CN114650065B - 一种基于多普勒效应的双工通信系统 - Google Patents

一种基于多普勒效应的双工通信系统 Download PDF

Info

Publication number
CN114650065B
CN114650065B CN202011502219.3A CN202011502219A CN114650065B CN 114650065 B CN114650065 B CN 114650065B CN 202011502219 A CN202011502219 A CN 202011502219A CN 114650065 B CN114650065 B CN 114650065B
Authority
CN
China
Prior art keywords
antenna
frequency
doppler
signal
receiving
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011502219.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114650065A (zh
Inventor
马猛
冯浩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Peking University
Original Assignee
Peking University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Peking University filed Critical Peking University
Priority to CN202011502219.3A priority Critical patent/CN114650065B/zh
Publication of CN114650065A publication Critical patent/CN114650065A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114650065B publication Critical patent/CN114650065B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B1/00—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/005—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission adapting radio receivers, transmitters andtransceivers for operation on two or more bands, i.e. frequency ranges
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B1/00—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/38—Transceivers, i.e. devices in which transmitter and receiver form a structural unit and in which at least one part is used for functions of transmitting and receiving
    • H04B1/40—Circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0602—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using antenna switching
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/08—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station
    • H04B7/0802—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station using antenna selection
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L5/00—Arrangements affording multiple use of the transmission path
    • H04L5/14—Two-way operation using the same type of signal, i.e. duplex
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L5/00—Arrangements affording multiple use of the transmission path
    • H04L5/14—Two-way operation using the same type of signal, i.e. duplex
    • H04L5/16—Half-duplex systems; Simplex/duplex switching; Transmission of break signals non-automatically inverting the direction of transmission

Abstract

本发明公开了一种基于多普勒效应的双工通信系统，属于移动通信领域。该系统包括上行用户、下行用户和中心节点，上行用户以上行频率向中心节点发送信号，中心节点以相同的频率向下行用户发射信号，中心节点收到接收信号后，在接收信号中引入多普勒频移，实现上行用户和下行用户使用相同频率同时进行收发。本发明能够充分利用日渐枯竭的频谱资源，相比于传统的时分双工和频分双工，本发明能够有效提高频率使用效率；同时，不需要自干扰消除设备，减少了设备的复杂度和成本。

