CN102118762A - 一种针对高速铁路的无线通信网络单向覆盖方案 - Google Patents

Abstract

一种针对高速铁路的无线通信网络单向覆盖方案：采用基带处理单元(BBU)+射频处理单元(RRU)的模式，BBU和RRU沿高速铁路建设，呈线形覆盖；一个BBU对应一个逻辑小区，通过光纤与多个RRU相连，利用RRU对该逻辑小区进行覆盖；逻辑小区内的RRU采用单向覆盖，即RRU只朝一个方向发射信号，且发射方向一致。本发明充分考虑高速铁路的环境特点，提出的单向覆盖方案能有效减少高速移动时多普勒效应带来的影响，减少***对多普勒频偏进行补偿时的工作量，降低信道估计的复杂度，为可靠通信提供保障。

Description

一种针对高速铁路的无线通信网络单向覆盖方案

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，涉及一种针对高速铁路的无线通信网络覆盖方案。具体地说，高速铁路无线通信网络覆盖方案的设计直接影响整个网络的性能，需要充分考虑高速移动带来的影响，为可靠通信提供保障。

背景技术

近几年来，我国的高速铁路大力发展，里程数和速度都达到了新的高度。目前，全国高速铁路的平均时速为200-300km/h。高速铁路的通信有以下几个特点：(1)新型列车车厢封闭性好，时速快，信号衰减大；(2)用户移动速度快，多普勒效应明显；(3)覆盖呈线状，主要集中的高速铁路上；(4)话务量相对集中，列车经过时话务突发。

为解决信号衰减大的问题，目前多采用基带处理单元(Base Band Unit，BBU)+射频拉远单元(RadioRemote Unit，RRU)模式，RRU的使用增强了信号质量，扩大了小区范围。

多普勒效应是波源和观察者有相对运动时，观察者接收到波的频率与波源发出的频率并不相同的现象。设f_c为载波频率(Hz)，v是用户移动速度(m/s)，c为光速(m/s)，θ(t)为来波方向与用户移动方向的夹角，f_d为频率的变化即最大多普勒频移，则有

用户的移动速度越快，产生的多普勒频移越大，需要设计合理的覆盖方案以减小多普勒频率的扩展。

为解决多普勒效应带来的频率偏移问题，需要进行频偏估计，从而采用有效的多普勒频偏补偿技术。这里介绍基于循环前缀的频偏估计技术。

任意给定情况下，用N_p表示到达接收端的多径数目，Φ_n0是初始相位，z_n(t)是第n条路径的到达角，在接收端的第n个路径的相位可由下式给出：

Φ(t)＝Φ_n0+2πΔftcosz_n(t)

其中Δf为多普勒频率偏移。

根据Jakes模型，多普勒频谱所展现出来的能量和带限衰落为：

$S\left(f_n\right)=\frac{{\left|h_n\right|}^2}{{\mathrm{\πf}}_D}\frac{1}{\sqrt{1-{(f_n/\mathrm{\Δf})}^2}},$ |f_n|≤Δf

在移动蜂窝环境下，OFDM信号经过一个频率选择性衰落和时间选择性衰落信道，信道包含了实际信道冲击响应和传输滤波器

因此，接收到的复合基带信号r(k)受多径和加性高斯白噪声的影响，在离散采样点上拥有以下形式：

$r\left(k\right)=\underset{n=1}{\overset{N_p}{\mathrm{\Σ}}}{h}_n\left(k\right)z(k-{\mathrm{\τ}}_n)+n\left(k\right)=r_i\left(k\right)+{\mathrm{jr}}_q\left(k\right)=(x\left(k\right)+n_i\left(k\right))+j(y\left(k\right)+n_q\left(k\right))$

其中z(k)是发送信号，x(k)和y(k)分别为同向和正交分量；n(k)＝n_i(k)+jn_q(k)表示复合高斯白噪声，其功率为E[n_i ²(k)]＝E[n_q ²(k)]＝N₀B/2。在接收端，发送信号的平均功率E[x²(k)]＝E[y²(k)]＝σ²/2。加性噪声信号n(k)与发送信号z(k)相互独立。由中心极限定理，接收信号的自相关函数可以表示为：

$C_{r_i{r}_i}\left(\mathrm{\τ}\right)=C_{r_q{r}_q}\left(\mathrm{\τ}\right)=E\left[r_i\left(k\right)r_i(k+\mathrm{\τ})\right]=\frac{{\mathrm{\σ}}^2{J}_0\left(2\mathrm{\π\Δf\τ}\right)}{2}+\frac{N_0\mathrm{B\δ}\left(\mathrm{\τ}\right)}{2}$

