CN110233689A - 一种高速铁路无线通信系统多普勒频移补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速铁路无线通信系统多普勒频移补偿方法，涉及无线通信系统多普勒频移补偿方法技术领域，包括步骤：建立高速铁路的多天线系统模型和信道模型；使用线性离散系统进行理论估算；对影响无线通信信道特性的基本情况使用数据帧插入导频并加入卡尔曼滤波算法进行分析；按照线性离散系统进行仿真实验；采用卡尔曼滤波算法对高速移动无线通信系统性能进行多普勒频移估算；将结果与只有导频插入的方法估算的结果进行对比分析，并得出结论。本发明采用线性离散系统进行理论估算，效果比连续式系统进行理论估算好，且由软件实现的控制规律易于改变，控制灵活。

Description

一种高速铁路无线通信系统多普勒频移补偿方法

技术领域

本发明涉及一种高速铁路无线通信系统多普勒频移补偿方法，涉及无线通 信系统多普勒频移补偿方法技术领域。

背景技术

随着高速列车流量和行驶速度的大幅提升，对我国的无线通信网络覆盖提 出了更高的要求。因此，为了向乘客提供稳定的宽带数据服务，保证乘客在高 速移动环境中的正常通信，高铁通信系统的优化设计至关重要。在GSM-R系统 中，列车快速移动带来的多普勒频移问题增大了系统的误码率，成为影响整个 系统通信质量的因素之一。例如，当车速为100m/s，载频为1.8GHz，产生的多 普勒频移高达625Hz。较大的多普勒频移一直制约着通信技术的发展。高速铁路 无线通信系统多普勒频移补偿方法是研究如何在高移动环境下实现高效、准确 的多普勒频移估计，是现代移动通信研究的热点问题。

目前的高速铁路无线通信系统多普勒频移补偿方法中多普勒频移估计的准 确性直接影响接收机的性能，因此市场急需研制一种高速铁路无线通信系统多 普勒频移补偿方法来帮助人们解决现有的问题。

清华大学Yaoqing YANG等在其论文《Doppler frequency offset estimationand diversity reception scheme of high-speed railway with multiple antennason separated carriage》(Journal of Modern Transportation Volume 20,Number 4,December 2012, Page 227-233)中提出了在多天线系统插入导频来估算系统性能，从而进行多普 勒频移补偿的估算。然而该方法存在以下不足：

(1)在多天线系统中仅插入导频法的估算器，其估算性准确性较差；

(2)导频数量较多，计算速度慢，系统性能较低；

(3)采用线性时变系统进行理论估算，多普勒频移估计的准确性直接影响 接收机性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高速铁路无线通信系统多普勒频移补偿方法， 以克服现有技术的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高速铁路无线通信系统 多普勒频移补偿方法，包括以下步骤：

步骤1：根据影响无线通信信道特性的基本情况：视距环境、多径传播、阴 影衰落及多普勒频移，建立高速铁路的多天线系统模型和信道模型；

步骤2：对所述影响无线通信信道特性的基本情况使用数据帧中插入导频并 加入卡尔曼滤波算法进行分析；

步骤3：使用线性离散系统对高速铁路无线通信系统多普勒频移进行理论估 算，包括步骤：

对于每个帧内，在M个接收符号中插入K个导频符号，K导频用于估计多 普勒频移和信道性能的估算，在一个框架内的改变，理想帧长应小于1维，其 中dmax代表最大多普勒频移。基站用载频f_c调制传输信号s(t),高速列车顶部 装有N根天线，对于导频s(k)，所有的接收信号x_n(k)表示为：

对于每个导频取s(k)＝1，公式(1)可以简化为：

其中，D_n由已有公式(8)计算得到，速度v与莱斯信道衰落系数h_n由调查 得到；

假设w_n(k)是加性高斯白噪声(AWGN)，则每个x_n(k)的PDF为:

其中和分别是x_n(k)的实部和虚部，以及

步骤4：使用线性离散系统进行仿真实验；

步骤5：将一帧中的导频数目减少至P个，在被去掉的(K-P)个导频的位 置上用卡尔曼滤波器取代；

步骤6：用在帧中插入导频的方法并使用卡尔曼滤波算法对信道性能和多普 勒频移补偿进行估算，信道性能包括路径损耗r_n、列车速度v，随机相位φ_n；

步骤7：将结果与一帧中只有K个导频插入的算法计算得到的信道性能及误 码率进行对比分析，并得出结论。

进一步地，步骤1中建立高速铁路的信道模型具体过程为：

步骤1-1：建立用于HSR的协同天线系统，当一列快速行驶的火车，它将 从基站接收下行链路信号，火车有一个合作多天线接收系统，每个车厢上有一 个接收天线，基站设置在距离d的轨道附近，d的典型值约为30米，由于基站 有一个高度，在模拟中定义了d＝50m，脚点定义为点O，点O与第一接收天线 之间的距离为a，a的距离可由仪器测算得到。列车在轨道上以v的速度向O方 向移动。火车的每节车厢都安装了一个接收天线，列车车厢长度为L，也是两个 相邻接收之间的间隔距离天线，典型值L是大约10米，则相邻天线之间产生的 噪声可被忽略，天线编号从n＝0到N，每个天线的多普勒频移可以定义为：

步骤1-2：进行信道建模，基站用载波频率f_c调制传输信号s(t)，接收到的 信号x(t)遭受功率损失1/l(t)^α，频移D和加性高斯白噪声w(t)，方差为2σ²，传输 引起的随机相移φ在[0，2π)中均匀分布，然后，接收信号x(t)可以写成：

所有N个天线都可以接收信号，我们用采样周期t_s采样基带接收信号，然 后，通过引入Ricean衰落效应，对上方公式中的信道表示进行了轻微的修改：

其中，l_n＝a+nl，D_n在(3)中定义，M表示数据帧中的符号数，我们定义了 N＝16，意思是一列火车有17节车厢，z_n～CN(0，1)，κ是Rician因子，r_n服从 中心1的Rician分布，在[0，2π]中变化；

所有rn的概率密度函数(PDF)可以写为:

式中I₀(·)为零阶贝塞尔函数。

进一步地，步骤1中所述影响无线通信信道特性的基本情况包括：

视距环境：无线信号从发送端沿着直线路径到达接收端，不存在对无线电 波造成遮挡的物体；

多径传播：从发送端发出的电波信号在传播过程中，由于信道中诸如建筑 物、地表等物体反射，构成一个消耗信号能量的环境，导致信号幅度、时间和 相位的变化；

阴影衰落：当信号电波在传播路径上受到起伏地形、建筑物、植被等障碍 物的阻挡以及宇宙辐射、大气粒子的影响会使信号电波产生衰耗，从而造成接 收信号电平的衰减；

多普勒频移：无线移动通信，特别是处于高动态环境下的卫星通信系统、 飞行器测控系统中，由于发送端和接收端之间的相对运动，会造成接收端接收 的信号频率上的偏移，对接收信号产生严重的影响。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用线性离散系统进行理 论估算，线性离散系统由数字计算机构成的数字校正装置，效果比连续式校正 装置好，且由软件实现的控制规律易于改变，控制灵活；数字信号的传递可以 有效地抑制噪声从而提高了系统的抗扰能力，可以采用高灵敏的控制元件，以 提高系统的控制精度，同时可用一台计算机分时控制若干个系统，提高了设备 的利用率，经济性好；对于具有传输延迟，特别是大延迟的控制系统，本发明 引入采样的方式稳定，解决了目前的高速铁路无线通信系统多普勒频移补偿方 法中多普勒频移估计的准确性直接影响接收机性能的问题。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述 的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明提供的一种实施例：一种高速铁路无线通信系统多普勒频移补偿方 法，包括以下步骤：

步骤1：根据影响无线通信信道特性的基本情况：视距环境、多径传播、阴 影衰落及多普勒频移，建立高速铁路的多天线系统模型和信道模型；

步骤2：对所述影响无线通信信道特性的基本情况使用数据帧中插入导频并 加入卡尔曼滤波算法进行分析；

步骤3：使用线性离散系统对高速铁路无线通信系统多普勒频移进行理论估 算，包括步骤：

对于每个帧内，在M个接收符号中插入K个导频符号，K导频用于估计多 普勒频移和信道性能的估算，在一个框架内的改变，理想帧长应小于1维，其 中dmax代表最大多普勒频移。基站用载频f_c调制传输信号s(t),高速列车顶部 装有N根天线，对于导频s(k)，所有的接收信号x_n(k)表示为：

对于每个导频取s(k)＝1，公式(1)可以简化为：

其中，D_n由已有公式(8)计算得到，速度v与莱斯信道衰落系数h_n由调查 得到；

假设w_n(k)是加性高斯白噪声(AWGN)，则每个x_n(k)的PDF为:

