CN106375045B - 一种高速铁路场景下多链路信道探测系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速铁路场景下多链路信道探测系统与方法，该系统包括：射频模块，接收LTE专用网络信号重叠覆盖区域中的LTE信号并将所述信号转换为中频模拟信号；数据采集模块，用于将所述中频模拟信号转换为中频数字信号；同步模块，用于接收GPS信号对本地铷钟进行驯服，为所述射频模块与所述数据采集模块提供频率参考；存储模块，用于存储所述中频数字信号以及高铁列车的导航数据；后处理模块，用于将所述中频数字信号在时延域以门限值进行分离，分别提取不同链路的信道冲激响应，本发明还公开了一种应用该系统进行多链路信道探测的方法，本发明建立了高速铁路场景下的多链路信道探测模型，为新一代高速铁路CoMP系统设计提供参考。

Description

一种高速铁路场景下多链路信道探测系统与方法
技术领域
本申请涉及无线通信领域，更具体地，涉及一种高速铁路场景下多链路信道探测方法。
背景技术
高速铁路无线通信需求的日益增长推动了新一代高速铁路宽带无线通信系统的研究与开发。国内运营商已在高速铁路沿线部署LTE网络，旨在为旅客提供高速率、高质量的移动通信业务。现有高速铁路LTE专用网络采用基带处理单元(BBU)和远端射频单元(RRU)的带状覆盖方式，通过小区合并技术将不同RRU的覆盖区域合并为同一逻辑小区，以降低小区切换的频率。然而，小区合并技术带来了RRU干扰问题：在两个RRU的重叠覆盖区域，接收机将收到两个不同时延、不同幅度、不同相位的同小区信号。为了对抗RRU干扰问题，新一代高速铁路宽带无线通信系统迫切需要引入协作多点传输/接收技术(CoMP)，它可以通过协作发射或接收的方式将来自相邻RRU的干扰信号转变为有用信号。
对于新技术或新系统的应用，首先需要建立信道模型对其进行评估。多链路信道模型是在传统的单链路信道模型基础上加入不同链路的信道相关性，可用于CoMP系统或分布式天线系统(DAS)的仿真。对于陆地蜂窝场景，多链路信道模型得到了大量地研究。由于高速铁路场景与陆地蜂窝场景有较大的差异，如果以现有陆地蜂窝场景的多链路信道模型作为新一代高速铁路CoMP系统设计的参考，其仿真和试验结果在实际应用中必定大打折扣。
到目前为止，高速铁路多链路信道模型的研究非常匮乏，这是因为高速铁路场景下的多链路信道测量往往很难开展。组织一次高速铁路无线信道测量活动，包括铁路相关部门备案、测试点勘察、测试方案低速验证、高速测试列车协调、铁路调度协调等工作，高速铁路无线信道测量极为耗时、耗物、耗力。此外，目前大部分信道探测系统由于测量数据的缺乏，很难建立准确的高速铁路多链路信道模型而只能支持单链路信道测量，无法同时获取多链路的信道冲激响应。
发明内容
为了解决小区合并技术带来的RRU干扰问题，建立适用于高速铁路场景的多链路信道模型，作为新一代高速铁路CoMP系统设计的参考，本发明在高速铁路沿钱LTE专用网络信号的基础上，提出了一种高速铁路场景下多链路信道探测系统与方法。
本发明一方面提供了一种高速铁路场景下LTE信道探测系统，其特征在于，包括：
射频模块，用于接收高速铁路LTE专用网络信号重叠覆盖区域中的LTE混合信号作为激励信号，并将所述激励信号转换为中频模拟信号；
数据采集模块，用于将所述中频模拟信号转换为中频数字信号；
同步模块，用于接收GPS信号对本地铷钟进行驯服，得到时钟信号，为所述射频模块与所述数据采集模块提供频率参考；
存储模块，用于存储所述中频数字信号以及高铁列车的导航数据；
后处理模块，用于将所述中频数字信号进行离线处理得到混合的信道冲激响应，对所述混合的信道冲激响应在时延域以门限值进行分离，分别提取不同链路的信道冲激响应。
优选的，所述射频模块包括低噪声放大器、带通滤波器与下变频器。
优选的，所述数据采集模块包括模拟数字转换器和计算机，所述模拟数字转换器用于将所述中频模拟信号转换为中频数字信号，并将所述中频数字信号传输至所述计算机。
优选的，所述门限值介于最强径对应的时延和可测量的最大多径时延之间。