一个完整的OFDM符号由有用信号和循环前缀CP组成，设有用信息的长度为T_b＝NT_s，CP的长度为T_g＝LT_s，可以利用CP进行OFDM***的多普勒频偏估计。假定得到较为准确的信噪比值，则Δf可用下式来估计：

$\widehat{\mathrm{\ρ}}\left({\mathrm{NT}}_s\right)=\frac{1}{1+N_{0}B/{\mathrm{\σ}}^2}{J}_0\left(2\mathrm{\π\Δf}(N+L)T_s\right)+\frac{1}{1+N_0{\mathrm{\σ}}^2/B}\mathrm{\δ}\left({\mathrm{NT}}_s\right)$

从而得出相应的最大多普勒频偏f_d的值，完成频偏估计。

但是，随着用户移动速度的提高，多普勒效应愈来愈严重，最大频偏增大，对现有的频偏补偿技术形成挑战。另一方面，随着速度的提高，留给基站处理频偏的时间愈来愈少，需要设计合理的覆盖方案以降低频偏补偿算法的复杂度。

建设移动通信网络需要事先对信道做出合理的估计，目前信道估计的算法有最小二乘估计(Least Square，LS)、线性最小均方误差估计(Linear Minimum Mean Square Error，LMMSE)、基于基扩展模型的信道估计等。其中高速环境下，多采用基于基扩展模型的信道估计方法。该方法通过正交基的线性加权来逼近信道变化曲线，具体方法如下：

由奈奎斯特取样定理可知，若原始信号的带宽为W，则要想无失真地恢复原始信号，抽样频率至少为2W。若信号的持续时间为T，则信号的维数定义为N＝2WT。实信号的能量可由下式给出：

${\mathrm{\ϵ}}_x={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{x}^2\left(t\right)\mathrm{dt}={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\left|X\left(f\right)\right|}^2\mathrm{df}$

考虑时域有限且频带较集中的信号，设信号持续时间为[-T/2，T/2]，且大部分能量集中在带宽[-W，W]内，只有少于ηε_x处于带外，即：

$\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_x}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\left|X\left(f\right)\right|}^2\mathrm{df}\≥1-\mathrm{\η}$

由维数定理知，存在N个正交信号{φ_j(t)，1≤j≤N}，其中t∈[-T/2，T/2]满足：

由上面的维数定理，我们可以使用N个相互正交的信号φ_j(t)的线性组合来近似表示x(t)，从而实现信道估计。使用这种方法进行信道估计一方面可以减少估计引入的噪声分量，另一方面可以减少使用的导频数目从而传输更大的数据量。但是用户的高速移动会带来巨大的信道估计数据，因此需要设计合理的覆盖方案以降低信道估计的复杂度。

本发明充分考虑以上因素，提出一种针对高速铁路的无线通信网络单向覆盖方案，保证移动通信***的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对高速铁路的无线通信网络的覆盖方案，用于在高速铁路环境下保证移动用户的通信。

为达到上述目的，本发明提供了一种针对高速铁路的无线通信网络单向覆盖方案，包含以下内容：

1.采用基带处理单元(BBU)+射频拉远单元(RRU)的模式，BBU和RRU沿高速铁路建设，呈线形覆盖。

2.一个BBU对应一个逻辑小区，通过光纤与多个RRU相连，利用RRU对该逻辑小区进行覆盖；

3.逻辑小区内的RRU采用单向覆盖，即RRU只朝一个方向发射信号，且发射方向一致。

本发明提出的覆盖方案有以下优点：

1.在铁路沿线建设BBU+RRU，能有效地进行线形覆盖，RRU的使用能有效扩大小区范围；

2.单向覆盖能有效减少多普勒效应带来的频谱扩展；

3.单向覆盖能有效降低信道估计算法的复杂度；

4.单向覆盖能有效降低多普勒频偏补偿算法的复杂度；

附图说明

图1是本发明高速移动通信网络单向覆盖方案结构示意图。

图2是本发明单向覆盖方案RRU部分放大图。

图3是双向覆盖条件下多普勒效应示意图。

图4是双向覆盖条件下多普勒频移变化示意图。

图5是单向覆盖条件下多普勒效应示意图。

图6是单向覆盖条件下多普勒频移变化示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1所示，本发明采用基带处理单元(BBU)+射频处理单元(RRU)的模式，BBU和RRU沿高速铁路建设，呈线形覆盖。一个BBU对应一个逻辑小区，利用多个RRU对该逻辑小区进行覆盖。BBU本身的覆盖范围有限，但通过RRU的作用使小区范围得到扩展。

