的能力，其射频模拟信号频点可以精确的预分配多普勒频移数值，使得发射的射频模拟信号更好的符合标准LTE设备的工作频点。
RICM包括多级射频中频转换模块，在中频端内置了数字控制振荡器(NumericallyControlled Oscillator，NCO)，用于调节发射和接收的中频信号频率，NCO模块的频率可以通过配置频率控制字实现，并且从NCO接收到频率变更控制字到频率实际更改至稳定频点时间在ms级时间范围内。
如图2所示，RICM通过串行输入输出接口分别与室内基带模块(Building Baseband Module，BBM)和频率控制模块相连。RICM采用模拟射频，数字中频设计方式，采用了多级变频模式，收发数字信号频率的精细控制功能可在数字中频端实现。RICM在发射信号时，BBM发射的数字中频信号经过D/A转换后，进入中频放大器，放大后的信号经带通滤波器后，进入混频器。混频器将滤波后的中频信号变频至高频模拟信号，此信号进一步经功率放大器放大、发阻滤波器滤波后，最后被发射天线发射出去。在接收信号时，接收天线收到射频模拟信号，此信号经收阻带通滤波器后进入低噪放大器，放大后的信号直接进入混频器，混频后的信号已经变成中频模拟信号，进一步经带通滤波、中频放大后，进入AD转换模块；AD采样后的信号进一步处理后进入BBM。
如图3所示，是高铁列车行驶中车地通信链路多普勒形成示意图，高铁列车进入通信基站覆盖范围内后，列车与基站的距离不断快速改变，距离改变率等效于列车和基站的相对速度，根据多普勒频移的原理，存在相对运动速度的发射源和接收端之间存在着信号频率偏移。当列车不断靠近通信基站时，信号频率不断增加，列车驶离通信基站时，信号频率不断减少。
如图4所示，本发明的高铁宽带专网高动态转换系统的多普勒频移微调步骤包括收集数据、处理数据和对数据修正，具体为：
步骤(1)，GNSS与惯导组合导航接收机实时测量高铁列车的位置信息，位置信息的参考坐标系可以为地心地固坐标系，此实施例的参考坐标系为地心地固直角坐标系；定位频次20Hz，定位精度优于1m，则定位间隔Δt为50ms；位置信息的测量结果通过串行通信接口发送至频率控制模块。
步骤(2)，将高精度的高铁专网电子地图存储在频率控制模块中；所述的高铁专网电子地图信息是由专业的测绘机构提供，其位置精度应优于1m；所述的高铁专网电子地图还应提供基站天线的覆盖半径Rkm，在本实施例中，R取20km；所述的频率控制模块，可以是单片机、PC、PDA或者其他具有高速数据处理能力的装置，需要配置多个串行通信接口，本实施例选择支持存储扩展功能的，带有2个串行通信接口的8位单片机作为为频率控制模块的核心装置。
步骤(3)，根据高铁列车位置信息，结合频率控制模块内置的高铁专网电子地图，查询附近最近的通信基站B1和B2的信息，频率控制模块将按照公式计算列车与两个基站的距离：此实施例中，取D10＝15km，D20＝25km；
所述的通信基站的信息是通信天线的相位中心位置信息和天线覆盖半径信息，其中位置信息可以是经纬高格式的地心地固大地坐标系，也可以是X-Y-Z格式的地心地固大地坐标系。
步骤(4)，再次通过GNSS与惯导组合导航接收机采集高铁列车位置信息，时间间隔50ms，此时取D11＝14.995km，D21＝25.005km。
则V1＝100m/s；V2＝-100m/s；
步骤(5)，取上行通信信号的中心频点Fu为3460MHz，下行通信信号的中心频点Fd为3560Mhz。则根据公式(4)和(5)可以计算多普勒频移分别为：单位Hz。。
步骤(6)，基站B1和B2的覆盖半径R均取20km，则上述计算结果中，D11小于20km，则列车在B1覆盖范围内，
步骤(7)，频率控制模块对进行分析。频率控制模块具备存储发送内容记录功能，且其初始发送数据记录为[0,0]。本实施例中，若是初次发送，且待发送频率偏移值为[1154,1186]，因此，本次结果将被发送至RICM，并用[1154,1186]替换[0,0]。若不是初次发送，则需要将[1154,1186]和频率控制模块前次发送的数组比较，若一致则不发送信息；若不一致，则将[1154,1186]发送出去，并用[1154,1186]覆盖前次发送数组。
步骤(8)，RICM收到计算结果后，立刻将[1154,1186]分别写入RICM中频部分的NCO频率控制寄存器中，将RICM的发射中频频点调低1154Hz，将接收中频频点调低1186Hz，从而满足基站收到的通信信号频点为3560MHz，而车载终端接收到的信号频率为3460MHz。