其中和分别是x_n(k)的实部和虚部，以及

步骤4：使用线性离散系统进行仿真实验；

步骤5：将一帧中的导频数目减少至P个，在被去掉的(K-P)个导频的位 置上用卡尔曼滤波器取代；

步骤6：用在帧中插入导频的方法并使用卡尔曼滤波算法对信道性能和多普 勒频移补偿进行估算，信道性能包括路径损耗r_n、列车速度v，随机相位φ_n；

步骤7：将结果与一帧中只有K个导频插入的算法计算得到的信道性能及误 码率进行对比分析，并得出结论。

进一步地，步骤1中建立高速铁路的信道模型具体过程为：

步骤1-1：建立用于HSR的协同天线系统，当一列快速行驶的火车，它将 从基站接收下行链路信号，火车有一个合作多天线接收系统，每个车厢上有一 个接收天线，基站设置在距离d的轨道附近，d的典型值约为30米，由于基站 有一个高度，在模拟中定义了d＝50m，脚点定义为点O，点O与第一接收天线 之间的距离为a，a的距离可由仪器测算得到。列车在轨道上以v的速度向O方 向移动。火车的每节车厢都安装了一个接收天线，列车车厢长度为L，也是两个 相邻接收之间的间隔距离天线，典型值L是大约10米，则相邻天线之间产生的 噪声可被忽略，天线编号从n＝0到N，每个天线的多普勒频移可以定义为：

步骤1-2：进行信道建模，基站用载波频率f_c调制传输信号s(t)，接收到的 信号x(t)遭受功率损失1/l(t)^α，频移D和加性高斯白噪声w(t)，方差为2σ²，传输 引起的随机相移φ在[0，2π)中均匀分布，然后，接收信号x(t)可以写成：

所有N个天线都可以接收信号，我们用采样周期t_s采样基带接收信号，然 后，通过引入Ricean衰落效应，对上方公式中的信道表示进行了轻微的修改：

其中，l_n＝a+nl，D_n在(3)中定义，M表示数据帧中的符号数，我们定义了 N＝16，意思是一列火车有17节车厢，z_n～CN(0，1)，κ是Rician因子，r_n服从 中心1的Rician分布，在[0，2π]中变化；

所有r_n的概率密度函数(PDF)可以写为:

式中I₀(·)为零阶贝塞尔函数。

仿真一帧有4000个符号，50个用作导频符号。本文的框架与文献1的框架 的区别是，文献1所提估算器的框架是在多天线系统插入导频来估算系统性能， 我们的框架是将文献1中的部分导频去掉，在去掉的位置加入卡尔曼滤波器来 估算。

步骤4的仿真实验中，仿真一帧有4000个符号，其中50个用作导频符号。 本发明的框架与对比文献《Doppler frequency offset estimation and diversity receptionscheme of high-speed railway with multiple antennas on separated carriage》的框架的区别是，对比文献所提估算器的框架是在多天线系统插入导 频来估算系统性能，本发明的框架是将对比文献中的部分导频去掉，在去掉的 位置加入卡尔曼滤波器来估算。仿真结果表明，本发明所提的估算架构比多天 线系统仅插入导频法的估算器的估算性能好；当速度由100m/s增加到150m/s 时，应用本发明进行多普勒频移补偿的估算错误没有明显的增加，这表明本发 明的估算架构是稳定的；与对比文献相比，在本发明的一个实施例中，同一速 度时，导频数目由50降到30，多普勒频移补偿的估算错误没有明显增加，当导 频数量降到20的时候，估算错误也没有明显增加，因此本发明提出的方法可以 节约有效地导频，提高系统性能，也能为加入卡尔曼滤波算法的多天线系统的 导频配置提供理论基础。

步骤1中影响无线通信信道特性的基本情况具体为：

视距环境：当卫星或飞行器与地面终端之间的无线信道上不存在任何障碍 物，从发送端沿着直线路径(即视距传播路径)到达接收端；

多径传播：从发送端发出的电波信号在传播过程中，由于信道中诸如建筑 物、地表等物体反射，就会构成了一个消耗信号能量的环境，导致信号幅度、 时间和相位的变化；

阴影衰落：当信号电波在传播路径上受到起伏地形、建筑物、植被等障碍 物的阻挡以及宇宙辐射、大气粒子的影响会使信号电波产生衰耗，从而造成接 收信号电平的衰减；

多普勒频移：无线移动通信，特别是处于高动态环境下的卫星通信系统、 飞行器测控系统中，由于发送端和接收端之间的相对运动，会造成接收端接收 的信号频率上的偏移，对接收信号产生严重的影响。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节， 而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现 本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非 限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落 在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (3)

