專利名稱：一種高速鐵路環(huán)境下信道信息預獲方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是在高速鐵路環(huán)境下，基站與列車進行上下行鏈路通信時，信道信息補償方法。
背景技術(shù)：
近幾年來高速鐵路在中國的發(fā)展勢頭十分迅猛，中國計劃在2040年前建成遍布全國的“五縱七橫八連線”的高速鐵路交通網(wǎng)。隨著高速鐵路規(guī)模的不斷擴大，運行中的高速列車中與鐵路兩側(cè)基站之間無線通信的問題日益凸顯。無論是從乘客在旅途過程中無線上網(wǎng)的需求考慮還是從列車安全實時監(jiān)控的角度考慮，都要實現(xiàn)高速列車與鐵路兩側(cè)基站間高速率的無線數(shù)據(jù)傳輸。一方面，由于列車的速度很快，甚至可能達到350km/h，列車與基站間的無線傳輸信道呈現(xiàn)時變特性；另一方面，為實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的高速傳輸，目前在高速列車與基站之間采 用寬帶通信方案，帶寬可能達到IOMHz甚至20MHz，而較大的帶寬使得列車與基站間的無線傳輸信道呈現(xiàn)頻率選擇特性。因此，在高速鐵路環(huán)境下，列車與鐵路兩側(cè)基站之間的無線信道是頻率時間雙重選擇性信道。如此惡劣的無線信息傳輸環(huán)境給高速列車與基站之間的無線數(shù)據(jù)高速率傳輸帶來的極大的挑戰(zhàn)。為了解決高速鐵路環(huán)境下無線數(shù)據(jù)傳輸遇到的這個問題，一個很重要的途徑就是在通信過程中實現(xiàn)對無線傳輸信道的準確估計。目前應用比較廣泛的信道估計技術(shù)主要是基于導頻信道估計方法。具體涉及到的算法有最小二乘(LS)算法以及最小均方誤差(MSE)算法。在利用LS算法進行信道估計時，只需要知道接收數(shù)據(jù)和導頻信息，算法復雜度低，實際工程運用廣泛，但是LS算法的信道估計性能不是很好。相對LS算法，MSE算法對高斯白噪聲有很好的抑制作用，信道估計性能明顯優(yōu)于LS算法，但其算法復雜度較高，且需要預先知道信道的統(tǒng)計特性，所以在實際工程運用中比較困難。在高速鐵路環(huán)境下，由于無線信道的時間-頻率雙重選擇性特點，無論是LS算法還是MSE算法的信道估計誤差都很大，進而造成了高速行駛的列車與基站之間進行高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦щy。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提出一種高速鐵路環(huán)境下信道信息預獲方法，該方法通過信道信息預估計與補償?shù)姆绞?，有效簡化了接收機信道估計的復雜度，提高了性信道估計的精度。本發(fā)明的主要想法是在高速鐵路環(huán)境下，列車的運行軌跡是固定的，所以天線在同一位置與基站通信時的無線信道的相關(guān)信息如路徑損耗、陰影衰落、多徑分布、多普勒頻偏是緩變的，因此可以在列車上相距一定距離布置兩根天線，第一根天線與基站通信時估計的信道相關(guān)信息可以用作下一時刻第二根天線與基站間通信時的信道信息補償。