优选的，所述后处理模块用于将所述中频数字信息处理得到基带信号，对所述基带信号进行帧同步，并根据帧信息和小区号信息分别提取接收的小区定义的参考信号和生成本地小区定义的参考信号，表示为R(k)和S(k)，得到混合的信道频率响应，即
其中，为混合的信道频率响应，R(k)为接收的小区定义的参考信号，S*(k)为生成本地小区定义的参考信号的共轭；
并用于对所述混合的信道频率响应进行傅里叶逆变换得到混合的信道冲激响应；对所述混合的信道冲激响应在时延域以门限值进行分离，分别提取不同链路的信道冲激响应，即
其中，hRRU1-RX(t,τ)和hRRU2-RX(t,τ)表示两条链路的信道冲激响应，h(t,τ)表示混合的信道冲激响应，τ0表示最强径对应的时延，τmax表示可测量的最大多径时延，τth为门限值。
本发明另一方面还提供了一种应用所述系统的高速铁路场景下多链路信道探测方法，其特征在于，该方法分为以下步骤：
S1：接收高速铁路沿线LTE专用网络信号重叠覆盖区域中的LTE混合信号作为激励信号，并通过射频模块将激励信号转换为中频模拟信号；
S2：通过数据采集模块将所述中频模拟信号转换为中频数字信号；
S3：通过同步模块接收高铁列车GPS信号对本地铷钟进行驯服，得到时钟信号，为所述步骤S2和步骤S3提供频率参考；
S4：通过存储模块将所述中频数字信号与高铁列车导航数据存储至固态硬盘；
S5：通过后处理模块对所述中频数字信号进行离线处理得到混合的信道冲激响应，对所述混合的信道冲激响应在时延域以门限值进行分离，分别提取不同链路的信道冲激响应。
优选的，所述S2通过所述射频模块的低噪声放大器、带通滤波器与下变频器将所述激励信号转换为中频模拟信号。
优选的，所述S3通过所述数据采集模块的模拟数字转换器将所述中频模拟信号转换为中频数字信号，并将所述中频数字信号传输至所述数据采集模块的计算机。
优选的，所述S5中门限值介于最强径对应的时延和可测量的最大多径时延之间。
优选的，所述S5具体包括以下步骤：
S51：对所述中频数字信号进行处理得到LTE基带信号；
S52：对LTE基带信号进行帧同步，并根据帧信息和小区号信息分别提取接收的小区定义的参考信号和生成本地小区定义的参考信号；
S53：得到混合的信道频率响应，即
其中，为混合的信道频率响应，R(k)为接收的小区定义的参考信号，S*(k)为生成本地小区定义的参考信号的共轭；
S54：通过对混合的信道频率响应进行傅里叶逆变换得到混合的信道冲激响应；
S55：对混合的信道冲激响应在时延域以门限值进行分离，分别提取不同链路的信道冲激响应，即
其中，hRRU1-RX(t,τ)和hRRU2-RX(t,τ)表示两条链路的信道冲激响应，h(t,τ)表示混合的信道冲激响应，τ0表示最强径对应的时延，τmax表示可测量的最大多径时延，τth为门限值。
本发明的有益效果如下：
1、将高速铁路沿线的LTE专用网络信号作为信道探测的激励信号，能够很好地解决铁路部门对铁路沿线无线信号管制造成的信道测量限制问题，具有安全性、方便性。
2、通过专用的LTE信道探测系统连续采集重叠覆盖区域中的LTE数据，测量多链路信道冲激响应，具有准确性、高效性。
3、本发明能够为高速铁路多链路信道测量数据库的构建提供有效支撑。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明中高速铁路场景下多链路信道探测方法的示意图。
图2为本高速铁路两条链路的信号分布示意图。
图3为高速铁路多链路信道测量的时延分布结果。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明公开了一种高速铁路场景下LTE信道探测系统，该探系统包括：
射频模块，用于接收高速铁路LTE专用网络信号重叠覆盖区域中的LTE混合信号作为激励信号，通过低噪声放大器(LNA)、带通滤波器(BPF)与下变频器将激励信号转换为中频模拟信号，为测量信道大尺度衰落参数，激励信号转换可采用固定增益模式，使得接收功率为实际传输损耗的结果。
