CN1996816A - 无线传输的多普勒效应补偿 - Google Patents

Abstract

本发明的目标是保持在移动着的交通工具(移动体)与固定的基站之间的通信信号的延迟为常数。这通过一种多普勒补偿方法来完成，该多普勒补偿方法用于经由移动体和某个基站之间的无线传输来传输的帧内的数据，移动体和基站都分别包括与用于该无线传输的天线相连的收发器。该方法包括步骤：确定针对该移动体相对于该基站的给定的移动速度和方向，当帧作为信号通过该无线传输进行传输时，作用在该帧上的多普勒效应。接下来的步骤是：由该收发器应用包括向该信号分配不同的时间延迟的某个抽样过程，遵循适于补偿所确定的多普勒效应的规则来选择该不同的时间延迟。

Description

无线传输的多普勒效应补偿

相关申请的交叉引用

本发明基于欧洲优先申请EP06290055.0，这里通过引用的方式合并其内容。

技术领域

本发明涉及一种多普勒补偿方法，其用于经由移动体和基站之间的无线传输来传输的帧内的数据，移动体和基站都分别包括与用于无线传输的天线相连的收发器。此外，它涉及一种包括与天线和抽样单元相连的收发器的无线频率设备，该无线频率设备用于处理来自该无线传输的信号。本发明还涉及基站和移动体，它们都包括这种用于经由该无线传输的连接的无线频率设备。

背景技术

在移动着的交通工具(移动体)与固定在地面的基站之间的无线传输的频谱会经历一些来自于多普勒效应的变化是公知的。这种效应对应着一种相位噪声，当移动体的运动方向与电磁波的传播方向相平行时，来自这种无线链路的电磁波会遭受这种相位噪声。对于实际使用的基于被很好地分隔的频率信道的无线传输技术(参见GSM或甚至UMTS)而言，通常可以忽略这种相位噪声或信号衰退。

但是，对于基于试图使用其全部容量的多载波传输的技术而言，可能不再是这样的情形。对于例如正交频分复用(OFDM)这就是典型情况，正交频分复用是一种被用于无线传输的与IEEE标准802.16相兼容的技术，其中该标准也被称为微波接入的世界范围协同工作(WorldwideInteroperability from Microwave Access)的首字母缩写WIMAX，其看起来是当今正在讨论的用于移动双向通信的最有前途的技术之一。对于这种技术，对多普勒效应的敏感性可能不再可以忽略，因为将频率信道选择成具有非常窄的频率间隔。例如，在OFDM中，频率间隔被设置为致使由多载波传输的第n个子载波所发送的调制频带信号与由第n+1个子载波所发送的调制频带信号间的相关性变为零。在发送侧基于OFDM方案的装置使用串/并转换器来将串行数据转换成包括多(例如N)个符号的并行数据。并且将逆快速傅立叶变换(IFFT)运算单元用在待转换成时间信号的频率数据上，其中已经复用了子载波频率分量。该结果的实部和虚部被用于正交调制，而发射机将已调制的信号上变频到高频信号。在接收侧，通过与在发送侧所执行的操作相反的操作(即通过使用FFT的时间到频率的转换)，调制并输出通过这种无线链路由N个子载波传输N个符号(OFDM符号)。

根据OFDM，带有重叠频带的频率分配变得可能，由此能够获得频谱效率的改善。OFDM与对其载波独立地进行调制的其它多载波传输方案不同，并且因为调制/解调通过FFT一次(at a stroke)完成，所以可以在各载波间建立正交关系。此外，通过在发送侧加上保护间隔信号，可以消除由多径延迟造成的符号间干扰。如果采用遵照一个OFDM符号的IFFT输出信号作为一个单元，那么保护间隔信号的插入表示将该信号的尾端部分复制到其首端。这样，使用OFDM，多径均衡(multipathequalization)基本上就不需要了。然而，为了避免导致性能下降，必须以不会发生符号间干扰的方式来设置比系统内所预想的最大多径延迟时间更大的保护间隔。虽然插入保护间隔使得消除多径造成的干扰影响成为可能，但是带来的折衷在于该保护间隔同时减小了传输效率。为了减轻在传输效率方面的下降，必须使OFDM符号持续时间尽可能长，也即使保护比率尽可能小。出于这个观点，应该使给定带宽内的载波间隔较小，也即应该增加载波的数目。

