CN102111355B

CN102111355B - 一种高速移动环境中实现信号收发的方法和直放站

Info

Publication number: CN102111355B
Application number: CN201010589636.6A
Authority: CN
Inventors: 任震宇; 肖奕; 黎建
Original assignee: Maipu Communication Technology Co Ltd
Current assignee: Maipu Communication Technology Co Ltd
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2030-12-15
Also published as: CN102111355A

Abstract

本发明提出一种实高速移动环境中实现信号收发的方法，包括如下步骤：进行初始化设置：设置两个锁相环支路的压控振荡器频率相同，并分别设置为主从压控振荡器，从压控振荡器输出信号的频率跟随主压控振荡器输出信号的频率对称变化；在初始化完成后，循环执行以下具体的信号收发方法：从输入滤波器接收两路信号，利用两个锁相环支路的压控振荡器与混频器，对两路输入信号进行分析和筛选，经过调制和解调后进行合路输出到上变频器。本发明通过分析预解调后的小区信号，并通过动态改变主VCO频率，补偿由多普勒造成的频移，消除了收发信号的多普勒频移；解决了前后小区切换时的频差问题。

Description

一种高速移动环境中实现信号收发的方法和直放站

技术领域

本发明主要涉及移动通信领域的信号收发技术，尤其涉及一种高速移动环境中移动通信信号的收发技术和一种多普勒频移纠正的方法。

背景技术

交通工具运行速度的不断提高，使人们出行更加快捷便利，但也给高速移动环境中移动通信***的信号接收带来了新的难题。高速移动环境主要是指陆地高速移动环境，如高速铁路，高速公路等覆盖场景。对于移动网络的覆盖来说，150km/h以下速度环境对网络覆盖的影响并不明显，而国内高速铁路的速度是250km/h至500km/h，是需要解决的主要覆盖区域。在高速移动环境下，覆盖主要面临着两个标志性的问题：

一是多普勒频移。当用户终端（如手机，移动上网本）在高速移动的情况下，接收的信号频率会产生较大的频移，简称为多普勒频移，其计算公示为：

其中θ为用户终端移动方向和信号传播方向的角度，v是用户终端运动速度，c为电磁波传播速度，f₀为标准无线信号频率。由于θ在不停变化，故f_d并不是一个恒定值。对于下行链路，多普勒频移使用户终端不能准确的锁定小区信号，严重影响了信号的接收和解调，对于上行链路，用户发送信号频移是下行链路的2倍，对基站接收能力要求更高。目前，基站和终端都带有自动频率控制（AFC）功能和自动增益控制（AGC），但由于AFC、AGC控制范围太小以及频移值会产生大幅跳变导致大量终端不能正常跟踪基站信号，以及群切换时由于用户终端的锁相环失锁导致用户终端之间互相干扰，使切换时目的小区信号锁定困难，切换成功率仍然不高，容易掉话。

二是小区切换。用户终端进行小区切换时需要将自身频率由当前小区频率变换到目的小区频率，这就存在一个频差。而在高速移动环境下由于多普勒频移和基站地理位置的影响，前后小区所产生的多普勒频移值的符号相反，使得前后小区频差很大，由于用户终端锁相环的锁相有延迟，将导致用户终端频率切换困难，从而切换失败、或者直接掉话。专网组网是优化高速环境下的小区切换问题的解决方案之一，但该方案无法应对多普勒频移导致的信号接收恶化。泄露电缆技术可以同时解决以上问题，但成本太高，不利于工程实现，只适用于短距离的线路覆盖或隧道覆盖。

现有技术中的普通直放站属于同频放大设备，是指在无线通信传输过程中起到信号增强的一种无线电发射中转设备，基本功能就是相当于一个射频信号功率增强器。直放站在下行链路中，由施主天线在现有的覆盖区域中拾取信号，通过带通滤波器对带通外的信号进行极好的隔离，将滤波的信号经功放放大后再次发射到待覆盖区域。在上行链接路径中，覆盖区域内的移动用户终端的信号以同样的工作方式由上行放大链路处理后发射到相应基站，从而达到基站与用户终端的信号传递。