其中，LTE专用网络为采用BBU与RRU的带状覆盖架构与小区合并技术。BBU与多个RRU通过光纤拉远实现互连，RRU采用背靠背定向天线，沿铁路两侧发射信号。小区合并技术是合并多个RRU的重叠覆盖区域以形成一个逻辑小区，从而扩展单逻辑小区的覆盖半径，减少切换，所述重叠覆盖区域是指两个或多个相邻RRU同时覆盖的区域。在重叠覆盖区域，可接收到来自两个或多个RRU的混合信号，混合信号可通过不同的传播时延进行分离。
数据采集模块，用于通过模拟数字转换器(ADC)完成对所述中频模拟信号的带通采样，将所述中频模拟信号转换为中频数字信号，并将中频数字信号传输至计算机(PC)。带通采样的采样率可通过带通采样定理计算得到，根据带通采样定理，采样率为
其中，fH与fL分别为信号的最低频率与最高频率，n为满足fs≥2(fH-fL)的最大正整数，则用fs进行等间隔采样所得到的信号采样值能准确地确定原信号。将采样率公式由带通信号的中心频率f0和带宽B表示为
其中，f0＝(fL+fH)/2；
同步模块，同步模块的GPS接收模块接收GPS信号对本地铷钟进行驯服，为所述射频模块与所述数据采集模块提供频率参考。
存储模块：用于将中频数字信号与列车的导航数据，如GPS、速度和时间，存储至固态硬盘。为了保证数据存储的连续性，存储模块可采用乒乓操作模式：分配两块相同大小的存储区域，首先向其中某一块区域写入数据，当该区域存满之后再向另一块区域继续写入数据，同时对存满的区域进行写文件操作，这两步将不停的交替进行。为了防止存储过程中数据的丢失，在缓冲区读取数据完毕之前，必须将另一部分缓冲区中的数据写入固态硬盘中，因而固态硬盘数据的写入时间要小于缓冲区数据的读入时间，即保证固态硬盘的最低存储速率大于数据采集模块传输中频数字信号的速率。
后处理模块：用于对中频数字信号进行离线处理得到混合的信道冲激响应，对混合的信道冲激响应在时延域以门限值进行分离，分别提取不同链路的信道冲激响应。数字下变频器(DDC)和低通滤波器(LPF)可对所述中频数字信号进行处理得到LTE基带信号，对LTE基带信号进行帧同步，并根据LTE帧信息和小区号信息分别提取接收的小区定义的参考信息(CRS)和生成本地CRS，表示为R(k)和S(k)；通过接收的CRS与本地的CRS的共轭的频域相关得到信道频率响应：
其中，为混合的信道频率响应，R(k)为接收的小区定义的参考信号，S*(k)为生成本地小区定义的参考信号的共轭。之后对混合的信道频率响应进行傅里叶逆变换(IFFT)得到混合的信道冲激响应，对混合的信道冲激响应在时延域以门限值进行分离，如图2所示，在一个实施例中，实际高速铁路多链路信道探测的功率延迟分布(PDP)结果，测量数据分为单链路数据和多链路数据，多链路数据包含两条链路RRU1和RRU2的信道冲激响应。从图中可以看出，当列车进入多链路区域，RRU1链路的功率延迟分布PDP(1)和RRU2链路的功率延迟分布PDP(2)同时存在多径时延窗内，PDP(1)和PDP(2)的时延间隔设为Δτ。随着列车靠近多链路区域的中心位置，如图中交叉点，时延间隔逐渐变小，PDP(1)和PDP(2)发生混叠。为分离RRU1和RRU2链路的信道冲激响应，需对原始多链路数据进行处理。这里选取一个门限τth，使得当Δτ≥τth时，能够保证PDP(1)了覆盖RRU1链路的所有有效多径成份。τth决定了RRU1链路可分辨的最大多径时延。分离后的RRU1和RRU2链路的信道冲激响应表示为，
其中，hRRU1-RX(t,τ)和hRRU2-RX(t,τ)表示两条链路的信道冲激响应，h(t,τ)表示混合的信道冲激响应，τ0表示最强径对应的时延，τmax表示可测量的最大多径时延，τth为门限值，决定了可分离的最大多径时延。
本发明同时公开了一种高速铁路场景下多链路信道探测方法，该方法分为以下步骤：
S1：接收高速铁路LTE专用网络信号重叠覆盖区域中的LTE混合信号作为激励信号，通过LNA、BPF与下变频器将激励信号转换为中频模拟信号，为测量信道大尺度衰落参数，激励信号转换可采用固定增益模式，使得接收功率为实际传输损耗的结果。