然而，由于衰退的原因，接收信号不仅沿着时间方向变化，而且还沿着频率方向变化，后者就是多普勒频移。直接与移动体的运动速度成比例的多普勒频移在最大多普勒频率的范围内产生。如果载波间隔较小，那么这种变化大于一个载波，并且很难在接收侧实现载波同步。结果，发生频率选择性衰退并且接收机处的性能降低，在该频率选择性衰退中，维持的变化取决于频率而不同。产生这种结果的原因是：因为频率波动从一个载波至另一个载波(或者更加特别地，在相干带宽内从一个载波群到另一个载波群)相互独立，因此产生载波间的干扰。为了抑制由于该干扰所造成的性能的降低，必须使载波间隔尽可能大。这样，就存在关于传输效率的折衷。

在EP1460780B1中，描述了一种能够安装在移动体上的天线装置，该天线装置包括多个接收天线。这些天线由切换开关来控制，这些切换开关用于分别使该多个接收天线中的每个天线在连接状态和断开状态间进行切换。信息处理电路基于交通工具相对于已接收信号的传播方向的移动方向和速度来控制那些切换开关。从广播站的已知位置和得自例如GPS的当前交通工具的位置来确定该信息。它使得能够在交通工具接收OFDM信号时抑制多普勒效应，并且因此，甚至当交通工具正在移动时使得能够通过基于可能发生的多普勒效应而不是信号电平来控制天线的切换而完成较好的接收，其中所述信号电平在天线之间不一定有区别。

对于IEEE802.16标准，其是当今正在讨论的用于移动(移动体)双向通信的最受欢迎的技术之一，适用下列估计：高至100公里/小时，可忽略影响；高至200公里/小时，信号质量稍微下降，但是仍能接受；超过200公里/小时，效应变得越来越重要并且严重降低信号质量。在400公里/小时，其是现代长距离列车的目标速度，绝对需要多普勒补偿。当所用技术是基于更小的频率信道间隔以增加传输容量时，这种情况可能更糟糕，也即当超过其时多普勒效应变得越来越重要的速度极限可能变得更小。

发明内容

考虑到上述内容，本发明的一个目的是找到一些替代使用多个天线的可供选择的方法，以致可以以更加灵活的方式来保证多普勒补偿而不以传输容量作为代价。

根据本发明，通过一种多普勒补偿方法来达到这个目的，该多普勒补偿方法用于经由移动体(可能是但是不限于是列车)和基站之间的无线传输来传输的帧内的数据，移动体和基站都分别包括与用于无线传输的天线相连的收发器。该方法包括步骤：确定当对于该移动体相对于基站的给定的移动速度和方向，将帧作为信号经由该无线传输进行传输时，作用在这些帧上的多普勒效应。接着是步骤：由收发器应用某个包括向信号分配不同时间延迟的抽样过程，遵循适于补偿所确定的多普勒效应的规则来选择该不同时间延迟。

在根据本发明的多普勒补偿方法的第一实现中，在从无线传输接收到信号时执行抽样。对于接收侧的多普勒补偿，接着复用相应地延迟的样本以重新生成通过该无线传输进行传输的帧。

在根据本发明的多普勒补偿方法的第二实现中，在复用生成的帧之后且在经由该无线传输来传输相应的信号之前执行抽样。这种实现对应着发送侧的多普勒补偿。

在一替代实现中，抽样过程这样完成：经过沿着路径具有不同输出的传导路径来传输信号，根据要分配的时间延迟来在各个输出处分接出样本。在第二替代实现中，抽样过程这样完成：经过作为具有不同传播时间属性的延迟线的传导路径来传输信号。在第三替代实现中，抽样过程这样完成：使用先进先出〔FIFO〕缓存器以致以写入速率R_w在FIFO中缓存信号，该写入速率R_w不同于从该FIFO中读取样本的读取速率R_r，速率R_r和R_w间的比率遵循适于补偿所确定的多普勒效应的规则。

在一个根据本发明的特定实现中，在相等的时间间隔上执行对多普勒效应的新确定是有利的。在移动物体的显著加速或减速的情况下，这特别合适。

本发明还涉及一种包括与天线相连的收发器的无线频率设备。根据本发明的无线频率设备还包括判定单元，其分析当帧作为信号通过该无线传输进行传输时作用在帧上的多普勒效应。该判定单元从收发器控制抽样单元以致由抽样单元将不同的时间延迟分配给信号，遵循适于补偿所确定的多普勒效应的规则来选择不同的时间延迟。