1.一种高速铁路无线通信系统多普勒频移补偿方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1：根据影响无线通信信道特性的基本情况：视距环境、多径传播、阴影衰落及多普勒频移，建立高速铁路的多天线系统模型和信道模型；

步骤2：对所述影响无线通信信道特性的基本情况使用在数据帧中插入导频并加入卡尔曼滤波算法进行分析；

步骤3：使用线性离散系统对高速铁路无线通信系统多普勒频移进行理论估算，包括步骤：

对于每个帧内，在M个接收符号中插入K个导频符号，K导频用于估计多普勒频移和信道性能的估算，在一个框架内的改变，理想帧长应小于1维，其中dmax代表最大多普勒频移。基站用载频f_c调制传输信号s(t),高速列车顶部装有N根天线，对于导频s(k)，所有的接收信号x_n(k)表示为：

对于每个导频取s(k)＝1，公式(1)可以简化为：

其中，D_n由已有公式(8)计算得到，速度v与莱斯信道衰落系数h_n由调查得到；

假设w_n(k)是加性高斯白噪声(AWGN)，则每个x_n(k)的PDF为:

其中和分别是x_n(k)的实部和虚部，以及

步骤4：使用线性离散系统进行仿真实验；

步骤5：将一帧中的导频数目减少至P个，在被去掉的(K-P)个导频的位置上用卡尔曼滤波器取代；

步骤6：用在帧中插入导频的方法并使用卡尔曼滤波算法对信道性能和多普勒频移补偿进行估算，信道性能包括路径损耗r_n、列车速度v，随机相位φ_n；

步骤7：将结果与一帧中只有K个导频插入的算法计算得到的信道性能及误码率进行对比分析，并得出结论。

2.如权利要求1所述的高速铁路无线通信系统多普勒频移补偿方法，其特征在于，步骤1中建立高速铁路的多天线系统模型具体过程为：

步骤1-1：建立用于HSR的协同天线系统，当一列快速行驶的火车，它将从基站接收下行链路信号，火车有一个联合多天线接收系统，每个车厢上有一个接收天线，基站设置在距离d的轨道附近，d的典型值约为30米，由于基站有一个高度，在模拟中定义了d＝50m，脚点定义为点O，点O与第一接收天线之间的距离为a，a的距离可由仪器测算得到。列车在轨道上以v的速度向O方向移动。火车的每节车厢都安装了一个接收天线，列车车厢长度为L，也是两个相邻接收之间的间隔距离天线，典型值L是大约10米，则相邻天线之间产生的噪声可被忽略，天线编号从n＝0到N，每个天线的多普勒频移可以定义为：

步骤1-2：进行信道建模，基站用载波频率f_c调制传输信号s(t)，接收到的信号x(t)遭受功率损失1/l(t)^α，频移D和加性高斯白噪声w(t)，方差为2σ²，传输引起的随机相移φ在[0，2π)中均匀分布，然后，接收信号x(t)可以写成：

所有N个天线都可以接收信号，我们用采样周期t_s采样基带接收信号，然后，通过引入Ricean衰落效应，对上方公式中的信道表示进行了轻微的修改：

其中，l_n＝a+nl，D_n在(3)中定义，M表示数据帧中的符号数，我们定义了N＝16，意思是一列火车有17节车厢，z_n～CN(0，1)，κ是Rician因子，r_n服从中心1的Rician分布，在[0，2π]中变化；

所有r_n的概率密度函数(PDF)可以写为:

式中I₀(·)为零阶贝塞尔函数。

3.如权利要求1所述的高速铁路无线通信系统多普勒频移补偿方法，其特征在于，步骤1中所述影响无线通信信道特性的基本情况包括：

视距环境：无线信号从发送端沿着直线路径到达接收端，不存在对无线电波造成遮挡的物体；

多径传播：从发送端发出的电波信号在传播过程中，由于信道中诸如建筑物、地表等物体反射，构成一个消耗信号能量的环境，导致信号幅度、时间和相位的变化；

阴影衰落：当信号电波在传播路径上受到起伏地形、建筑物、植被等障碍物的阻挡以及宇宙辐射、大气粒子的影响会使信号电波产生衰耗，从而造成接收信号电平的衰减；

多普勒频移：无线移动通信，特别是处于高动态环境下的卫星通信系统、飞行器测控系统中，由于发送端和接收端之间的相对运动，会造成接收端接收的信号频率上的偏移，对接收信号产生严重的影响。