CN111698186B - 适用于高铁的无线通信方法 - Google Patents

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Abstract

一种高铁上移动通信设备组网方法，高铁上放置车载基站和专用用户设备，利用车厢外基站侧下行频偏估计的结果，预估频偏补偿值，将频偏补偿值的数字域定点值预存在专用用户设备内，用频偏补偿值查表获取频偏补偿值的N个样点值的实虚部定点值，在基带信号IFFT变换前进行频偏补偿，简化运算量，以最大程度消除高速移动中频偏带来的信号接收质量下降。本发明能够显著消除在高速移动中频偏带来的信号接收质量下降，可以有效避免在高速移动环境下存在明显的多普勒效应的问题，为车地之间提供稳定、宽带及可靠地通信服务。

Description

适用于高铁的无线通信方法
技术领域
本发明涉及的是一种无线通信领域的技术，具体是一种适用于高铁的无线通信方法。
背景技术
根据未来的发展趋势和目前的运营状况，高铁信号覆盖方案需要满足350km/h以上的高速行驶要求，同时克服全封闭车厢对手机终端信号24dB以上的衰耗。由于高速移动环境下的信号覆盖具有特点包括：沿线地形复杂、无线电传播环境恶劣；列车的快速移动，信号传播的连续性和可靠性至关重要；列车穿透损耗大：列车车身由金属包裹，屏蔽效应明显；话务量存在突发：对于高速铁路，用户分布在车厢内，沿线在一般情况下话务量需求接近零，列车经过时话务量剧增，导致忙时话务量和闲时话务量差距明显，呈现明显的波动趋势；另外，枢纽地区用户密度高，区间用户密度低；线状覆盖：铁路线一般呈线状分布，因此铁路沿线的基站也呈线状分布，多普勒效应明显，在5GHz的高载波频率下，单向多普勒频移达到800多Hz，导致无线信号的接收质量急剧下降，极大地影响用户体验。因此针对高速移动场景的移动通信网络覆盖，目前通常有两种组网形式：专网方式和大网方式，专网组网即以专用网络覆盖所要解决的高速沿线，专用网络与大网相对独立，除了在停车站台、候车厅等旅客上下车和列车停留地方作为缓冲区与大网相互允许切换外，沿线禁止与大网发生切换。除缓冲区外，沿线覆盖组成一个带状覆盖区，覆盖车体经过的区域。大网组网方式不单独考虑高速场景的覆盖，与其它场景合为一体统一由室外宏蜂窝提供覆盖。
专网组网的缺点在于：
1)网络规划困难：为了保证高速列车中用户的网络信号接受质量，抵御车厢的穿透损耗，基站间距需要尽可能缩短；而另一方面，为满足切换的需要以及减少切换及小区重选的次数，基站间又要保持尽量长的距离，进退两难。
2)群切换和多普勒频移问题仍然无法解决：车厢内用户仍然通过车厢外基站接入，车厢外密集的专网覆盖导致了更为严重的群切换问题；同时，旅客终端无法应用先进的算法以应对复杂多普勒频移场景。
3)巨额的经济成本是运营商不能承受之重：为保证覆盖质量，需要建设大量的基站作为支撑。随着后续高铁的继续建设，所需基站数量还将持续攀升，投资巨大，工程周期较长，规划难度加大。
大网组网的缺点在于：
1)大网覆盖的基站难以提供良好的高速铁路沿线覆盖。高速移动场景的无线参数设置需与常规不同，大网组网难以同时兼顾高速移动场景(车体损耗大、频繁的小区切换、重叠区的设计、强烈的多普勒频移)和周边普通场景的参数设置需求。
2)高速铁路和周边区域的规划优化需求不同，两者互相牵制，造成规划及优化难度加大，后期维护成本高。
发明内容
本发明针对上述现有技术的问题，提出一种适用于高铁的无线通信方法，能够显著消除在高速移动中频偏带来的信号接收质量下降，可以有效避免在高速移动环境下存在明显的多普勒效应的问题，为车地之间提供稳定、宽带及可靠地通信服务。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种高铁上移动通信设备组网架构，包括：
车载基站，该基站为车厢内的用户提供无线通信服务并通过用户设备接入移动网络；
专用用户设备，该用户设备与车厢外的固定基站通过无线通信。
所述的车载基站与高铁车厢内的所有用户终端保持相对静止状态，不存在多普勒效应。
所述的专用用户设备，包括：
下行频偏估计单元，该单元将下行信号功率超过门限值频偏估计的结果上报到预估频偏补偿单元；
预估频偏补偿值单元，该单元利用频偏估计结果预估频偏补偿值；
频偏补偿运算单元，该单元利用当前的预估频偏补偿值计算实际频偏值并进行频偏预校准。
车载基站与车厢外的固定基站通信，由于高铁高速运行，存在多普勒效应。
所述的专用用户设备与车载基站相连，与车厢外基站通信，利用高速下行频偏补偿方法克服车载基站与室外基站通信时由于高速而产生的多普勒效应。
本发明涉及一种高速下行频偏校正的配置和实现方法，利用车厢外基站侧下行频偏估计的结果，预估频偏补偿值，将频偏补偿值的数字域定点值预存在专用用户设备内，用频偏补偿值查表获取频偏补偿值的N个样点值的实虚部定点值，在基带信号IFFT变换前进行频偏补偿，简化运算量，以最大程度消除高速移动中频偏带来的信号接收质量下降。
技术效果
本发明整体解决了高速移动环境(如：高铁等)、载波频率高的移动通信系统车体穿透损耗大、高速带来频繁的切换、重叠区难以满足切换和重选的需求等问题。
与现有技术相比，本发明能够有效克服车体损耗：无车体损耗问题。本发明消除频繁的群切换问题：高铁旅客进入车厢后，即通过车厢内无线网络接入，在列车运行过程中，没有小区间切换问题，更不存在群移动导致的信令风暴问题。本发明有效克服多普勒效应：车载基站部署在车厢内，与运动中的车体保持相对静止状态，不存在多普勒效应；利用专用用户设备，最大程度地消除高速对其产生的多普勒效应。
