一种用于轨道交通高速移动场景的多普勒频移校正方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及无线移动通信技术领域，特别是设及一种用于轨道交通高速移动场景 的多普勒频移校正方法。
【背景技术】
[0002] 随着铁路、地铁、城际铁路，尤其是高速铁路等轨道交通系统的快速发展，为列车 乘客提供可靠、实时、高效的宽带无线网络服务，已成为国内外宽带移动通信研究的热点。 然而，由于高速移动和轨道交通复杂场景(高架桥、路壁、隧道、编组站、铁路枢纽等)带来的 信道快速时变会对传输的列车控制信号造成崎变。如果不对该信道崎变进行均衡或补偿则 会严重影响接收端的信号恢复，影响行车安全。因此，信道估计技术对于用于传输列车控制 信息W及确保列车安全运营的轨道交通系统意义重大。
[0003] 现有的最大多普勒频移估计算法主要有四类:基于电平通过率的估计算法、基于 相关函数的算法、基于功率谱(PSD)的算法和最大似然(ML)算法。基于电平通过率的方法是 通过测量在观察时间内信号电平通过相对电平的次数来估计最大多普勒频移，运类算法的 优点是实现简单，但抗噪声性能较差。基于循环前缀的自相关算法，算法结构简单，但在低 信噪比情况下估计精度差。传统的基于功率谱的方法需要先对信道频域响应进行估计，对 于该方法改进的基于频率响应包络PSD的最大多普勒频移盲估计算法，通过捜索接收端信 号包络PSD的边缘位置来确定最大多普勒频移，而无需信道估计。基于提出的最大似然函数 ML的估计方法精度很高，但实现复杂度也大，难W应用于实际。
[0004] 传统移动通信场景中的终端移动速度较低，多普勒频移不明显，较容易克服。但在 高速移动复杂环境条件下，多径结构随着周边复杂环境发生变化，同时，较高的移动速度导 致较大的多普勒频移扩展，信道环境更加复杂。传统的适合于中低速移动场景的多普勒频 移估计和校正技术不适合于高速移动场景。而现有的适合于高速移动场景的多普勒频移估 计和校正技术，基于信道状态信息的准确获取或基于导频在频域进行估计，运些方法仍然 存在估计复杂度较高、估计的延迟时间长、不适合于高速移动状态，W及复杂场景下极短时 间内无法获得精确多普勒频移与校正等问题。适合于中低速移动场景的多普勒频移估计与 校正技术由于估计复杂度、延迟大等因素不适合高速移动场景。面对高速移动场景的方法 主要是基于信道状态信息的获取进行估计，运些方法在实际中都会由于延迟较大，而无法 捕捉快速变化的多普勒特征，无法进行实时有效补偿。
[0005] 因此，需要提供一种能够适合于高速移动、复杂场景下的精确估计、延迟小、实时 补偿性好的多普勒评议校正方法。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种用于轨道交通高速移动场景的多普勒频移 校正方法，W解决现有技术中无法良好的对高速移动场景进行多普勒特征进行捕捉，无法 实时有效的进行补偿的问题。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：
[0008] 一种用于轨道交通高速移动场景的多普勒频移校正方法，该方法的步骤包括：
[0009] S1、获取列车当前位置；
[0010] S2、确定列车预测位置的信道模型，并基于列车的当前位置，确定列车预测位置信 道的基础冲激响应；
[0011] S3、基于列车预测位置信道的基础冲激响应和列车当前的速度，计算信道中每条 路径的多普勒频移fd,i:
第i条路径的到达角为信号传输的射线方向与列 车的运动方向间的夹角，信号的射频载波频率为f，v为当前速度，C为光速；
[0012] S4、利用细频偏估计方法，对每条路径的多普勒频移进行载波频率的细节跟踪和 补偿。
[0013] 优选的，所述步骤S1包括：
[0014] S11、设置在地面基站的应答器将自己的ID发送至列车；
[0015] S12、测量列车与所述地面基站的相对位置；
[0016] S13、确定列车当前位置Pi:Pi =应答器ID+列车与所述地面基站的相对位置。
[0017] 优选的，利用设置在列车上的轮轨测距仪测量列车与所述地面基站的相对位置。 [001引优选的，所述步骤S2包括：
[0019] S21、预先将列车每个运行位置相对应的基础参数存入信道数据库中；
[0020] S22、基于列车预测位置的信道模型和列车的当前位置，从信道数据库中读取相对 应的基础参数，估计出预测位置实际的信道冲激响应。
[0021] 优选的，所述基础参数包括:列车每个运行位置相对应信道的多径个数W及各径 的时延和平均能量数据。
[0022] 优选的，所述步骤S3具体包括：
