CN111132081B - 一种高速列车的车载5g设备下行同步方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及一种高速列车的车载5G设备下行同步方法及系统，包括：用户设备UE向列车接口发送连接请求；连接成功后，UE通过接口读取信息；若列车处于停止状态，则直接进行下行同步过程；若列车处于行驶状态，则通过预频偏补偿模块进行预频偏估计后进行时域预频偏补偿，再进行下行同步过程；根据得到的小区ID和帧同步信息，UE在PBCH处理模块接收处理物理下行广播信道，获得主系统信息MIB，小区搜索完成。发明在下行同步前采用预频偏补偿方法，大大提高了高速移动环境下的小区搜索成功率，仿真结果表明，高速移动场景下下行同步成功率可以提高30％‑60％。

Description

一种高速列车的车载5G设备下行同步方法及系统
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及一种高速列车的车载5G设备下行同步方法及系统。
背景技术
近年来，高速铁路在世界范围内得到了广泛的发展，在某些地区，车速可能会超过300km/h，例如日本新干线(320km/h)、德国城际快车(330km/h)和上海磁悬浮列车(430km/h)，这对于5G设备在高速场景下的性能提出了更高的要求。
5G NR的下行传输信号选择正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)信号。OFDM是一种多载波调制技术，相对于传统的频分复用(Frequency Division Multiplexing,FDM)，OFDM的所有子载波都是相互正交的，可以在一定程度上进行频谱的重叠，这样有效的节省频谱资源。但是，OFDM对于频偏有极高的敏感度。在高速情况下，OFDM面临的一大挑战是由于高多普勒频移导致严重的载波间干扰，从而破坏了子载波之间的正交性，对整体系统性能产生很大影响。再者，5G NR的R16物理层协议将于2020年3月冻结，R16协议主要面向超高可靠低延时通信(Ultra ReliableLow Latency Communication,URLLC)和车联网(Vehicle to Everything,V2X)，因此，对于车联网V2X来说，高速场景下的5G服务是必要的。
发明内容
为了解决上述问题，本发明针对列车高速移动环境下用户设备(User Equipment,UE)下行同步成功率低的问题，将列车固有的机械式车速检测和北斗卫星/全球定位系统(Global Positioning System,GPS)定位功能与5G新空口NR(New Radio,NR)同步过程结合，提供一种高速列车的车载5G设备下行同步方法及系统。
一种高速列车的车载5G设备下行同步方法，包括以下步骤：
S1、用户设备UE向列车设备的接口发送连接请求，UE根据列车设备的应答信息判断是否位于列车设备上，若不位于列车设备上，则进入步骤S4，若位于列车设备上则连接接口；
S2、连接成功后，UE通过与列车设备的接口读取列车的定位信息、基站的位置信息以及列车的瞬时速度；
S3、根据列车的瞬时速度判断列车是否处于行驶状态，若列车处于停止状态，则不进行频偏补偿，进入步骤S4；若列车处于行驶状态，则进行预频偏估计后再进行时域预频偏补偿，进入步骤S4；
S4、进行下行同步过程，盲检主同步信号PSS，根据PSS的位置检测辅同步信号SSS，进而得到小区地址ID和帧同步信息；
S5、根据小区ID和帧同步信息，UE接收处理物理广播信道，获得主系统信息MIB，小区搜索完成。