根據(jù)以上想法，本發(fā)明原理是在高速列車上相距一段距離布置兩根設置完全相同的天線，這樣在列車的運行中這兩根天線將先后經(jīng)過同一位置。將先經(jīng)過某一位置的天線與基站之間通信時的信道相關(guān)信息儲存起來，再將其用于后一個天線經(jīng)過同一位置與基站間通信時的信道信息補償。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種高速鐵路環(huán)境下信道信息預獲方法，其特征在于，該方法包括如下步驟①在高速列車上相距S處距離布置兩根性能完全相同的天線，兩根天線同時與基站進行通信，高速列車與基站之間的通信采用TDD模式。②高速列車通過第一天線與基站通信中，高速列車與基站的數(shù)據(jù)接收端都對當前通信時刻^、該時刻對應信道的路徑損耗、陰影衰落、多徑分布、多普勒頻偏信息進行保存， 第一天線與基站通信過程中得到的信道預估計信息AU為h(i,) = h{aJ'dJj^其中5表示信道的路徑損耗、陰影衰落大尺度信息，fd表示多普勒頻偏，f表示多徑分布信息。③高速列車通過第二天線與基站通信中，在當前通信時刻t2，將第一天線經(jīng)過當前位置時得到的信道預估計信息用于數(shù)據(jù)接收端的信道補償。即通過利用AT時間間隔前接收機在步驟②中保存的信道預估計信息/了(Zl) = -A7 )完成數(shù)據(jù)接收端的信道補償。
SAT = I2-I1 ^-―
(/:)其中AT表示兩根天線先后經(jīng)過同一位置的時間間隔，S表示列車上兩根天線之間的距離，V(t2)表示t2時刻列車的速度。該方法還包括步驟④確定多普勒頻偏的補償為Y — Y ^ Q Jl7tUs
，其中r表示多普勒頻偏補償前的接收信號Y表示多普勒頻偏補償后的接收信號，Ts表示接收信號采樣周期。所述的第一天線設置于靠近高速列車車頭的一端，所述的第二天線設置于靠近高速列車車尾的一端。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的信道信息補償方法實施方便，利用了同一位置對應的信道信息的緩變性，通過在列車上布置相距一段距離的兩根天線，實現(xiàn)了信道信息的復用，把前一根天線傳輸中的信道信息用于后一根天線傳輸中的信道補償，有效簡化了接收機信道估計的復雜度，提高了性信道估計的精度。


圖I是本發(fā)明高速鐵路環(huán)境下信道信息補償方法示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步闡釋，實施例以本發(fā)明給出的技術(shù)方案進行實施，詳細描述了在高速鐵路環(huán)境下進行信道信息補償?shù)木唧w實施方法，但是本發(fā)明所保護的范圍并不僅限于以下實施例。如圖I所示，在高速鐵路無線信息傳輸中，本發(fā)明所提出的信道信息預獲方法主要包括以下步驟步驟I、初始設置在高速列車上相距S安裝兩根設置完全相同的天線，兩根天線在相同的傳輸協(xié)議框架下以TDD的傳輸模式與基站進行無線數(shù)據(jù)傳輸。天線I除了完成與基站的通信任務外還要完成無線信道的預估計工作，因此第一天線I在與基站通信中將傳輸更大比例的導頻信號。第二天線2承擔與基站通信的主要任務，相對第一天線I來說，第二天線2在與基站通信中將傳輸更大比例的數(shù)據(jù)信號。具體兩根天線通信中導頻信號與數(shù)據(jù)信號的比例大小可以根據(jù)實際列車數(shù)據(jù)業(yè)務要求的穩(wěn)定性與傳輸速率折中確定。步驟2、第一天線I在與基站的通信中，接收機在完成信道估計的同時，可以獲得當前時刻信道的路徑損耗、陰影衰落、多徑分布、多普勒頻偏等信息。無論是在基站一側(cè)還