在第一替代实施例中，在接收侧也即在已被多普勒效应衰退的信号上执行多普勒补偿。在那种情况下，使用根据本发明的无线频率设备以致由抽样单元来处理从无线传输接收的信号，该信号被相应地延迟。这有利地通过在复用信号以重新生成从该无线传输接收的帧之前将信号传输经过时间延迟单元而实现。

在第二替代实施例中，在发送侧执行多普勒补偿作为一种“预补偿”。接着，使用该无线频率设备以致由抽样单元来对已经生成的帧进行抽样，因此通过将所获得的样本传输经过时间延迟单元进行相应的延迟以生成要经由无线传输进行传输的信号。

在根据本发明的实施例中，时间延迟单元包括沿着路径具有不同输出的传导路径，在该不同的输出处分接出样本。通过在传导路径的不同输出处分接出信号来获得相应的不同时间延迟。在一个替代实施例中，时间延迟单元包括在他们的传播时间属性方面各自相异的传导路径。在另一个替代实施例中，延迟单元由先进先出(FIFO)缓存器制成以致以写入速率R_w在该FIFO中进行写入，该写入速率R_w不同于从FIFO中进行读取的读取速率R_r，相应地定义速率R_r和R_w之间的比率以补偿已确定的多普勒效应。

有利地，如此定义根据本发明的所有实施例以致存在针对基站和/或移动体的特殊的适应性修改，该基站经由无线传输与以相对于该基站的某个给定速度和方向进行移动的移动体相连。特别地，这种基站和/或移动体包括根据本发明的在接收侧和/或发送侧应用了多普勒补偿的无线频率设备。

在从属权利要求、后续描述和附图中描述了本发明的有利的发展。

附图说明

现在，将参考附图进一步解释本发明的示例性实施例，其中：

图1是根据本发明的原理的示意图；

图2是根据本发明的实施例的示意图；

图3是根据本发明的替代实施例的示意图。

本发明的目标是保持移动着的交通工具(移动体)上的通信设备与固定的地面站(基站，BS)之间的信号延迟为常数。由于现代数据传输系统经常不是连续地而是以帧结构的形式来传输其信息，因此不需要连续地保持延迟为常数(连续地保持延迟为常数在物理上是不可能的)。事实上，仅仅针对当必须将帧元作为经由无线传输的信号来接收或发送的时候执行多普勒补偿就足够了。

具体实施方式

在图1中，描述了根据本发明的思想的原理。在移动着的交通工具(这里是列车)上安装的天线与这个交通工具上的接入设备之间插入“望远镜”延迟线。在这种方式中，可以取决于该望远镜的实际长度向已接收的信号添加可变时间延迟。如果在从交通工具向地面站(BS)传输帧元期间交通工具朝该地面站(BS)移动，那么将该望远镜调节到最小长度。并且在接收该帧元期间，连续地增大该望远镜的长度以便相应于在该地面站和交通工具之间的信号由于交通工具移动的原因而减少的时间延迟量而添加额外的时间延迟。以这种方式，有可能将总延迟保持为常数，因此补偿任何使所传输信号衰退的多普勒效应。

在图2中，示出了根据本发明的实际的实施例。上面描述的作为学术模型的机械模型可以以不再存在机械(望远镜)可变的延迟线的方式来实现。根据本发明可以以下面的方式来做到这点。在分别具有增加的长度并由此具有增加的延迟的时间延迟线阵列中并行地馈送由天线接收的信号。还可以想像，延迟线长度相近但是具有不同的传播时间属性，例如使用不同材料组合。无论如何，所有延迟线的输出端与复用和抽样设备的相应数量的输入相连。选择延迟线输出，其延迟被添加到移动着的交通工具与地面站之间的信号延迟上使得提供总的常数延迟。这可以通过控制不同时间延迟阵列来获得，有可能使用某个根据所分析的多普勒效应来切换时间延迟线阵列的判定单元。如果延迟是常数，那么不会出现多普勒效应。

在根据本发明的替代实施例中，替代切换型时间延迟线阵列，使用由单个传导路径制造的时间延迟单元。当信号传输经过传导路径时，通过在该传导路径的不同输出处分接出样本，以获得要分配给该信号的不同的时间延迟。

此外，以这样的方式来对来自延迟线单元输出(阵列或单个路径)的信号进行抽样很重要，该方式使得每个延迟线输出正好只有一个样本被用于形成复用器的输出，否则信号将受到多普勒效应的影响。一般而言，可将根据本发明的实施例设计为成分开的无线频率RF设备，其仅仅应用在标准用户设备而不是标准天线的RF输入处。但是出于实用的原因(例如，为了复用器与无线接入系统的帧结构之间进行同步)，将它集成到接入设备的RF前端内是有利的。