一种高速列车的车载5G设备下行同步系统，包括：接口模块、信息获取模块，预频偏补偿模块，下行同步模块，PBCH处理模块，GPS定位模块和/或北斗定位模块，车速仪，接口模块用于UE与列车之间的信息交互；信息获取模块用于获取列车设备的参数信息，UE通过此模块读取列车的行驶参数信息和周边基站的定位信息；预频偏补偿模块用于在下行同步过程前进行预频偏补偿；下行同步模块用于获取小区地址ID和帧同步信息；PBCH处理模块用于接收并处理物理广播信道，获得主系统信息MIB；GPS定位模块和/或北斗定位模块位于列车设备上，用于获取列车的定位信息和基站的位置信息；车速仪位于列车设备上，用于获取列车设备的运行速度。
本发明的有益效果：
1.本发明利用车载UE与列车之间的接口将列车的行驶参数信息传递给UE，实现了列车与UE之间信息的共享。
2.本发明在下行同步前采用预频偏补偿方法，大大提高了高速移动环境下的小区搜索成功率，仿真结果表明，高速移动场景下下行同步成功率可以提高30％-60％。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明实施例的一种高速列车的车载5G设备下行同步方法的流程图；
图2为本发明实施例的车载UE与列车的接口模块说明图；
图3为实际铁路沿线基站分布示意图；
图4为本发明实施例的铁路列车与基站的模拟定位图；
图5为本发明实施例的一种高速列车的车载5G设备下行同步系统的模块概览图；
图6为不同预频偏补偿方法的下行同步成功率对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明的一种高速列车的车载5G设备下行同步方法的流程图，该方法可以应用于列车5G通信设备，能够提高高速移动环境下的小区搜索成功率，该方法包括但不限于如下步骤：
S1、用户设备UE向列车设备的接口发送连接请求，UE根据列车设备的应答信息判断是否位于列车设备上，若不位于列车设备上，则进入步骤S4，若位于列车设备上则连接接口；
S2、连接成功后，UE通过与列车设备的接口读取列车的定位信息、基站的位置信息以及列车的瞬时速度；
S3、根据列车的瞬时速度判断列车是否处于行驶状态，若列车处于停止状态，则不进行频偏补偿，进入步骤S4；若列车处于行驶状态，则进行预频偏估计后再进行时域预频偏补偿，进入步骤S4；
S4、进行下行同步过程，盲检主同步信号PSS，根据PSS的位置检测辅同步信号SSS，进而得到小区地址ID和帧同步信息；
S5、根据小区ID和帧同步信息，UE接收处理物理广播信道，获得主系统信息MIB，小区搜索完成。
为使本发明的方法更加清楚、完整，接下来对本发明的各个步骤进行详细描述：
用户设备UE向列车设备的接口发送连接请求，UE根据列车设备的应答信息判断是否位于列车设备上，具体判断过程包括：若UE收到列车设备端的应答信令，则UE判断自己处于列车中，UE与列车设备的接口进行连接，若UE没有收到列车设备端的应答信令，则UE判断自己没有处于列车中，进行正常的小区搜索过程。
进一步的，当列车设备收到用户设备UE的连接请求时，根据UE的空间位置判断是否发送应答信令给UE，若UE和列车设备的空间距离小于事先约定的距离阈值M，则判断UE处于列车设备之中，发送应答信令给UE，否则，不发送应答信令。
UE与列车设备的接口连接成功后，UE通过与列车设备的接口读取列车的定位信息、基站的位置信息和列车的瞬时速度。如图2所示，用户设备UE和列车设备之间的接口主要为UE提供列车设备的参数信息，本发明需要的参数信息包括：列车的定位信息、基站的位置信息、周围基站信息、列车的瞬时速度、列车行进方向等。其中列车的定位信息和基站的位置信息通过车载GPS定位模块或北斗定位模块获取，列车的瞬时速度通过列车设备的车速表获得。除此之外，若UE有其他需求，也可以通过此接口读取其他列车传递的信息。
可选的，用户设备UE向列车设备的信息交互还可采用其他方式获取，例如：蓝牙共享、物理接口等。