其中，LTE专用网络为采用基带处理单元BBU与远端射频单元RRU的带状覆盖架构与小区合并技术。BBU与多个RRU通过光纤拉远实现互连，RRU采用背靠背定向天线，沿铁路两侧发射信号。小区合并技术是合并多个RRU的重叠覆盖区域以形成一个逻辑小区，从而扩展单逻辑小区的覆盖半径，减少切换，所述重叠覆盖区域是指两个或多个相邻RRU同时覆盖的区域。在重叠覆盖区域，可接收到来自两个或多个RRU的混合信号，混合信号可通过不同的传播时延进行分离。
S2：通过ADC完成所述中频模拟信号的带通采样，将所述中频模拟信号转换为中频数字信号，并将中频数字信号传输至PC。带通采样的采样率可通过带通采样定理计算得到，根据带通采样定理，采样率为
其中，fH与fL分别为信号的最低频率与最高频率，n为满足fs≥2(fH-fL)的最大正整数，则用fs进行等间隔采样所得到的信号采样值能准确地确定原信号。将采样率公式由带通信号的中心频率f0和带宽B表示为
其中，f0＝(fL+fH)/2；
S3：接收GPS信号对本地铷钟进行驯服，为所述射频模块与所述数据采集模块提供频率参考。
S4：将中频数字信号与列车的导航数据，如GPS、速度和时间，存储至固态硬盘。为了保证数据存储的连续性，存储模块可采用乒乓操作模式：分配两块相同大小的存储区域，首先向其中某一块区域写入数据，当该区域存满之后再向另一块区域继续写入数据，同时对存满的区域进行写文件操作，这两步将不停的交替进行。为了防止存储过程中数据的丢失，在缓冲区读取数据完毕之前，必须将另一部分缓冲区中的数据写入固态硬盘中，因而固态硬盘数据的写入时间要小于缓冲区数据的读入时间，即保证固态硬盘的最低存储速率大于数据采集模块传输中频数字信号的速率。
S5：对中频数字信号进行离线处理得到混合的信道冲激响应，对混合的信道冲激响应在时延域以门限值进行分离，分别提取不同链路的信道冲激响应。对LTE中频数字信号进行离线处理分为以下步骤：
S51：通过DDC和LPF对所述中频数字信号进行处理得到LTE基带信号；
S52：对LTE基带信号进行帧同步，并根据帧信息和小区号信息分别提取接收的CRS和生成本地CRS，表示为R(k)和S(k)；
S53：通过接收的CRS与本地CRS的共轭的频域相关得到信道频率响应：
其中，为混合的信道频率响应，R(k)为接收的小区定义的参考信号，S*(k)为生成本地小区定义的参考信号的共轭；
S54：对混合的信道频率响应进行IFFT得到混合的信道冲激响应；
S55：对混合的信道冲激响应在时延域以门限值进行分离，分别提取不同链路的信道冲激响应。如图2所示，在一个实施例中，实际高速铁路多链路信道探测的PDP结果，测量数据分为单链路数据和多链路数据，多链路数据包含两条链路RRU1和RRU2的信道冲激响应。从图中可以看出，当列车进入多链路区域，RRU1链路的PDP(1)和RRU2链路的PDP(2)同时存在多径时延窗内，PDP(1)和PDP(2)的时延间隔设为Δτ。随着列车靠近多链路区域的中心位置，如图中交叉点，时延间隔逐渐变小，PDP(1)和PDP(2)发生混叠。如图3所示，为分离RRU1和RRU2链路的信道冲激响应，需对原始多链路数据进行处理。这里选取一个门限τth，使得当Δτ≥τth时，能够保证PDP(1)了覆盖RRU1链路的所有有效多径成份。τth决定了RRU1链路可分辨的最大多径时延。分离后的RRU1和RRU2链路的信道冲激响应表示为，
其中，hRRU1-RX(t,τ)和hRRU2-RX(t,τ)表示两条链路的信道冲激响应，h(t,τ)表示混合的信道冲激响应，τ0表示最强径对应的时延，τmax表示可测量的最大多径时延，τth为门限值，决定了可分离的最大多径时延。
本发明建立了高速铁路场景下的多链路信道探测模型，可对混合的LTE信号在时延域内以门限值进行分离，提取多链路信道冲激响应，为新一代高速铁路CoMP系统设计提供准确的高速铁路多链路信道模型。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种高速铁路场景下LTE信道探测系统，其特征在于，包括：
射频模块，用于接收高速铁路LTE专用网络信号重叠覆盖区域中的LTE混合信号作为激励信号，并将所述激励信号转换为中频模拟信号；
