一种用于高速铁路的信道预测的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及无线通信，尤其设及通信信号处理。
【背景技术】
[0002] 在无线通信过程中，信号所经过的无线信道具有很大的随机性，所W需要预测无 线信道对信号造成的影响，W保证无线通信的质量。随着交通方式的发展，在高速铁路的无 线通信过程中进行信道预测成为了难点。通常为满足在高速铁路中的无线通信的要求，采 用双层网络模型，来避免无线信号在穿透列车车厢时的能量损耗并解决传统网络构架导致 的群切换的问题。该双层网络模型可被布置为：在列车车厢内部安装中继设备，来对车厢内 的信号与列车外的基站进行中继，并使该中继设备采用低速通信方案（例如WiFi)与车厢 内的用户通信，从而节约通信资源。由于高速铁路列车的车速非常快，使得该中继设备相对 于列车外的基站高速地移动，从而导致在该中继设备与基站之间的无线信道快速地变化。 因此，需找到一种适用于高速铁路的信道预测的方法。
[0003] 然而，现有技术对高速铁路中的信道预测的效果并不理想。传统的信道预测的方 法是基于统计信息而进行的，例如由瑞典乌普萨拉大学的化Aronsson发表于2011年的 名为"ChannelestimationandpredictionforMIMOOFDMsystems-Keydesignand performanceaspectsofKalman-basedalgorithms"的博:t论文中所设及的通过使用卡 尔曼滤波器的信道预测的方法。该方法通过假设信道的历史信息与信道的未来信息之间存 在高相关性，并且利用信道的历史信息，来预测信道的未来信息。该方法可W实现0. 1到 0. 3个信号载波波长的信道预测。然而，高速铁路的列车的移动速度非常快，在对信道进行 预测并将预测后的信息返回至基站的时间（即时延）内，高速铁路的列车移动了较长的距 离。例如，如果高速铁路的平均时速为350到500km/h，无线通信的信号的载波为2GHz，则 在时延Ims内，列车移动了约0. 64到0. 93个信号载波波长的距离，其远大于0. 1到0. 3个 信号载波波长。在运段列车移动的距离内，无线信道发生了非常大的变化，使得实际的无线 信道与预测的无线信道的相关性不高，从而难W满足上述方法中的假设条件。因此，由于上 述方法的信道预测的距离远远短于需要进行信道预测的距离，而导致其并不适合被用于高 速铁路的信道预测。
[0004] 为解决上述信道预测距离短的问题，在2012年由！.Sternad等人发表于IE邸 WirelessCommunicationsandNetworkingConferenceWorkshops(WCNCW)的名为 "Using^predictorsntennss'forlong-r曰ngepredictionoff曰stf曰dingformoving relays"的文章中，W及在 2014 年由N.Jamaly等人发表于 8th!EuropeanConferenceon AntennasandPropagation(EuCAP)的名为"Analysisandmeasurementofmultiple antennasystemsforfadingchannelpredictioninmovingrelays" 的文章中，提出 了通过添加预测天线W进行对公交车的车地链路的信道预测的方法。该方法在移动的公交 车上设置传输天线，并在公交车的运行路线的前方增加预测天线。由于，随着公交车的移 动，传输天线会在一段时间后移动到预测天线的位置上，因此，可W将预测天线的信道作为 对传输天线的信道的预测。通过将预测天线设置在不同的位置（例如距离传输天线几个 信号载波波长的位置），该方法可实现长距离的信道预测，并且可实现对不同距离的信道预 。然而，由于预测天线的位置难W根据需要而灵活地改变，因此上述方法难W实现对任意 距离的信道预测。
【发明内容】
阳〇化]因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种适合于高速铁路的 信道预测的方法。本发明的目的是通过W下技术方案实现的：
[0006] 一种用于高速铁路的信道预测的方法，包括：
[0007] 确定需要进行信道预测的距离；
[0008] 根据列车的当前位置W及需要进行信道预测的距离，计算出要进行信道预测的列 车的位置；
[0009] 根据要进行信道预测的列车的位置，在射频环境映射数据库中查找对应的信道数 据；
[0010] 其中，所述射频环境映射数据库储存高速铁路路线中不同位置的信道数据，信道 数据能够用于获得与不同位置相对应的信道的每条径的时延和信道的增益。