如图3所示，为了避免单侧覆盖所产生的障碍物盲点效应，减少实际穿透损耗，使形式列车车厢内两侧用户接收信号质量更加均匀，高速铁路沿线的基站一般均匀、交替分布在铁路两侧，呈“之”字形分布。因此，列车行驶过程中与沿线基站的相对位置可用图4表示，其中，v为列车瞬时速度，θ为列车移动方向与信号传播方向的夹角。
根据列车的瞬时速度v判断列车是否处于行驶状态，若列车处于停止状态，则不进行频偏补偿，直接进行下行同步过程；若列车处于行驶状态，则先根据UE读取的列车参数进行预频偏估计，然后根据预频偏估计进行时域预频偏补偿，时域预频偏补偿后，再进行下行同步过程。
进一步的，当列车处于行驶状态时，需要先进行预频偏估计后再进行时域预频偏补偿，具体包括以下步骤：首先，根据列车的定位信息、基站的位置信息和列车的瞬时速度，计算此时的多普勒频移进行预频偏估计；再根据计算出的多普勒频移对UE的接收信号进行时域预频偏补偿。
考虑到预频偏补偿需要一定的时间，不可能对时域上接收到的每一个点单独计算频率偏移，因此，每10毫秒进行一次频率偏移计算。
预频偏估计的计算方式包括：
Figure BDA0002315290110000051
其中，Δf为预频率偏移量，fc为接收信号的频率，v为列车瞬时速度，列车靠近基站时v为正，列车远离基站时v为负，c为电磁波传播速度，这里可以简单用光在真空中传播速度代替，θ为接收信息的时刻列车移动方向与信号传播方向的夹角。
上述预频偏估计所计算出的频率偏移仅仅是某一时刻的频率偏移值，并不能表示整个10毫秒内的频率偏移。而10毫秒中列车的速度变化可以忽略不计，UE可以预估10毫秒列车的移动距离为0.1v，令a为列车与基站垂直于铁路方向距离，b为列车与基站铁路沿线方向距离，列车接收信息时刻和列车10毫秒后的列车移动方向与信号传播方向的夹角计算公式为：
Figure BDA0002315290110000061
Figure BDA0002315290110000062
其中，θstart为接收信息时刻列车移动方向与信号传播方向的夹角，θfin为接收信息10毫秒后列车移动方向与信号传播方向的夹角，a为列车与基站垂直于铁路方向距离，b为列车与基站铁路沿线方向距离。
采用差值的方式，UE认为每2048个点的列车移动方向与信号传播方向的夹角相同，即每2048点的频率偏移相同，则每点的频率偏移计算公式为：
Figure BDA0002315290110000063
其中，Δf(n)为预频率偏移量，fc为接收信号的频率，v为列车瞬时速度，c为电磁波传播速度，n为接收到的信号点数，n的取值范围取决于采样频率，令采样频率为fτ，则10毫秒UE的采样点n∈{0,1,……0.1fτ}。
UE计算出预频率偏移量Δf(n)后，根据快速傅里叶变换的频移性质进行信号的时域预频偏补偿，得到补偿后的时域信号。
更进一步的，所述快速傅里叶变换的频移性质包括：
若
Figure BDA0002315290110000064
则
Figure BDA0002315290110000065
其中，f(t)为时域信号、F(jw)经过快速傅里叶变换后的频域信号、w0为频域偏移值，w为频率变量、j为虚数单位。
更进一步的，根据预频偏估计对信号进行时域预频偏补偿的计算方式包括：
s'(t)＝s(t)e-j2πΔf(n)t
其中，s'(t)为补偿后的时域信号，s(t)是接收到的原始基带信号，j表示虚数单位，Δf(n)表示预频率偏移量，t表示时间，n为接收到的采样点数，n与t的关系为：
n＝fτ·t
在预频偏补偿后，开始进行下行同步过程，即盲检主同步信号PSS，根据PSS的位置检测辅同步信号SSS，进而得到小区地址ID和帧同步信息。
对UE接收到的基站信号和本地生成的三组PSS信号进行时域滑动相关，取相关值的最大值所对应的点为帧起始点，取最大值对应的小区组身份标识2(Physical layercell identity 2，
Figure BDA0002315290110000071