Description

一种基于多普勒效应的双工通信系统
技术领域
本发明属于移动通信领域，具体涉及一种基于多普勒效应的双工通信系统。
背景技术
多普勒效应是波源和观察者有相对运动时，观察者接受到波的频率与波源发出的频率并不相同的现象。在运动的波源前面，波长变得较短，频率变得较高(蓝移Blueshift)；在运动的波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低(红移Redshift)；波源的速度越高，所产生的效应越大。在移动通信中，当移动台向基站运动时，频率变高；远离基站时，频率变低。
在通信信道中实现双向通信的过程称之为双工(Duplex)。有两种不同的形式分别称为半双工(Half duplex)通信和全双工(Full duplex)通信。数据可以在两个方向上传输，但不能在同一时间使用同一频率同时传输的通信系统称为半双工通信系统。半双工系统中的每个设备都可以发送和接收数据，但它们不能同时使用相同的时间和频率收发数据。在无线通信中，半双工有两种基本形式，即使用两个不同的信道或者时隙进行发射和接收。一种是频分双工(Frequency Division Duplex,FDD)，另一种是时分双工(TimeDivision Duplex,TDD)。此外，同时同频全双工技术(Co-time Co-frequency FullDuplex,CCFD)允许通信节点在同一时频资源同时进行数据收发，可将频谱资源利用率提高一倍。由于其收发同时，发射链路会对接收链路产生严重的自干扰，使其无法正常工作，严重降低了接收链路的信噪比。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于多普勒效应的双工通信系统，实现了上、下行用户使用相同频率同时进行收发。
本发明提供的技术方案如下：
本发明双工通信系统包括一个中心节点和一对上、下行用户，上、下行用户处于中心节点的不同方向，用户处于静止或低速运动的状态，上行用户以中心频率fc向中心节点发送信号，信号带宽为B，即频带范围为
Figure BDA0002843789880000011
同时，中心节点以频率fc向下行用户发送信号，其特征在于，中心节点包括天线阵列、天线选择切换单元、多普勒频移补偿模块、滤波模块和解调模块，天线阵列的接收天线收到接收信号后，利用天线阵列和天线选择切换单元在接收信号中引入多普勒频移，上行用户和下行用户的信号在频域分离，接着由天线选择切换单元将接收信号输入到多普勒频移补偿模块，多普勒频移补偿模块产生一个与上行用户信号多普勒频移相反的时变频率信号，上行用户信号与时变频率信号相乘后，再利用滤波模块和解调模块，消除上行信号中的干扰信号，实现上行用户和下行用户使用相同频率同时进行收发。
本发明天线阵列半径为r，中心有一根发射天线，以发射天线为圆心等距离地分布着N根接收天线。产生多普勒频移的方法主要为两种：第一种方法是天线阵列旋转。即天线阵列以ω的角速度旋转，在天线选择切换单元的控制下，某一时刻仅有一根接收天线与接收链路联通，其它接收天线则与接收链路断开。在某一根接收天线上，上行用户信号会由于接收天线的圆周运动产生不同的多普勒频移。第二种方法是循环采样的方式。天线阵列不旋转，N根接收天线对应于N个电子开关，每个电子开关对应于N个输入一个输出，N个输入连接N根接收天线，电子开关的切换周期为△t。第一个电子开关依照接收天线1，2，…，N的顺序依次循环切换，第二个电子开关依照N，1，2，…，N-1的顺序依次循环切换，以此类推，第N个电子开关依照接收天线2，3，…，N，1的顺序依次循环切换。每一个电子开关的依次切换接收天线等效于天线做圆周运动，每一个电子开关切换接收天线的顺序等效于做圆周运动的天线在不同的位置。每一个电子开关的输出信号等效为一根在圆形阵列不同位置的接收天线旋转产生的信号。
本发明在t时刻第n根接收天线的瞬时运动速度方向与上行用户信号的入射方向夹角，即到达角表示为θn(t)，上行用户信号在第n根接收天线处产生的多普勒频移可以表示为下面式子，
Figure BDA0002843789880000021
其中C为光速。