因此，在高速移动环境中发明一种可以解决小区切换和频移问题的信号收发技术是亟待解决的问题，而且目前还没有解决该问题的直放站出现。

发明内容

本发明的目的是提供一种高速移动环境中实现信号收发的方法以及实施该方法的直放站，解决高速移动环境中多普勒频移导致信号解调失败和基站切换困难的问题，从而提高高速移动环境下信号接收的质量。

鉴于以上目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种高速移动环境中实现信号收发的方法，包括如下步骤：进行初始化设置：设置两个锁相环支路的压控振荡器频率相同，并分别设置为主从压控振荡器，从压控振荡器输出信号的频率跟随主压控振荡器输出信号的频率对称变化；在初始化完成后，循环执行以下具体的信号收发方法：

a、从施主天线接收小区信号，经过低噪声放大器放大以及射频滤波后，分别输入到两个锁相环支路所在的混频器，经过混频后的信号送入低通滤波器后选出两个中频信号，由监控子单元搜索所述中频信号中的同步码字和小区，保存搜索到的小区及其对应信干比和所在锁相环支路的记录表；

b、比较记录表中所有小区的信干比大小，设置信干比最大的小区所在锁相环支路的压控振荡器为主压控振荡器，另一个锁相环支路的压控振荡器为从压控振荡器；

c、利用主压控振荡器对最大信干比的基站信号进行估计，在主压控振荡器所在锁相环支路的混频器输出信号的信干比达到峰值后，锁定主压控振荡器频率，从压控振荡器输出信号的频率跟随主压控振荡器输出信号的频率对称变化；

d、比较确定记录表中每个锁相环支路中信干比最大的小区，分别从每个锁相环支路中取出该支路中信干比最大的小区的IQ信号，将两个支路中信干比最大的小区对应的IQ信号混合然后调制，并输出到上变频器进行输出。

所述步骤a中的记录表要实时更新。

所述步骤c中，所述利用主压控振荡器对最大信干比的基站信号进行估计，通过升高或者降低主压控振荡器的频率进行尝试。

所述记录表中记录的小区为小区码。所述记录表中的每条记录中保存有对应该小区的IQ信号。

为了实现上述目的，本发明的还提供了一种实施上述信号收发方法的直放站，包括施主天线、下行低噪声放大器、输入滤波器、纠偏单元、上变频器、下行功率放大器、输出滤波器和重发天线，其特征在于，

所述纠偏单元分别与输入滤波器与上变频器连接，用于从输入滤波器接收两路信号后，将两路信号输入到两个锁相环支路，通过两个锁相环支路的压控振荡器与混频器，对两路输入信号进行分析和筛选，经过调制和解调后进行合路输出到上变频器。

具体的，所述纠偏单元，包括，

两个锁相环支路，每个锁相环支路包括一个混频器、一个压控振荡器和一个低通滤波器；所述混频器用于接收所在支路的输入滤波器和压控振荡器的输入信号，并将混频后的信号输入到所在支路的低通滤波器；所述低通滤波器用于将输入信号滤波后输入到监控子单元；所述压控振荡器用于在作为主压控振荡器时锁定最大信干比的小区信号并跟踪该小区信号的频率，并用于在作为从压控振荡器时跟随主压控振荡器输出信号的频率对称变化；

监控子单元，用于接收第一低通滤波器和第二低通滤波器输出的低频信号，并搜索所述混频后的信号中的同步码字和小区，保存搜索到的小区及其对应信干比和所在锁相环支路的记录表，比较记录表中所有小区的信干比大小，设置信干比最大的小区所在锁相环支路的压控振荡器为主压控振荡器，另一个锁相环支路的压控振荡器为从压控振荡器；监控子单元利用主压控振荡器对最大信干比的基站信号进行估计，在主压控振荡器所在锁相环支路的混频器输出信号的信干比达到峰值后，锁定主压控振荡器频率，从压控振荡器输出信号的频率跟随主压控振荡器输出信号的频率对称变化；监控子单元比较确定记录表中每个锁相环支路中信干比最大的小区，分别从每个锁相环支路中取出该支路中信干比最大的小区的IQ信号，将两个支路中信干比最大的小区对应的IQ信号混合然后调制，并输出到上变频器进行输出；