在图3中，示出了根据本发明的用来在帧元传输期间获得常数延迟的另一个替代实施例。该移动体，这里又是列车，例如快速列车，以限定的速度朝地面站BS移动。根据本发明的无线频率设备现在包括由先进先出FIFO缓存器制成的延迟单元。抽样设备使用抽样速率R_w从该移动体的天线的输出信号取得样本，并且在FIFO寄存器中存储它们。在这个交通工具的帧元被全部存储在该FIFO缓存器中之后，以稍微不同的抽样速率R_r来读取该FIFO。如果R_w＞R_r，那么该FIFO的内容在时间上被延长(该帧元的尾端比该帧元的始端要经历更多的添加延迟)。相反，如果R_r＞R_w，那么该帧元在时间上被压缩(该帧元的尾端比该帧元的始端要经历更少的添加延迟)。通过以适当的方式来选择比率R_w/R_r，在该帧元的接收期间，可以将该地面站(BS)与该交通工具上的接入设备(无线频率设备)之间的总延迟保持为常数。

在根据本发明的任何实施例中，以将样本延长或压缩进帧的方式来处理接收分组的不同样本，根据所确定的该移动体相对于BS的移动速度和方向来定义延长或压缩因子。那些延长或压缩因子对应着被分配给信号的不同时间延迟，以遵循适于补偿所分析的多普勒效应的规则。为了执行根据本发明的方法，从接收的信号中取得样本，并在样本被转移到该信号的其他用途之前根据某一规则将样本分别延迟。可以以常数时间距离值来取得样本，但是也可以以增加或减少的时间距离值来取得样本。

可以如下定义适于补偿引起通过这种无线传输来传输的信号衰退的多普勒效应的规则。对于用来补偿由移动体相对于BS的速度vr(c为真空中的无线传播速度，即大约300000km/s)的速度所造成的多普勒效应的抽样频率fs和时间延迟增加di(定义为例如在两个相邻的延迟线输出之间的时间延迟差值--增量时间延迟)：

di＝vr/(fs×c)而fs＝vr/(c×di)。

取决于所传输信号的最大频率fmax，抽样频率fs必须定义成大于最小值fsmin，其由奈奎斯特准则给出：fsmin＞＝2×fmax。

只要发射机或接收机移动以致二者之间的距离发生变化，那么就存在多普勒效应。此外，对于例如OFDM传输，多普勒效应的相关性取决于载波的数量和子信道的带宽，它们都限定多普勒效应的敏感性。对于遵循IEEE标准802.16的Wimax技术，其是当今正在讨论的用于与移动体进行双向通信的最受欢迎的技术之一，我们从上面看出，至少超过200km/小时，该效应变得越来越重要并且严重降低了信号质量。由此，可以定义移动体的最小速度vrmin，低于它，多普勒效应可被忽略以致不必应用根据本发明的补偿机制。使用上面公式中的参数给出增量延迟值di：

di＝vrmin/(fsmin×c)；

并且，可以这样计算针对相对速度vr用来补偿多普勒频移所需的抽样频率：

fs＝fsmin×(vr/vrmin)。

应当注意，必须变化抽样频率以将多普勒补偿机制调整到所需的多普勒频移。

这里有一些用作示例的数据，其中将抽样频率fs至少是所样本信号(帧的生成)的最大频率的两倍这个条件作为限制情况。接着，可以像下面这样计算时间延迟线输出或FIFO缓存器的存储单元的数目n：

n＝(帧元的长度)/(样本的距离)。

如果信号在1GHz载波的周围有10MHz带宽，那么最大频率于是就是1.005GHz，因此抽样频率(最小)是2.01GHz。对于5ms的帧元长度，将如此定义n：

n＝5ms/0.49ns＝10050000

这些仍然需要很高的要求，但是是切实可行的。对于更好的实际实现，可以在天线之后将信号下混频到合适的中频范围，例如在20MHz的IF载波周围。于是，上面示例中的最大频率将是25MHz，而抽样频率(最小)是50MHz。在那种情况下，如此定义n：

n＝5ms/20ns＝250000

其更容易实现。

在模数转换器的输入处执行抽样可能是有利的，这导致转换被分配了不同时间延迟以补偿所确定的多普勒效应。此外，可以在从无线传输接收到信号的时候，在复用随后被延迟的样本之前，应用根据本发明的多普勒补偿方法。也可以在发送侧应用它，作为一种“预补偿”方法，即在复用所生成的帧之后且在经由无线传输来传输信号之前执行抽样过程。以类似的方式，可以在基站中或者在移动设备中实现根据本发明的无线频率设备，基站和移动设备两者都参与了无线传输。还可以想象，基站和移动设备都装备有这种无线频率设备并且/或者应用了根据本发明的多普勒补偿方法。