首先根据(1)式可以计算出上行用户在每根接收天线处产生的多普勒频移，然后天线选择切换单元控制电子开关打开所有接收天线中多普勒频移最大的接收天线接通接收链路。除了计算多普勒频移，也可以通过频率测量的方法测量各接收天线的多普勒频移，天线选择切换单元选择多普勒频移最大的一根接收天线接收信号。
由于中心节点处的发射天线位于圆形天线阵列中心，所以由中心节点发送给下行用户的信号在所有中心节点的接收天线处多普勒频移为0。
在移动通信领域，本发明能够同时同频进行收发服务，能够充分利用日渐枯竭的频谱资源，相比于传统的时分双工和频分双工，能够有效提高频率使用效率。
本发明另外一个优点是减少设备复杂度和成本。即传统的全双工技术，发射链路会对接收链路产生严重的自干扰，需要使用自干扰消除设备进行干扰消除，设备复杂成本高，而本发明利用天线旋转或循环采样的方式产生多普勒效应，在频域分离上行和下行用户信号，不需要自干扰消除设备，减少了设备的复杂度和成本。
附图说明
图1为本发明基于多普勒效应的双工通信系统框图，系统包括一个中心节点和一对上、下行用户，上、下行用户处于中心节点的不同方向，中心节点包括天线阵列、天线选择切换单元、多普勒频移补偿模块、滤波模块和解调模块；
图2为本发明双工通信系统的天线阵列旋转示意图，天线阵列半径为r，中心有一根发射天线，以发射天线为圆心等距离地分布着N根接收天线，天线阵列以ω的角速度旋转；
图3为本发明双工通信系统中天线阵列旋转的天线选择切换单元的原理图，细虚线为中心节点各接收天线处上行用户的瞬时频率曲线，经过天线选择切换单元的选择，粗实线为上行用户所选接收天线的瞬时频率曲线，粗虚线为下行用户所选接收天线的瞬时频率曲线；
图4为本发明双工通信系统中天线阵列旋转的多普勒频移补偿原理图，接收信号经过多普勒频移补偿模块后，使用频综器产生一个与上行用户信号多普勒频移相反的时变频率信号，此时上行用户瞬时频率曲线不随时间变化如实线所示，虚线为下行用户的瞬时频率曲线。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，为本发明基于多普勒效应的双工通信系统框图。系统由一个中心节点，一组上、下行用户组成。上、下行用户处于中心节点的不同方向，用户处于静止或低速运动的状态，上行用户以中心频率fc向中心节点发送信号。同时，中心节点以频率fc向下行用户发送信号。中心节点由天线阵列，天线选择切换单元，多普勒频移补偿模块，滤波模块和解调模块组成。天线阵列中的接收天线和发送天线进行信号的接收和发送，本发明在接收信号中引入多普勒频移，包括两种方法：第一种方法是天线阵列旋转方式。第二种方法是循环采样的方式。通过两种方法能够使上、下行用户的信号在频域分开。然后需将接收信号传入到多普勒频移补偿模块，使得上行用户信号的中心频率不再随时间改变，之后经过滤波模块滤除带外干扰，通过解调模块使用传统的方法即可解调上行用户信号。
如图2所示，本发明基于多普勒效应的双工通信系统的天线阵列旋转示意图，上、下行用户处于中心节点的不同方向，用户处于静止或低速运动的状态。中心节点的天线阵列半径为r，以ω的角速度旋转，中心有一根发射天线，以发射天线为圆心等距离地分布着N根接收天线，在某一时刻仅有一根接收天线与接收链路联通，其它接收天线则与接收链路断开。
系统中上行用户以中心频率fc向中心节点发送数据，同时中心节点以频率fc向下行用户发送信号。中心节点的接收天线会同时收到上行用户发送的信号以及中心节点为下行用户发送的信号。在接收天线上，上行用户信号会由于天线阵列的圆周运动产生多普勒频移，上行用户信号和下行用户信号在频域已经分开，如图3所示。且由于中心节点处的发射天线位于天线阵列中心，所以由中心节点发送给下行用户的信号在所有中心节点的接收天线处多普勒频移为0。
本发明在t时刻第n根接收天线的瞬时运动速度方向与上行用户信号的入射方向夹角，即到达角表示为θn(t)，上行用户信号在第n根接收天线处产生的多普勒频移可以表示为下面式子，
Figure BDA0002843789880000041
其中C为光速。
首先根据(1)式可以计算出上行用户在每根接收天线处产生的多普勒频移，然后天线选择切换单元控制电子开关打开所有接收天线中多普勒频移最大的接收天线接通接收链路。