所述所述两个锁相环支路的压控振荡器在初始化时设置为相同频率，并分别设置为主从压控振荡器。

具体的，所述监控子单元还用于实时更新所述记录表，所述记录表中记录的小区为小区码。

具体的，所述监控子单元利用主压控振荡器对最大信干比的基站信号进行估计，采用通过升高或者降低主压控振荡器的频率的方法进行尝试。

由上述技术方案可知：本发明通过分析预解调后的小区信号，对基站信号进行估计和校正，消除用户终端在高速运动环境下收发信号的多普勒频移，解决了前后小区切换时的频差问题。同时，将经过校正的小区信号由重发天线进行汽车或高速列车等交通工具内部覆盖，可以达到较好的覆盖效果，并同时避免了基站无线信号穿透车体等带来的损耗

附图说明

图1是本发明高速移动环境中实现信号收发的方法流程图。

图2是本发明实施高速移动环境中信号收发方法的直放站的结构框图。

图3是本发明直放站的纠偏单元的结构框图。

图4是本发明实施例的直放站移动过程及小区覆盖图。

具体实施方式

下面将结合具体附图和具体实施例对本发明作进一步的描述。

如图1是本发明高速移动环境中实现信号收发的方法流程图。一种高速移动环境中实现信号收发的方法，包括如下步骤：进行初始化设置：设置两个锁相环支路的压控振荡器频率相同，并分别设置为主从压控振荡器，从压控振荡器输出信号的频率跟随主压控振荡器输出信号的频率对称变化；在初始化完成后，循环执行以下具体的信号收发方法：a、从施主天线接收小区信号，经过低噪声放大器放大以及射频滤波后，分别输入到两个锁相环支路所在的混频器，经过混频后的信号送入低通滤波器后选出两个中频信号，由监控子单元搜索所述中频信号中的同步码字和小区，保存搜索到的小区及其对应信干比和所在锁相环支路的记录表；b、比较记录表中所有小区的信干比大小，设置信干比最大的小区所在锁相环支路的压控振荡器为主压控振荡器，另一个锁相环支路的压控振荡器为从压控振荡器；c、利用主压控振荡器对最大信干比的基站信号进行估计，在主压控振荡器所在锁相环支路的混频器输出信号的信干比达到峰值后，锁定主压控振荡器频率，从压控振荡器输出信号的频率跟随主压控振荡器输出信号的频率对称变化；d、比较确定记录表中每个锁相环支路中信干比最大的小区，分别从每个锁相环支路中取出该支路中信干比最大的小区的IQ信号，将该两个小区对应的IQ信号混合然后调制，并输出到上变频器进行输出。

本发明通过分析预解调后的小区信号，并通过动态改变主压控振荡器的频率，补偿由多普勒造成的频移，消除了收发信号的多普勒频移；解决了前后小区切换时的频差问题。

本发明的方法主要应用在高速移动环境下的直放站。实施本发明信号收发方法的直放站的结构框图见图2。本发明的还提供了一种实施上述信号收发方法的直放站，包括施主天线、下行低噪声放大器、输入滤波器、纠偏单元、上变频器、下行功率放大器、输出滤波器和重发天线，所述纠偏单元分别与输入滤波器与上变频器连接，用于从输入滤波器接收两路信号后，将两路信号输入到两个锁相环支路，通过两个锁相环支路的压控振荡器与混频器，对两路输入信号进行分析和筛选，经过调制和解调后进行合路输出到上变频器。

图2中，低噪声放大器，用于从施主天线接收下行输入信号，并将该信号进行低噪声放大；上变频器，包括一个本震和一个混频器，将本振为标准的小区频率，用于上述监控子单元输出信号的上变频；述输入滤波器与输出滤波器对输入信号进行滤波。由于以上部件的实现都属于现有技术，在发明中不再赘述。另外，本发明中由于上行信号的处理与下行信号类似，所以图2中的直放站没有画出对应的上行处理单元。