)；再对最大值对应位置的SSS序列和本地生成的SSS序列做相关，取最大值对应的小区组身份标识1(Physical layer cell identity 1，
Figure BDA0002315290110000072
)。
根据
Figure BDA0002315290110000073
计算小区位置信息
Figure BDA0002315290110000074
计算方式包括：
Figure BDA0002315290110000075
获得小区位置信息后，根据协议确定同步信号SS所在的同步广播块(SS/PBCHblock，SSB)中物理广播信道(Physical Broadcast Channel，PBCH)的位置，通过解调，解速率匹配，极化码译码等过程解得PBCH携带的主系统信息(Master Information Block，MIB)信息，小区搜索过程完毕。
一种高速列车的车载5G设备下行同步系统，包括：接口模块、信息获取模块，预频偏补偿模块，下行同步模块，PBCH处理模块、GPS定位模块和/或北斗定位模块、车速仪，系统各模块间的总体概览如图5所示。
所述接口模块用于UE与列车之间的信息交互。
更进一步的，接口模块中至少包括一个用户设备UE与列车设备间的接口，该接口为一种虚拟接口，使用并行传输方式，用于UE与列车设备间的信息交互，本发明中UE使用此接口读取列车的定位信息、基站的位置信息、周围基站信息、列车的瞬时速度、列车行进方向等参数，用于预频偏估计模块的频偏计算过程。
更进一步的，接口模块采用并行传输方式，其中接口协议包括：
UE_Train_Link为UE向列车发送的连接请求信令，共1比特，当UE向列车发送连接请求时，此参数置1一个时钟周期，当UE不向列车获取信息时，此参数置0；
Train_Moving_flag为列车设备对UE连接的应答信令，共1比特，当列车无响应或列车没有在行驶时，此参数置0，当列车启动并且在行驶状态时，此参数置1；
Train_Position和Next_gNodeB_Position为列车和基站的位置信息信令，此信息可以是经纬度信息或者以当前列车为原点的坐标位置信息，取决于实现方式，两参数各N比特，N取决于精度；
Train_Direction为列车行驶方向信令，共1比特，当列车靠近基站时参数置1，当列车远离基站时列车置0；
Train_speed为列车速度信令，单位千米/小时，共10比特，10位二进制数可以表示0至1023千米/小时，保证传输现在运行的列车速度而不至于溢出。
除此之外，若UE有其他需求，也可以添加接口模块传输的比特数以读取其他列车传递的信息。
所述信息获取模块用于获取列车设备的参数信息，UE通过此模块读取列车设备的参数信息。
进一步的，所述信息获取模块包括：信息处理模块和信息存储模块，信息处理模块与接口模块连接，且该模块至少包括一个与接口模块相适应的信息接口端，信息处理模块用于将从接口模块读取到的参数信息进行压缩、解码等操作；信息存储模块至少包括一个存储器，用于存储数据。
所述预频偏补偿模块在下行同步过程前进行预频偏补偿，以增加下行同步成功率。
进一步的，所述预频偏补偿模块包括频偏估计模块和频偏补偿模块，频偏估计模块根据信息获取模块读取到的列车行驶参数和基站信息计算列车和基站间的频率偏移，并在下行同步前计算车载UE和基站间的多普勒频率偏移，多普勒频率偏移的计算方式包括：
Figure BDA0002315290110000091
Figure BDA0002315290110000092
Figure BDA0002315290110000093
其中，Δf(n)为预频率偏移量，fc为接收信号的频率，v为列车瞬时速度，c为电磁波传播速度，θstart为接收信息时刻列车移动方向与信号传播方向的夹角，θfin为接收信息10毫秒后列车移动方向与信号传播方向的夹角，a为列车与基站垂直于铁路方向距离，b为列车与基站铁路沿线方向距离，n为接收到的信号点数，fτ为采样频率。