[0011] 上述方法进一步包括：对查找到的信道数据与通过使用卡尔曼滤波器或者预测天 线所获得的信道数据进行加权平均，W作为新的信道数据。
[0012] 在加权平均中，查找到的信道数据所占的权重大于通过使用卡尔曼滤波器或者预 测天线所获得的信道数据。
[0013] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0014] 所支持的信道预测的距离可W远远超过单独使用卡尔曼滤波器的信道预测的距 离，从而满足针对高速铁路的长距离的信道预测的要求；
[0015] 并且，可W实现任意距离的信道预测，因此相比于现有的预测天线的方法，本发明 具有更好的适应实际反馈实验变化的能力。
【附图说明】
[0016] W下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
[0017] 图1是根据本发明的一个实施例的用于高速铁路的信道预测的方法的流程图；
[0018] 图2是本发明的使用射频环境映射数据库进行实时信道预测的流程图。
[0019] 图3是根据本发明的另一个实施例的用于高速铁路的信道预测的方法的流程图；
【具体实施方式】
[0020] 由于高速铁路的运行路线具有固定性及重复性，并且在固定线路上的信道是可再 现的，因此，本发明的发明人认识到，可W预先测量并记录在高速铁路路线中的不同位置处 的信道数据，W及在需要进行信道预测的时候，可W根据列车所在的位置查找预先记录的 信道数据，从而完成信道预测。
[0021] 为实现上述过程，需要在高速铁路路线中的不同位置处，预先获取信道数据。可W 根据需要在路线中选择多个位置X。对于同一条高铁路径，可W记录较多数量的位置X的信 道信息，W对应于更灵活的信道预测距离W及更大数量的数据。所述信道数据可W通过现 有任一已知的方式来获取，例如，可W使一个已知的检测信号通过位置X处的信道，来获取 接收到的信号，并由此确定该位置X处的信道信息（例如在频域内，信道等于接收到的信号 与检测信号的比值）。
[0022] 将在高速铁路路线中各个位置处获得的信道数据用于构建射频环境映射数据库 (REMDat油ase,Radio化vironmentMapDat油ase)，该射频环境映射数据库用于储存被表 达成某种形式的信道数据，所述信道数据能够用于获得与高速铁路路线中的位置X相对应 的所述信道的每条径的时延和所述信道的增益。
[0023] 例如，可W在数据库中，录入如下形式的数据：
[0024] …
[00巧]其中，在每个位置X处对应一个具有Ly条径的多径信道，第i条径的功率、时延和 相位分别为Pi,x、T和巧孙其中i= 1，2, . . .，Lx。
[00%] 还可W在数据库中，录入如下形式的数据：
(2、
[0028] 其中，第i条径的信道的复数增益为hw。相对应的功率Pw可W被表示为信道的 复数增益的幅值的平方Pw=IhWI2,相对应的相位辟::。可W被表示为信道的复数增益的幅 角鸦庙拟織沙:诚.]。：
[0029] 在射频环境映射数据库中，位置的粒度取决于信道预测所需要的精度。例如，对 于需要为每个OFDM符号均给出一个频偏估计值的情况，可W由列车运行速度与每个完整 OFDM符号时长的乘积计算出位置之间的间隔。在列车的实际运行中，还可W进一步地更新 校准射频环境映射数据库中的数据，W确保数据的准确度。
[0030] 相应的，在进行信道预测的时候，可W根据运行中的列车的实时位置W及需要进 行预测的距离，在射频环境映射数据库中查找对应的信道信息。
[0031] 其中，可W通过诸如GI^定位的方式获得列车的当前位置X';可W设定需要进行 预测的距离1，也可W根据空口的反馈时延T、列车的实时速度U来计算需要进行预测的 距罔，1二口X T。
[0032] 由于，在相邻位置处，信道的相干性很高，信道的复数增益之间的差异较小。因此， 可W参考列车在一段时间内的平均行驶速度，来确定对X、U的更新速度；可W参考相邻 位置的信道（即在相干带宽W内的信道）的相干性，来确定对1的更新频率。较高的更新 频率有利于获取更准确的信道预测结果，并且对应于产生更多的数据W及更高的方法的复 杂度。例如，在列车平均速度较低时，列车在一段时间内移动的距离较短。又例如，当信道 的相干性很高时，允许计算出的需要进行信道预测的距离1与其实际值之间存在一定的误 差。因此，可W相应地降低更新频率，W降低方法的复杂度。
[0033] 在通过设定，或者通过计算获得了需要进行信道预测的距离1之后，可W根据列 车的当前位置X'来预测进行信道预测的列车的位置X。根据列车运行的方向，X=X' +1 或X= -1。
[0034] 同样地，由于相邻位置的信道具有高相干性，因此可将进行信道预测的列车的位 置X用于在诸如式（1)和（2)所示出的射频环境映射数据库中查找