参见图2所示，一个逻辑小区内的RRU采用单向覆盖，即RRU只朝一个方向发射信号，且发射方向一致。

下面通过比较双向覆盖和单向覆盖条件下多普勒效应的变化，详细分析单向覆盖方案的优点。

多普勒效应是指因波源或观察者相对于传播介质的运动而使观察者接收到的波的频率发生变化的现象。多普勒频移的变化可由下式给出：

f_d(t)＝f_maxcosθ(t)

其中f_d为最大多普勒频移，f_max＝f_c.v/c；f_c为载波频率(Hz)；v是火车速度(m/s)，c为光速(m/s)。

参见图3所示，双向覆盖条件下，角度θ(t)由下式计算：

$\cos \left(\mathrm{\θ}\left(t\right)\right)=\frac{d_0-\mathrm{vt}}{\sqrt{{d_B}^2+{(d_0-\mathrm{vt})}^2}},0\≤t\≤{2d}_0/v$

其中d₀为火车到O点的初始距离，O为基站到铁轨的垂线的垂足，d_B为基站到铁轨的距离。

由f＝f_c+f_d(t)可得双覆盖条件下受多普勒效应影响的频率变化曲线，参见图4所示，双向覆盖条件下的频率在以BBU为基点的分隔线上增减变化，即频率在前半段相对f_c增加，在后半段相对f_c减小，总变化幅度为：

$\mathrm{\Δf}=2f_c{\mathrm{vd}}_0/(c\·\sqrt{{d_0}^2+{d_B}^2})$

参见图5所示，单向覆盖条件下，火车到O点的初始距离为d₀′，满足d₀＜d₀′≤2d₀。则角度θ(t)的计算公式变为：

$\cos \left(\mathrm{\θ}\left(t\right)\right)=\frac{{d_0}^{\′}-\mathrm{vt}}{\sqrt{{d_B}^2+{({d_0}^{\′}-\mathrm{vt})}^2}},0\≤t\≤{d_0}^{\′}/v$

可得单向覆盖条件下受多普勒效应影响的频率变化曲线，参见图6所示，单向覆盖条件下的频率在以BBU为基点的分隔线上单调变化，变化幅度为：

${\mathrm{\Δf}}^{\′}=f_c{{\mathrm{vd}}_0}^{\′}/(c\·\sqrt{{d_0}^{\′2}+{d_B}^2})$

显然有Δf＞Δf′，即单向覆盖能有效减少多普勒效应带来的频谱扩展。另一方面，双向覆盖时频率时增时减，而单向覆盖条件下频率的变化是单调的(即频率一直增大或一直减小)，因此单向覆盖方案更有利于频偏补偿的实现，有助于简化频偏补偿算法。

对带宽为W，持续时间为T的信号，在信道估计时，可通过正交基的线性加权来逼近信道变化曲线，该估计方法的复杂度正比于信号维数

由于本发明提出的单向覆盖方案能有效减小多普勒效应引起的频谱扩展，从而减小信号维数，降低信道估计的复杂度。

利用OFDM符号的循环前缀对多普勒频率偏移进行估计时，循环前缀的长度对频偏的值有一定影响。当频偏的值一定时，单向覆盖方案可以选择较短的循环前缀，使频偏估计算法得到简化。

综上，本发明提出的针对高速铁路的无线通信网络单向覆盖方案充分考虑高速铁路的环境特点，有效减少高速移动时多普勒效应带来的频谱扩展，降低多普勒频偏补偿算法和信道估计算法的复杂度，为可靠通信提供保障。

Claims (2)

1.一种针对高速铁路的无线通信网络单向覆盖方案，其特征在于，采用基带处理单元(BBU)+射频处理单元(RRU)的模式，BBU和RRU沿高速铁路建设，呈线形覆盖；一个BBU对应一个逻辑小区，通过光纤与多个RRU相连，利用RRU对该逻辑小区进行覆盖。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，逻辑小区内的RRU采用单向覆盖，即RRU只朝一个方向发射信号，且发射方向一致。

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