频偏补偿模块根据频偏估计模块计算出的频率偏移结果在时域上对接收信号进行频偏补偿，尽量恢复原始信号，所述频偏补偿过程基于快速傅里叶变换的频移性，计算方式如下：
s'(t)＝s(t)e-j2πΔf(n)t
n＝fτ·t
其中，s'(t)为补偿后的时域信号，s(t)是接收到的原始基带信号，j表示虚数单位，Δf(n)表示预频率偏移量，n为接收到的信号点数，t表示时间，fτ为采样频率。
所述下行同步模块用于获取小区ID和帧同步信息。
所述PBCH处理模块根据协议确定同步信号SS所在的同步广播块中物理广播信道PBCH的位置，通过解调，解速率匹配，极化码译码等过程，获得主系统信息MIB。
所述GPS定位模块和/或北斗定位模块位于列车设备上，用于获取列车的定位信息和基站的位置信息。
所述车速仪位于列车设备上，用于获取列车设备的运行速度。
下行同步系统的实施方式可以参照下行同步方法的实施方式。
对无频偏补偿的下行同步方法和本发明提供的有预频偏补偿的下行同步方法进行对比测试，测试条件包括：取200帧静止状态下的空口数据为样本，数据中频为2330MHz，带宽为20MHz，采样频率为40MHz，子载波间隔为15KHz，信干噪比为10dB左右，令电磁波传播速度c＝3×108m/s，列车移动方向与信号传播方向的夹角θ＝π/2。
如图6所示，在无频偏补偿的下行同步方法中，静止状态时，无频偏补偿的下行同步方法的成功率为99％以上。假设列车移动速度为200km/h，则数据中频处频偏为431.48Hz左右，此时无频偏补偿的下行同步有较大的性能下降。增加列车移动速度至300km/h，此时数据中频处频偏为647.22Hz左右，无频偏补偿的下行同步成功率仅为36％。在本发明提供的有预频偏补偿的下行同步方法中，在移动速度为300km/h的场景下，将精确的频偏补偿至信号中，由于仿真环境下精度的干扰较小，精确补偿后信号与原始信号几乎一致，因此补偿后进行同步的成功率与静止状态下的成功率接近。考虑到真实场景中存在参数传递的时延、硬件时钟的偏差以及多径干扰等原因，算法补偿的频偏并不能精准的还原原始数据。因此，在300km/h的场景下，人为地添加随机频偏进行后续过程，测试结果表明下行同步成功率依旧达到93％。仿真的结果显示，即使人为地添加随机频偏是不精确的补偿，相对于不进行预补偿的传统下行同步方法来说，性能也有较大的提升。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种高速列车的车载5G设备下行同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、用户设备UE向列车设备的接口发送连接请求，UE根据列车设备的应答信息判断是否位于列车设备上，若不位于列车设备上，则进入步骤S4，若位于列车设备上则进行接口连接；
S2、连接成功后，UE通过与列车设备的接口读取列车的定位信息、基站的位置信息以及列车的瞬时速度；
S3、根据列车的瞬时速度判断列车是否处于行驶状态，若列车处于停止状态，则不进行频偏补偿，进入步骤S4；若列车处于行驶状态，则进行预频偏估计后再进行时域预频偏补偿，进入步骤S4；
S4、盲检主同步信号PSS，根据PSS的位置检测辅同步信号SSS，进而得到小区地址ID和帧同步信息；
S5、根据小区ID和帧同步信息，UE接收处理物理广播信道，获得主系统信息MIB，小区搜索完成；
所述进行预频偏估计后再进行时域预频偏补偿具体包括以下步骤：
S31、根据列车的定位信息、基站的位置信息和列车的瞬时速度，计算此时的多普勒频移；
S32、根据计算出的多普勒频移对UE的接收信号进行时域预频偏补偿；
所述时域预频偏补偿包括：根据快速傅里叶变换的频移性对信号进行时域预频偏补偿，计算方式包括：
s'(t)＝s(t)e-j2πΔf(n)t
n＝fτ·t