是列車一側(cè)，在TDD的傳輸模式下，數(shù)據(jù)接收端都可以將當前時刻h、該時刻對應信道的路徑損耗、陰影衰落、多徑分布、多普勒頻偏這些信息保存下來。Et1時刻車頭一側(cè)天線在與基站通信中的得到的信道預估計信息為/KU:h{Q = HiSJdJjl)其中5表示信道的路徑損耗、陰影衰落等大尺度信息，fd表示多普勒頻偏，f表示多徑分布信息。步驟3、高鐵環(huán)境下，列車的運行軌跡是確定的，同一位置所對應的通信信道的大部分信息是緩變的。在圖I中，由于A時刻與t2時刻第一天線I與第二天線2的物理位置相同，因此它們與基站通信中的信道路徑損耗、陰影衰落、多徑分布、多普勒頻偏也基本相同。所以在t2時刻，第二天線2在與基站的通信中可以充分利用步驟2中保存的AT時間間隔前，即h時刻對應的信道路徑損耗、陰影衰落、多徑分布、多普勒頻偏等預估計信息Hli) = Hi2-A7) =-M )矣現(xiàn)信道補償，簡化接收機設計。AT = t2-t} -
{/)其中AT表示兩根天線先后經(jīng)過同一位置的時間間隔，S表示列車上兩根天線之間的距離，V(t2)表示t2時刻列車的速度。由于相同位置處信道信息的緩變性，t2時刻，第二天線2在與基站的通信中，接收機進行信道估計時可以直接復用Ar -么11中5包含的路徑損耗、陰影衰落等信道大尺度信息，為信道幅度的大小提供參照。同時接收機進行信道估計時可以通過利用A/) 包含的多徑分布信息，預先獲得t2時刻信道中多徑的個數(shù)以及各徑延時大小。這一關(guān)鍵信息將顯著減小相關(guān)信道估計算法的計算復雜度。如在利用壓縮感知算法進行信道估計時，由于已經(jīng)預先獲得信道多徑分布的位置信息，可以直接估計信道各徑的大小，大大減小算法的復雜度。通過利用Ar -Ar)中的多普勒頻偏信息fd，接收機可以在信號輸入端對接收信號進行多普勒頻偏不丨償.r = rx e—j27zfdTs其中r表示多普勒頻偏補償前的接收信號Y表示多普勒頻偏補償后的接收信號，Ts表示接收信號 采樣周期。
權(quán)利要求
1.一種高速鐵路環(huán)境下信道信息預獲方法，其特征在于，該方法包 括如下步驟 步驟①在高速列車上相距S距離處布置兩根性能完全相同的天線，兩根天線同時與基站進行通信，高速列車與基站之間的通信采用TDD模式； 步驟②高速列車通過第一天線與基站通信中，高速列車與基站的數(shù)據(jù)接收端都對當前通信時刻^、該時刻對應信道的路徑損耗、陰影衰落、多徑分布、多普勒頻偏信息進行保存，第一天線與基站通信過程中得到的信道預估計信息AU為
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高速鐵路環(huán)境下信道信息預獲方法，其特征在于，該方法還包括步驟④確定多普勒頻偏的補償為
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的高速鐵路環(huán)境下信道信息預獲方法，其特征在于，所述的第一天線設置于靠近高速列車車頭的一端，所述的第二天線設置于靠近高速列車車尾的一端。
全文摘要
一種高速鐵路環(huán)境下信道信息預獲方法，包括①在高速列車上相距S距離處布置兩根性能完全相同的天線，兩根天線同時與基站進行通信，高速列車與基站之間的通信采用TDD模式；②高速列車通過第一天線與基站通信中，高速列車與基站的數(shù)據(jù)接收端都對當前通信時刻t1、該時刻對應信道的路徑損耗、陰影衰落等信息進行保存，得到的信道預估計信息③高速列車通過第二天線與基站通信中，在當前通信時刻t2，將第一天線經(jīng)過當前位置時得到的信道預估計信息用于數(shù)據(jù)接收端的信道補償。本發(fā)明實現(xiàn)信道信息的復用，把前一根天線傳輸中的信道信息用于后一根天線傳輸中的信道補償，有效簡化了接收機信道估計的復雜度，提高了性信道估計的精度。
文檔編號H04L25/03GK102811083SQ20121023266
公開日2012年12月5日 申請日期2012年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月6日
發(fā)明者侯金鑫, 熊箭, 劉勃, 歸琳 申請人:上海交通大學