实施例二
考虑到地形不同，基站通信天线的覆盖范围会有所变化，同时高铁的运动速度快，列车与基站之间的速度变化也很大。采用多普勒频移微调系统同实施例一。
步骤(1)，GNSS与惯导组合导航接收机实时测量高铁列车的位置信息，位置信息的参考坐标系可以为地心地固坐标系，此实施例的参考坐标系为地心地固直角坐标系；定位频次20Hz，定位精度优于1m，则定位间隔Δt为50ms；位置信息的测量结果通过串行通信接口发送至频率控制模块。
步骤(2)，将高精度的高铁专网电子地图存储在频率控制模块中；所述的高铁专网电子地图信息是由专业的测绘机构提供，其位置精度应优于1m；所述的高铁专网电子地图还应提供基站天线的覆盖半径R，在本实施例中，临近基站的覆盖半径R取10km和20km；所述的频率控制模块，可以是单片机、PC、PDA或者其他具有高速数据处理能力的装置，需要配置多个串行通信接口，本实施例选择支持存储扩展功能的，带有2个串行通信接口的8位单片机作为为频率控制模块的核心装置。
步骤(3)，根据高铁列车位置信息，结合频率控制模块内置的高铁专网电子地图，查询附近最近的通信基站B1和B2的信息，频率控制模块将按照公式计算列车与两个基站的距离：此实施例中，取D10＝11km，D20＝17km；
所述的通信基站的信息是通信天线的相位中心位置信息和天线覆盖半径信息，其中位置信息可以是经纬高格式的地心地固大地坐标系，也可以是X-Y-Z格式的地心地固大地坐标系。
步骤(4)，再次通过GNSS与惯导组合导航接收机采集高铁列车位置信息，时间间隔50ms，此时取D11＝11.004km，D21＝16.994km。
则V1＝-80m/s；V2＝120m/s；
步骤(5)，取上行通信信号的中心频点Fu为3460MHz，下行通信信号的中心频点Fd为3560Mhz。则根据公式(4)和(5)可以计算多普勒频移分别为： 单位Hz。考虑到频率控制精度，上述值取为：
步骤(6)，基站B1和B2的覆盖半径R分别取10km和20km，则上述计算结果中，D11大于10km，D21小于20km，则列车在B2覆盖范围内，
步骤(7)，频率控制模块对进行分析。频率控制模块具备存储发送内容记录功能，且其初始发送数据记录为[0,0]。本实施例中，若是初次发送，且待发送频率偏移值为[1384,1423]，因此，本次结果将被发送至RICM，并用[1384,1423]替换[0,0]。若不是初次发送，则需要将[1384,1423]和频率控制模块前次发送的数组比较，若一致则不发送信息；若不一致，则将[1384,1423]发送出去，并用[1384,1423]覆盖前次发送数组。
步骤(8)，RICM收到计算结果后，将[1384,1423]分别写入RICM中频部分的NCO频率控制寄存器中，将RICM的发射中频频点降低1384Hz，将接收中频频点减少1423Hz，从而满足基站收到的通信信号频点为3560MHz，而车载终端接收到的信号频率为3460MHz。
实施例三
考虑到地形不同，基站通信天线的覆盖范围会有所变化，同时高铁的运动速度快，列车与基站之间的速度变化也很大。采用多普勒频移微调系统同实施例一。
步骤(1)，GNSS与惯导组合导航接收机实时测量高铁列车的位置信息，位置信息的参考坐标系可以为地心地固坐标系，此实施例的参考坐标系为地心地固直角坐标系；定位频次20Hz，定位精度优于1m，则定位间隔Δt为50ms；位置信息的测量结果通过串行通信接口发送至频率控制模块。
步骤(2)，将高精度的高铁专网电子地图存储在频率控制模块中；所述的高铁专网电子地图信息是由专业的测绘机构提供，其位置精度应优于1m；所述的高铁专网电子地图还应提供基站天线的覆盖半径R，在本实施例中，临近基站的覆盖半径R取10km和20km；所述的频率控制模块，可以是单片机、PC、PDA或者其他具有高速数据处理能力的装置，需要配置多个串行通信接口，本实施例选择支持存储扩展功能的，带有2个串行通信接口的8位单片机作为为频率控制模块的核心装置。
步骤(3)，根据高铁列车位置信息，结合频率控制模块内置的高铁专网电子地图，查询附近最近的通信基站B1和B2的信息，频率控制模块将按照公式计算列车与两个基站的距离：此实施例中，取D10＝13km，D20＝16km；
所述的通信基站的信息是通信天线的相位中心位置信息和天线覆盖半径信息，其中位置信息可以是经纬高格式的地心地固大地坐标系，也可以是X-Y-Z格式的地心地固大地坐标系。