Claims (15)

1.一种多普勒补偿方法，用于补偿经由移动体和基站之间的无线传输来传输的帧内的数据，移动体和基站都分别包括与用于所述无线传输的天线相连的收发器，所述方法包括下列步骤：

●针对所述移动体相对于所述基站的给定移动速度和方向，当所述帧作为信号经过该无线传输进行传输时，确定作用在所述帧上的多普勒效应；

所述方法进一步包括步骤：

●由所述收发器通过向所述信号分配不同的时间延迟来应用某个抽样过程，遵循适于补偿所确定的多普勒效应的规则来选择所述不同的时间延迟。

2.根据权利要求1所述的方法，其中对于接收侧的多普勒补偿，当从所述无线传输接收到信号时，并且在复用随后被延迟的样本以重新生成从该无线传输接收的帧之前，执行所述抽样过程。

3.根据权利要求1所述的方法，其中对于发送侧的多普勒补偿，在复用所生成的帧之后且在经由所述无线传输来传输所述信号之前，执行所述抽样过程。

4.根据权利要求1所述的方法，其中通过传输所述信号经过沿着路径具有不同输出的传导路径来完成所述抽样过程，根据所述要分配的时间延迟在各个输出处分接出所述样本。

5.根据权利要求1所述的方法，其中通过传输所述信号经过作为具有不同传播时间属性的延迟线的传导路径来完成所述抽样过程。

6.根据权利要求1所述的方法，其中通过使用先进先出(FIFO)缓存器以致以写入速率R_w在所述FIFO中缓存所述信号来完成所述抽样过程，所述写入速率R_w不同于从所述FIFO中读取样本的读取速率Rr，速率R_r和R_w间的比率遵循适于补偿所确定的多普勒效应的规则。

7.根据权利要求1所述的方法，其中在相等的时间间隔上执行对所述多普勒效应的新确定。

8.一种包括与天线相连的收发器的无线频率设备，所述无线频率设备还包括判定单元，其分析当帧作为信号通过移动体与基站之间的无线传输进行传输时作用在帧上的多普勒效应，所述移动体以相对于所述基站的给定的速度和方向进行移动，而所述判定单元从所述收发器控制抽样单元以致由所述抽样单元将不同的时间延迟分配给所述信号，遵循适于补偿所确定的多普勒效应的规则来选择所述不同的时间延迟。

9.根据权利要求8所述的无线频率设备，其中，其通过在接收自所述无线传输的信号上应用所述抽样单元而用于接收侧的多普勒补偿，通过在复周所述信号以重新生成从该无线传输中接收的帧之前传输所述信号经过时间延迟单元，所述信号因此被延迟。

10.根据权利要求8所述的无线频率设备，其中，其通过在已经生成的帧上应用所述抽样单元而用于发送侧的多普勒补偿，通过传输所述所获得的样本经过时间延迟单元以生成要经由所述无线传输来传输的信号，所述所获得的样本因此被延迟。

11.根据权利要求9或10所述的无线频率设备，其中，所述时间延迟单元包括沿着路径具有不同输出的传导路径，在所述不同输出处分接出所述样本，所述不同路径对应着要分配给所述信号的所述不同时间延迟。

12.根据权利要求9或10所述的无线频率设备，其中，所述时间延迟单元包括作为具有不同传播时间属性的延迟线的导向路径。

13.根据权利要求9或10所述的无线频率设备，其中，所述延迟单元由先进先出(FIFO)缓存器制成以致以写入速率R_w在FIFO中进行写入，所述写入速率R_w不同于从所述FIFO中进行读取的读取速率R_r，相应地定义速率R_r和R_w之间的比率以补偿所述已确定的多普勒效应。

14.一种基站，其经由无线传输与移动体相连，所述移动体以相对于所述基站的某个给定的速度和方向进行移动，而所述基站包括根据权利要求8所述的无线频率设备。

15.一种移动体，其经由无线传输与基站相连，并且以相对于所述基站的某个给定的速度和方向进行移动，而所述移动体包括根据权利要求8所述的无线频率设备。

Images