数据采集模块，用于将所述中频模拟信号转换为中频数字信号；
同步模块，用于接收GPS信号对本地铷钟进行驯服，得到时钟信号，为所述射频模块与所述数据采集模块提供频率参考；
存储模块，用于存储所述中频数字信号以及高铁列车的导航数据；
后处理模块，用于将所述中频数字信号进行离线处理得到混合的信道冲激响应，对所述混合的信道冲激响应在时延域以门限值进行分离，分别提取不同链路的信道冲激响应；
所述后处理模块用于将所述中频数字信息处理得到基带信号，对所述基带信号进行帧同步，并根据帧信息和小区号信息分别提取接收的小区定义的参考信号和生成本地小区定义的参考信号，表示为R(k)和S(k)，得到混合的信道频率响应，即
其中，为混合的信道频率响应，R(k)为接收的小区定义的参考信号，S*(k)为生成本地小区定义的参考信号的共轭；
并用于对所述混合的信道频率响应进行傅里叶逆变换得到混合的信道冲激响应；对所述混合的信道冲激响应在时延域以门限值进行分离，分别提取不同链路的信道冲激响应，即
其中，hRRU1-RX(t,τ)和hRRU2-RX(t,τ)表示两条链路的信道冲激响应，h(t,τ)表示混合的信道冲激响应，τ0表示最强径对应的时延，τmax表示可测量的最大多径时延，τth为门限值。
2.根据权利要求1所述探测系统，其特征在于，所述射频模块包括低噪声放大器、带通滤波器与下变频器。
3.根据权利要求1所述探测系统，其特征在于，所述数据采集模块包括模拟数字转换器和计算机，所述模拟数字转换器用于将所述中频模拟信号转换为中频数字信号，并将所述中频数字信号传输至所述计算机。
4.根据权利要求1所述探测系统，其特征在于，所述门限值介于最强径对应的时延和可测量的最大多径时延之间。
5.一种高速铁路场景下多链路信道探测方法，其特征在于，该方法分为以下步骤：
S1：接收高速铁路沿线LTE专用网络信号重叠覆盖区域中的LTE混合信号作为激励信号，并通过射频模块将激励信号转换为中频模拟信号；
S2：通过数据采集模块将所述中频模拟信号转换为中频数字信号；
S3：通过同步模块接收高铁列车GPS信号对本地铷钟进行驯服，得到时钟信号，为所述步骤S2和步骤S3提供频率参考；
S4：通过存储模块将所述中频数字信号与高铁列车导航数据存储至固态硬盘；
S5：通过后处理模块对所述中频数字信号进行离线处理得到混合的信道冲激响应，对所述混合的信道冲激响应在时延域以门限值进行分离，分别提取不同链路的信道冲激响应；
所述S5具体包括以下步骤：
S51：对所述中频数字信号进行处理得到LTE基带信号；
S52：对LTE基带信号进行帧同步，并根据帧信息和小区号信息分别提取接收的小区定义的参考信号和生成本地小区定义的参考信号；
S53：得到混合的信道频率响应，即
其中，为混合的信道频率响应，R(k)为接收的小区定义的参考信号，S*(k)为生成本地小区定义的参考信号的共轭；
S54：通过对混合的信道频率响应进行傅里叶逆变换得到混合的信道冲激响应；
S55：对混合的信道冲激响应在时延域以门限值进行分离，分别提取不同链路的信道冲激响应，即
其中，hRRU1-RX(t,τ)和hRRU2-RX(t,τ)表示两条链路的信道冲激响应，h(t,τ)表示混合的信道冲激响应，τ0表示最强径对应的时延，τmax表示可测量的最大多径时延，τth为门限值。
6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述S2通过所述射频模块的低噪声放大器、带通滤波器与下变频器将所述激励信号转换为中频模拟信号。
7.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述S3通过所述数据采集模块的模拟数字转换器将所述中频模拟信号转换为中频数字信号，并将所述中频数字信号传输至计算机。
8.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述S5中门限值介于最强径对应的时延和可测量的最大多径时延之间。
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