步骤(4)，再次通过GNSS与惯导组合导航接收机采集高铁列车位置信息，时间间隔50ms，此时取D11＝12.994km，D21＝16.005km。
则V1＝120m/s；V2＝-100m/s；
步骤(5)，取上行通信信号的中心频点Fu为3460MHz，下行通信信号的中心频点Fd为3560Mhz。则根据公式(4)和(5)可以计算多普勒频移分别为： 单位Hz。考虑到频率控制精度，上述值取为：
步骤(6)，基站B1和B2的覆盖半径R分别取10km和20km，则上述计算结果中，D11大于10km，D21小于20km，则列车在B2覆盖范围内，
步骤(7)，频率控制模块对进行分析。频率控制模块具备存储发送内容记录功能，且其初始发送数据记录为[0,0]。本实施例中，若是初次发送，且待发送频率偏移值为-[1154,1186]，因此，本次结果将被发送至RICM，并用-[1154,1186]替换[0,0]。若不是初次发送，则需要将-[1154,1186]和频率控制模块前次发送的数组比较，若一致则不发送信息；若不一致，则将-[1154,1186]发送出去，并用-[1154,1186]覆盖前次发送数组。
步骤(8)，RICM收到计算结果后，将-[1154,1186]分别写入RICM中频部分的NCO频率控制寄存器中，将RICM的发射中频频点增大1154Hz，将接收中频频点增大1186Hz，从而满足基站收到的通信信号频点为3560MHz，而车载终端接收到的信号频率为3460MHz。

Claims (6)

1.一种高铁宽带专网高动态转换系统的多普勒频移微调方法，其特征在于，采用多普勒频移微调系统，该系统包括GNSS与惯导组合导航接收机、高铁专网电子地图、频率控制模块和射频/中频转换模块RICM；
该方法包括以下步骤：
步骤(1)：获取GNSS与惯导组合导航接收机提供的定位位置信息C0(X0，Y0，Z0)；
步骤(2)：查询高铁专网电子地图，获取所定位的位置周围最近的通信基站位置信息B1(XB1，YB1，ZB1)，B2(XB2，YB2，ZB2)；
步骤(3)：计算C0和B1、B2的距离，令C0B1＝D10，C0B2＝D20，则
步骤(4)：再次获取GNSS与惯导组合导航接收机提供的定理位置信息C1，并替代C0数值代入公式(1)和(2)，计算C1B1＝D11和C1B2＝D21，
定位时间间隔为Δt，列车相对于基站的运动速度近似为：
步骤(5)：频率控制模块分别针对通信基站B1和B2，计算上行通信信号的中心频点Fu和下行通信信号的中心频点频率Fd的多普勒频移:
步骤(6)：根据列车实际定理位置和频率控制模块内置的基站信号覆盖范围R，选择本次计算采用实际基站的多普勒频移结果；
步骤(7)：频率控制模块对上述多普勒频移结果进行分析比较，若和前次发送至射频/中频转换模块RICM的频率配置不同，则将此结果发送至射频/中频转换模块RICM；若相同，则不发送数据；
步骤(8)：计算结果发送至射频/中频转换模块RICM后，将此组数据作为最新的频率控制字写入中频数字控制振荡器NCO寄存器，完成多普勒频率偏移的微调。
2.根据权利要求1所述的一种高铁宽带专网高动态转换系统的多普勒频移微调方法，其特征在于，步骤(4)中的GNSS与惯导组合导航接收机采用高精度测量型导航接收机，定位时间间隔Δt不大于50ms。
3.根据权利要求1所述的一种高铁宽带专网高动态转换系统的多普勒频移微调方法，其特征在于，所述GNSS与惯导组合导航接收机包括测量型GNSS天线、测量型GNSS导航接收机、惯性测量器件，用于测量高速运动的列车位置信息，与所述射频/中频转换模块RICM通过串行输入输出接口相连。
4.根据权利要求1所述的一种高铁宽带专网高动态转换系统的多普勒频移微调方法，其特征在于，所述高铁专网电子地图包括铁路路轨和沿线高铁专网通信基站的详细信息，存储在频率控制模块的存储器内。
5.根据权利要求1所述的一种高铁宽带专网高动态转换系统的多普勒频移微调方法，其特征在于，所述频率控制模块包括存储器、CPU和多个串行输入输出接口。
6.根据权利要求1所述的一种高铁宽带专网高动态转换系统的多普勒频移微调方法，其特征在于，射频/中频转换模块RICM包括多级射频中频转换模块，在中频端内置了数字控制振荡器NCO，用于调节发射和接收的中频信号频率，通过串行输入输出接口与室内基带模块BBM相连。
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