其中，s'(t)为补偿后的时域信号，s(t)是接收到的原始基带信号，j表示虚数单位，Δf(n)表示预频率偏移量，n为接收到的信号点数，t表示时间，fτ为采样频率；
多普勒频移的计算方式包括：
Figure FDA0003656167200000021
Figure FDA0003656167200000022
Figure FDA0003656167200000023
其中，Δf(n)表示预频率偏移量，fc为接收信号的频率，v为列车瞬时速度，c为电磁波传播速度，θstart为接收信息时刻列车移动方向与信号传播方向的夹角，n为接收到的信号点数，θfin为接收信息10毫秒后列车移动方向与信号传播方向的夹角，a为列车与基站垂直于铁路方向距离，b为列车与基站铁路沿线方向距离，fτ为采样频率。
2.如权利要求1所述的一种高速列车的车载5G设备下行同步方法，其特征在于，UE根据列车设备的应答信息判断是否位于列车设备中包括：UE开机后，向接口发送连接请求信令，若UE未收到列车设备端的应答信令，则UE没有处于列车设备中，若UE收到列车设备端的应答信令，则UE处于列车设备中。
3.一种高速列车的车载5G设备下行同步系统，其特征在于，包括：接口模块、信息获取模块，预频偏补偿模块，下行同步模块，PBCH处理模块，GPS定位模块和/或北斗定位模块，车速仪，
接口模块用于UE与列车之间的信息交互；
信息获取模块用于获取列车设备的参数信息，UE通过此模块读取列车的行驶参数信息和周边基站的定位信息；
预频偏补偿模块用于在下行同步过程前进行预频偏补偿；
下行同步模块用于获取小区地址ID和帧同步信息；
PBCH处理模块用于接收并处理物理广播信道，获得主系统信息MIB；
GPS定位模块和/或北斗定位模块位于列车设备上，用于获取列车的定位信息和基站的位置信息；
车速仪位于列车设备上，用于获取列车设备的运行速度；
所述预频偏补偿模块包括频偏估计模块和频偏补偿模块，频偏估计模块用于下行同步前计算车载UE和基站间的频率偏移，该模块根据信息获取模块传输过来的列车的定位信息、基站的位置信息和列车的瞬时速度计算多普勒频移，多普勒频移的计算方式包括：
Figure FDA0003656167200000031
Figure FDA0003656167200000032
Figure FDA0003656167200000033
其中，Δf(n)为预频率偏移量，fc为接收信号的频率，v为列车瞬时速度，c为电磁波传播速度，θstart为接收信息时刻列车移动方向与信号传播方向的夹角，θfin为接收信息10毫秒后列车移动方向与信号传播方向的夹角，a为列车与基站垂直于铁路方向距离，b为列车与基站铁路沿线方向距离，n为接收到的信号点数，fτ为采样频率；
频偏补偿模块根据频偏估计模块计算出的频率偏移结果在时域上对接收信号进行频偏补偿，恢复原始信号，所述频偏补偿过程基于快速傅里叶变换的频移性，计算方式如下：
s'(t)＝s(t)e-j2πΔf(n)t
n＝fτ·t
其中，s'(t)为补偿后的时域信号，s(t)是接收到的原始基带信号，j表示虚数单位，Δf(n)表示预频率偏移量，n为接收到的信号点数，t表示时间，fτ为采样频率。
4.根据权利要求3所述的一种高速列车的车载5G设备下行同步系统，其特征在于，接口模块中至少包括一个用户设备UE与列车设备间的接口，该接口为一种虚拟接口，使用并行传输方式，用于UE与列车设备间的信息交互。
5.根据权利要求3所述的一种高速列车的车载5G设备下行同步系统，其特征在于，所述信息获取模块包括：信息处理模块和信息存储模块，信息处理模块与接口模块连接，且至少包括一个与接口模块相适应的接口端，信息处理模块用于将读取的参数信息进行压缩和解码，并将处理后的数据传输给信息存储模块；信息存储模块至少包括一个存储器，用于存储数据。
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