[0023] S31、获取当前时刻列车运行的位置、速度、方向等信息；
[0024] S32、利用步骤S2中确定的信道基础冲激响应，测量冲激响应中每条有效信息传输 路径与当前列车运行方向的夹角，记第i条路径与运行方向的夹角为曰1。
[0025] S33、计算信道冲激响应中第i条路径的多普勒频移fd,i:
庚中信号 的射频载波频率为f，V为当前速度，C为光速。
[00%]优选的，该方法进一步包括:S5基于校正的多普勒频移和载波频偏，对传输信号进 行同步恢复和补偿。
[0027] 优选的，所述步骤S4包括：
[0028] S41、获取由步骤S3计算得到的信道冲激响应中每条路径的多普勒频移fd,i;
[0029] S42、信道冲激响应中第i条路径的相位随时间变化量为按照此变化量实 时更新基础信道冲激响应；
[0030] S43、利用传输信号中的导频或训练序列进行频偏估计和同步，然后根据S42中更 新的信道冲激响应进行信号恢复。
[0031] 本发明的有益效果如下：
[0032] 本发明所述技术方案结合轨道交通场景和信道建模，通过对列车移动位置处的已 知信道模型，能够很好地分辨出不同径上叠加的多普勒情况，并在短时间内进行估计和校 正。多普勒频移估计时延非常短，且估计精度高，实现复杂度低，适合于高速移动、复杂场景 下的多普勒频域估计与校正;而且相对于传统方法，大大改善了多普勒频移补偿的范围。
【附图说明】
[0033] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明；
[0034] 图1示出轨道交通专用移动通信网络链状覆盖的示意图；
[0035] 图2示出本发明所述多普勒频移校正方法的流程图。
【具体实施方式】
[0036] 为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说 明。附图中相似的部件W相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体 描述的内容是说明性的而非限制性的，不应W此限制本发明的保护范围。
[0037] 现有的多普勒频移估计与校正技术主要有两类:一类是针对中低速移动场景，一 类是针对高速移动场景。适合于中低速移动场景的多普勒频移估计与校正技术由于估计复 杂度、延迟大等因素不适合高速移动场景。面对高速移动场景的方法主要是基于信道状态 信息的获取进行估计，运些方法在实际中都会由于延迟较大，而无法捕捉快速变化的多普 勒特征，无法进行实时有效补偿。本方法利用一定位置处的已知信道模型进行多普勒频移 估计与校正，估计与校正的时延非常短，且估计精度高，适合于高速移动复杂场景。
[0038] 本方案中，基于轨道交通周边场景比较固定的特点，预先通过测量计算得到一定 精度位置的信号传输的基础信道冲激响应，并依次记录在数据库中。首先利用设置在地面 基站的应答器确定列车运行的当前位置，然后由数据库中获取列车运行位置处的基础信道 冲激响应，测量冲激响应中每条有效信息传输路径与当前列车运行方向的夹角，记为01，贝。 信道冲激响应中第i条路径的多普勒频移
'其中，信号的射频载波频率为f，v 为当前速度，C为光速。最后，利用细频偏估计方法，对每条路径的多普勒频移fd,i进行跟踪 和补偿。
[0039] 如图2所示，本发明具体的公开了一种用于轨道交通高速移动场景的信道估计与 均衡方法，该方法的步骤包括：
[0040] -种用于轨道交通高速移动场景的多普勒频移校正方法，该方法的步骤包括：
[0041] S1、获取列车当前位置；
[0042] S2、确定列车预测位置的信道模型，并基于列车的当前位置，确定列车预测位置信 道的基础冲激响应；
[0043] S3、基于列车预测位置信道的基础冲激响应和列车当前的速度，计算信道中每条 路径的多普勒频移fd,i:
即第i条路径的到达角为，信号的射频载波频率为 f，v为当前速度，C为光速；
[0044] S4、利用细频偏估计方法，对每条路径的多普勒频移进行载波频率的细节跟踪和 补偿；
[0045] S5基于校正的多普勒频移和载波频偏，对传输信号进行同步恢复和补偿。
[0046] 对于本方案，所述步骤S1具体为:设置在地面基站的应答器将自己的ID发送至列 车，同时，利用设置在列车上的轮轨测距仪测量列车与所述地面基站的相对位置。根据应答 器的ID和所述相对位置，确定列车当前位置Pi: Pi =应答器ID+列车与所述地面基站的相对 位置。如图1所示，距离D是一个固定值，因为轨道交通列车行驶轨迹是固定的，其通信网络 的基站间距D也是固定的。
[0047] 对于本方案，所述步骤S2具体为:预先将列车每个运行位置相对应信道的多径