本发明直放站的纠偏单元结构框图见图3，纠偏单元具体包括：

第一锁相环支路，包括第一混频器、第一压控振荡器和第一低通滤波器；第一混频器用于接收输入滤波器和第一压控振荡器的输入信号，并将混频后的信号输入到第一低通滤波器；第一低通滤波器用于将输入信号滤波后输入到监控子单元；所述第一压控振荡器用于在作为主压控振荡器时锁定最大信干比的小区信号并跟踪该小区信号的频率，并用于在作为从压控振荡器时跟随主压控振荡器输出信号的频率对称变化；

第二锁相环支路，包括第二混频器、第二压控振荡器和第二低通滤波器，第二混频器用于接收输入滤波器和第二压控振荡器的输入信号，并将混频后的信号输入到第二低通滤波器；第二低通滤波器用于将输入信号滤波后输入到监控子单元；所述第二压控振荡器用于在作为主压控振荡器时锁定最大信干比的小区信号并跟踪该小区信号的频率，并用于在作为从压控振荡器时跟随主压控振荡器输出信号的频率对称变化；

监控子单元，用于接收第一低通滤波器和第二低通滤波器输出的低频信号，并搜索所述中频信号中的同步码字和小区，保存搜索到的小区及其对应信干比和所在锁相环支路的记录表，比较记录表中所有小区的信干比大小，设置信干比最大的小区所在锁相环支路的压控振荡器为主压控振荡器，另一个锁相环支路的压控振荡器为从压控振荡器;监控子单元利用主压控振荡器对最大信干比的基站信号进行估计，在主压控振荡器所在锁相环支路的混频器输出信号的信干比达到峰值后，锁定主压控振荡器频率，从压控振荡器输出信号的频率跟随主压控振荡器输出信号的频率对称变化;监控子单元比较确定记录表中每个锁相环支路中信干比最大的小区，分别从每个锁相环支路中取出该支路中信干比最大的小区的IQ信号，将该两个小区对应的IQ信号混合然后调制，并输出到上变频器进行输出;

所述第一压控振荡器和第二压控振荡器在初始化时设置为相同频率，并分别设置为主从压控振荡器。

将本发明的直放站安装于汽车或高速列车等交通工具上，使直放站与用户终端同步运动，利用纠偏直放站对基站信号进行估计和校正，消除用户终端在高速运动环境下接收信号的多普勒频移。同时，将经过校正的小区信号由重发天线进行汽车或高速列车等交通工具内部覆盖，可以达到较好的覆盖效果，并同时避免了基站无线信号穿透车体等带来的损耗。

实施例

如图4所示本发明实施例直放站移动过程及小区覆盖图，假设在初始化时设置第一锁相环支路中的第一压控振荡器VCO1为主压控振荡器，第二第一锁相环支路中的第二压控振荡器VCO2为从压控振荡器。

由于小区的覆盖半径通常远远大于小区到用户移动轨迹(高速公路，铁路)的垂直距离，此时夹角很小，可近似认为为零。又由于多普勒频移公式与水平距离无关，所以小区1和小区2对于直放站下行信号的多普勒频移值大小可近似相等，符号相反。

设C1为用户初始位置(由于整个方法为多个环节的循环，初始位置的不同对***并不造成影响)。在C1位置，由于初始设置VCO1为主VCO，并且此时直放站离小区1距离较近，相比小区2其信号更强，则由VCO1的输出信号频率跟踪小区1信号的频率，VCO2的输出信号频率跟随VCO1对称变化。因为在高速移动环境下由于多普勒频移和基站地理位置的影响，前后小区所产生的多普勒频移值的符号相反，又因为VCO1和VCO2的输出信号频率对称变化，所以VCO2的输出信号频率近似等于小区2的频率。此时，监控子单元有四种信号输入:1、VCO1所在锁相环支路中，经第一混频器输出经过混频的小区1信号A和小区2信号B;2、VCO2所在锁相环支路中，经第二混频器输出经过混频的小区1信号A'和小区2信号B'。监控子单元由于VCO1的输出信号的频率锁定为小区1信号的频率，同时VCO2的输出信号的频率锁定近似为小区2信号的频率，所以混频后得到的信号A的信干比最高、B稍低，A'和B'更低。监控子单元保存包括搜索到的小区1和小区2及其对应信干比、IQ信号和所在锁相环支路三类信息的记录表，此时记录表中有4条记录，比较记录表中所有小区的信干比大小，设置信号比最大的小区1所在锁相环支路的压控振荡器VCO1为主压控振荡器，此时监控子单元利用主压控振荡器对最大信干比的小区1的信号进行估计，在VCO1所在锁相环支路的第一混频器输出信号的信干比达到峰值后，锁定VCO1频率，VCO2输出信号的频率跟随主压控振荡器输出信号的频率对称变化，用户将自动选择小区1为当前小区。此时监控子单元通过比较VCO1所在锁相环支路记录表中，通过比较信号A和信号A'的信干比，选择信干比最大的为小区1信号A，同样，监控子单元通过比较VCO2所在锁相环支路记录表中，通过比较信号B和信号B'的信干比，选择信干比较大的信号为小区2的信号B';然后监控子单元将对应小区1和小区2的IQ信号进行调制变频后输出。