附图说明
图1为车载基站与专用用户设备连接通过无线接入移动网络；
图2为下行频偏估计示意图；
图3为预估频偏补偿值示意图；
图4为查表对下行数据进行频偏补偿运算示意图。
具体实施方式
本实施涉及一种高铁上移动通信设备组网方法，高铁上放置车载基站和专用用户设备。车载基站为车厢内的用户提供无线通信服务服务；车载基站通过专用用户设备接入移动网络。
本实施例涉及一种用于频偏补偿方法，利用车厢外基站侧下行频偏估计的结果预估频偏补偿值，并将频偏补偿值的数字域定点值预存在专用用户设备内，用频偏补偿值查表获取频偏补偿值的N个样点值的实虚部定点值，在基带信号IFFT变换前进行频偏补偿，简化运算量，用以最大程度消除高速移动中频偏带来的信号接收质量下降。
如图1所示，所述的下行频偏估计是指：通过专用用户设备的物理层下行单元将下行有用用户，即下行信号功率超过某一门限值(此门限值由外场测试获得)的终端的频偏估计的结果上报到物理层。
所述的有用用户是指下行信号功率超过某一门限值(此门限值由外场测试获得)的用户。
如图2所示，所述的预估频偏补偿是指：当物理层收到频偏估计值时，判断其是否为零，不为零进行累加，并计数器加1；为零不累加，计数器不变。
当下行传输时间结束后，预估频偏补偿值单元开始计算非零值的平均值：非零值累加结果/非零值个数。
最后，将本次获得的平均值与上一次频偏补偿值比较，当本次获得的平均值大于上一次频偏补偿值，将上一次频偏补偿值+步长(步长采用但不限于为20Hz)作为预估频偏补偿值；当本次获得的平均值小于上一次频偏补偿值，将上一次频偏补偿值-步长(步长采用但不限于为20Hz)作为预估频偏补偿值。
如图3所示，所述的对下行数据进行频偏补偿运算为指：通过以步长为1，从0开始至N-1结束，循环计算
Figure BDA0002508258280000031
得到定点化实虚部表格，其中：N为采样点个数；
Figure BDA0002508258280000041
v为高铁行进速度、f为车厢外基站频点中心频率、c为光速、θ为终端与基站通信方向的夹角；再将下行数据IFFT变换前的值与查找表的结果进行复数乘获得频偏补偿后的值。
与现有技术相比，由于对频偏预校准时使用的当前下行频偏预校准值都比之前使用的历史下行频偏预校准值更接近下行频偏值fd，因此使用当前下行频偏预校准值进行频偏预校准后专用用户设备对车厢外基站的信号发送频率更接近于f-fd，那么经过信道多普勒频移后车厢外基站接收频率更接近于车厢外基站的工作频点f，进而使得车厢外基站的解调信号中不会存在较大的频偏，有效地提高了终端的信号检测性能。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种适用于高铁的无线通信方法，其特征在于，利用车厢外基站侧下行频偏估计的结果，预估频偏补偿值，将频偏补偿值的数字域定点值预存在专用用户设备内，用频偏补偿值查表获取频偏补偿值的N个样点值的实虚部定点值，在基带信号IFFT变换前进行频偏补偿，简化运算量，以最大程度消除高速移动中频偏带来的信号接收质量下降。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的下行频偏估计是指：通过专用用户设备的物理层下行单元将下行有用用户，即下行信号功率超过某一门限值的终端的频偏估计的结果上报到物理层。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的对下行数据进行频偏补偿运算为指：通过以步长为1，从0开始至N-1结束，循环计算
Figure FDA0002508258270000011
得到定点化实虚部表格，其中：N为采样点个数；
Figure FDA0002508258270000012
v为高铁行进速度、f为车厢外基站频点中心频率、c为光速、θ为终端与基站通信方向的夹角；再将下行数据IFFT变换前的值与查找表的结果进行复数乘获得频偏补偿后的值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的预估频偏补偿是指：当物理层收到频偏估计值时，判断其是否为零，不为零进行累加，并计数器加1；为零不累加，计数器不变；
当下行传输时间结束后，预估频偏补偿值单元开始计算非零值的平均值：非零值累加结果/非零值个数；
最后将本次获得的平均值与上一次频偏补偿值比较，当本次获得的平均值大于上一次频偏补偿值，将上一次频偏补偿值+步长作为预估频偏补偿值；当本次获得的平均值小于上一次频偏补偿值，将上一次频偏补偿值-步长作为预估频偏补偿值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述的步长采用20Hz。
6.一种实现上述任一权利要求所述方法的专用用户设备，其特征在于，包括：下行频偏估计单元，该单元将下行信号功率超过门限值频偏估计的结果上报到预估频偏补偿单元；预估频偏补偿值单元，该单元利用频偏估计结果预估频偏补偿值；频偏补偿运算单元，该单元利用当前的预估频偏补偿值计算实际频偏值并进行频偏预校准。
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