为了继续解调上行用户信号，需将上行用户信号传入到多普勒频移补偿模块，该模块使用频综器产生一个与上行用户信号多普勒频移相反的时变频率信号，将上行用户信号与频综器产生的时变频率信号相乘，使得上行用户信号的中心频率不再随时间改变，如图4中实线为上行用户所选天线瞬时频率曲线，虚线为下行用户所选天线的瞬时频率曲线。之后经过滤波模块滤除带外干扰，通过解调模块使用传统的方法即可解调上行用户信号。
多普勒频移补偿模块和滤波模块可以在射频也可以在中频或基带，即可以在下变频调解前，也可以在下变频调解后。对于未能完全滤除干扰部分的信号，还可以采用交织、前向纠错码等技术来解决。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种基于多普勒效应的双工通信系统，包括中心节点、上行用户和下行用户，所述上行用户和下行用户处于中心节点的不同方向，上行用户以中心频率fc向中心节点发送信号，中心节点以频率fc向下行用户发送信号，其特征在于，中心节点包括天线阵列、天线选择切换单元、多普勒频移补偿模块、滤波模块和解调模块，天线阵列的接收天线收到接收信号后，利用天线阵列和天线选择切换单元在接收信号中引入多普勒频移，上行用户和下行用户的信号在频域分离，接着由天线选择切换单元将接收信号输入到多普勒频移补偿模块，多普勒频移补偿模块产生一个与上行用户信号多普勒频移相反的时变频率信号，上行用户信号与时变频率信号相乘后，再利用滤波模块和解调模块，消除上行信号中的干扰信号，实现上行用户和下行用户使用相同频率同时进行收发。
2.如权利要求1所述的基于多普勒效应的双工通信系统，其特征在于，所述天线阵列半径为r，天线阵列中心有一根发射天线，以发射天线为圆心等距离分布N根接收天线。
3.如权利要求2所述的基于多普勒效应的双工通信系统，其特征在于，天线阵列以ω的角速度旋转，在天线选择切换单元的控制下，某一时刻仅有一根接收天线与接收链路联通，其它接收天线则与接收链路断开，实现接收信号产生多普勒频移。
4.如权利要求2所述的基于多普勒效应的双工通信系统，其特征在于，天线阵列在输出接口处有N条输出链路，该N条输出链路分别对应N根接收天线，所述天线选择切换单元控制N个电子开关，每个电子开关对应于N根接收天线和一个输出链路，每一个电子开关依次切换接收天线，电子开关的切换周期为△t，第一个电子开关依照接收天线1，2，…，N的顺序依次循环切换，第二个电子开关依照N，1，2，…，N-1的顺序依次循环切换，以此类推，第N个电子开关依照接收天线2，3，…，N，1的顺序依次循环切换，实现接收信号产生多普勒频移。
5.如权利要求3所述的基于多普勒效应的双工通信系统，其特征在于，在t时刻第n根接收天线的瞬时运动速度方向与上行用户信号的入射方向夹角，表示为θn(t)，上行用户信号在第n根接收天线处产生的多普勒频偏表示为，
Figure FDA0002843789870000011
其中C为光速；通过计算得到多普勒频移，天线选择切换单元选择多普勒频移最大的接收天线接收信号。
6.如权利要求1所述的基于多普勒效应的双工通信系统，其特征在于，天线选择切换单元通过频率测量的方法测量各接收天线的多普勒频移，天线选择切换单元选择多普勒频移最大的接收天线接收信号。
7.如权利要求1所述的基于多普勒效应的双工通信系统，其特征在于，多普勒频移补偿模块使用频综器产生与多普勒频移相反的时变频率信号。
CN202011502219.3A 2020-12-18 2020-12-18 一种基于多普勒效应的双工通信系统 Active CN114650065B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011502219.3A CN114650065B (zh) 2020-12-18 2020-12-18 一种基于多普勒效应的双工通信系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011502219.3A CN114650065B (zh) 2020-12-18 2020-12-18 一种基于多普勒效应的双工通信系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114650065A CN114650065A (zh) 2022-06-21
CN114650065B true CN114650065B (zh) 2023-03-24