当直放站继续移动到C2位置，进入小区1和小区2的共同覆盖区域。此过程中，直放站逐渐远离小区1靠近小区2，信号B'的信干比逐渐增大，相反，信号A的信干比逐渐减小。当信号B'的信干比大于信号A时，监控子单元将选择最大信干比对应小区的所在支路的VCO2为主VCO。同时，用户通过检测重发信号的信干比，将把当前小区自动切换为小区2，完成一次小区切换。

当直放站继续移动，此时直放站离开共同覆盖区，VCO1几乎搜索不到小区1的信号，只能跟随VCO2输出信号的频率对称变化。且随着距离小区2基站越来越近，多普勒频移值逐渐减小，VCO2输出信号的的频率也逐渐减小。到达C3位置后，多普勒频移为零，VCO2仍然作为主VCO，其输出信号频率继续减小。反之，VCO1的频率跟随变化逐渐变大。

当直放站移动至C4位置，此时VCO1输出信号的频率正好锁定下小区3的信号频率，且信号C的信干比逐渐增大。当信号C的信干比大于信号B'时，信号C为最大信干比信号，监控子单元设置VCO1为主VCO。

用户继续移动则直放站工作过程由C1点开始循环。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims

1.一种高速移动环境中实现信号收发的方法，其特征在于，包括如下步骤：

进行初始化设置：设置两个锁相环支路的压控振荡器频率相同，并分别设置为主从压控振荡器，从压控振荡器输出信号的频率跟随主压控振荡器输出信号的频率对称变化；在初始化完成后，循环执行以下具体的信号收发方法：

2.如权利要求1所述高速移动环境中实现信号收发的方法，其特征在于，所述步骤a中的记录表实时更新。

3.如权利要求1所述高速移动环境中实现信号收发的方法，其特征在于，所述步骤c中，所述利用主压控振荡器对最大信干比的基站信号进行估计，通过升高或者降低主压控振荡器的频率进行尝试。

4.如权利要求1-3任一项所述高速移动环境中实现信号收发的方法，其特征在于，所述记录表中记录的小区为小区码。

5.如权利要求4所述高速移动环境中实现信号收发的方法，其特征在于，所述记录表中的每条记录中保存有对应该小区的IQ信号。

6.一种直放站，包括施主天线、下行低噪声放大器、输入滤波器、纠偏单元、上变频器、下行功率放大器、输出滤波器和重发天线，其特征在于，

所述纠偏单元分别与输入滤波器与上变频器连接，用于从输入滤波器接收两路信号后，将两路信号输入到两个锁相环支路，利用两个锁相环支路的压控振荡器与混频器，对两路输入信号进行分析和筛选，经过调制和解调后进行合路输出到上变频器；

所述纠偏单元包括：

所述两个锁相环支路的压控振荡器在初始化时设置为相同频率，并分别设置为主从压控振荡器。

7.如权利要求6所述直放站，其特征在于，所述监控子单元还用于实时更新所述记录表，所述记录表中记录的小区为小区码。

8.如权利要求6所述直放站，其特征在于，所述监控子单元利用主压控振荡器对最大信干比的基站信号进行估计，采用通过升高或者降低主压控振荡器的频率的方法进行尝试。

9.如权利要求7-8任一项所述直放站，其特征在于，所述记录表中的每条记录中保存有对应该小区的IQ信号。