Family

ID=81990369

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011502219.3A Active CN114650065B (zh) 2020-12-18 2020-12-18 一种基于多普勒效应的双工通信系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114650065B (zh)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4041496A (en) * 1976-04-26 1977-08-09 Norris Paul R Automatic direction finding system
US6339396B1 (en) * 2000-02-17 2002-01-15 Lockheed Martin Corp Location of the radio frequency emitting targets
CN1404247A (zh) * 1995-07-12 2003-03-19 艾利森公司 卫星/蜂窝双模式终端
CN101232316A (zh) * 2008-01-17 2008-07-30 华南理工大学 一种基于移动wimax的波达方向估计方法
CN102868435A (zh) * 2012-09-06 2013-01-09 中国铁路通信信号股份有限公司 一种能补偿多普勒效应的自适应阵列天线系统
CN103684564A (zh) * 2013-12-23 2014-03-26 北京大学 基于多天线的同频同时双工的通信方法和系统
CN111385229A (zh) * 2018-12-29 2020-07-07 中兴通讯股份有限公司 多普勒频移的确定方法及装置

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4258328B2 (ja) * 2003-09-12 2009-04-30 オムロン株式会社 ２周波ドップラ測距装置およびその装置を備えた検出システム
US8200244B2 (en) * 2010-05-24 2012-06-12 Nice Systems Ltd. Method and system for mobile station location
US9075126B2 (en) * 2012-06-28 2015-07-07 Raytheon Company Ground location inertial navigation geopositioning system (groundlings)

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4041496A (en) * 1976-04-26 1977-08-09 Norris Paul R Automatic direction finding system
CN1404247A (zh) * 1995-07-12 2003-03-19 艾利森公司 卫星/蜂窝双模式终端
US6339396B1 (en) * 2000-02-17 2002-01-15 Lockheed Martin Corp Location of the radio frequency emitting targets
CN101232316A (zh) * 2008-01-17 2008-07-30 华南理工大学 一种基于移动wimax的波达方向估计方法
CN102868435A (zh) * 2012-09-06 2013-01-09 中国铁路通信信号股份有限公司 一种能补偿多普勒效应的自适应阵列天线系统
CN103684564A (zh) * 2013-12-23 2014-03-26 北京大学 基于多天线的同频同时双工的通信方法和系统
CN111385229A (zh) * 2018-12-29 2020-07-07 中兴通讯股份有限公司 多普勒频移的确定方法及装置

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《Doppler Effect Reduction in an OFDM System Thanks to Massive MIMO》;Alexis Bazin.etc;《 IEEE Access》;20180609;全文 *
《基于阵列天线的空中目标搜索与跟踪》;王韬;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》;20061001;全文 *
同频同时全双工技术浅析;焦秉立等;《电信网技术》;20131115(第11期);全文 *
多普勒频移对空域自适应滤波的影响研究;曾浩等;《计算机工程》;20131015(第10期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114650065A (zh) 2022-06-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2521272B1 (en) Reduced-complexity antenna system using multiplexed receive chain processing
EP1172944B1 (en) Wireless transmitter and receiver
KR100421139B1 (ko) 시분할 듀플렉싱 부호분할다중접속 이동통신시스템을 위한타임 스위치드 전송 다이버시티 장치 및 방법
KR100353641B1 (ko) 부호분할다중접속 이동통신시스템의 기지국 전송 안테나다이버시티 장치 및 방법
CN103401581B (zh) 移动台、移动无线电通信系统和移动无线电通信方法
KR100712070B1 (ko) 다중안테나 시스템의 멀티캐리어 무선 전송 시스템
MXPA05002524A (es) Operacion de adaptacion de un filtro de senal piloto con base en la velocidad de la unidad movil.
EP1526668B1 (en) Multi-carrier transmitting apparatus
KR101002181B1 (ko) 시분할 듀플렉스(ｔｄｄ) 타이밍의 자체-최적화 및 적응형변조 임계
JP5884737B2 (ja) 無線通信装置
Choi et al. 60-GHz OFDM systems for multi-gigabit wireless LAN applications
CN112994737B (zh) 一种rake与mmse协同的解扩传输方法
CN114650065B (zh) 一种基于多普勒效应的双工通信系统
WO2007003096A1 (fr) Récepteur et système de communication radio permettant de réduire la vitesse de multiplexe de fréquence
CN115987739A (zh) 一种基于双时间尺度的通信感知一体化信号处理方法
CN113472396B (zh) 一种基于多普勒效应的上行空分多址系统及实现方法
JP2001168788A (ja) 無線通信システムおよび無線通信装置
Ibrahim et al. Basic of 5G networks
CN202309695U (zh) 一种无线通讯设备
KR101089056B1 (ko) 광 중계기를 이용한 와이브로 서비스 시스템
JPH07183837A (ja) 等化復調器
JPH11331042A (ja) Ｃｄｍａセルラ無線基地局装置及び移動局装置及び送信方法及び受信方法
Guo et al. An OFDM Based Indoor GPS Retransmission System

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant