基于多普勒信道特性的天線輻射方向圖自適應(yīng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于多普勒信道特性的天線輻射方向 圖自適應(yīng)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 維持高鐵無線通信系統(tǒng)良好的用戶服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，簡(jiǎn)稱QoS)是 非常重要的。這不僅要實(shí)現(xiàn)高鐵上用戶的需求，還要保證高水平的安全性。現(xiàn)如今有很多 高鐵無線通信應(yīng)用依賴于全球定位系統(tǒng)（Global Position System，簡(jiǎn)稱GPS)定位，而不依 賴于GPS定位的方法卻很少。盡管一般情況下GPS能給出高鐵和基站（Base Station，簡(jiǎn)稱 BS)的位置信息，但是仍然需要有其他不依賴于GPS的定位方法作為備用。
[0003] 近來，在通信系統(tǒng)中，采用方向圖可調(diào)節(jié)的天線（機(jī)械或者電子的方式實(shí)現(xiàn)）來 實(shí)現(xiàn)高覆蓋率，達(dá)到良好的用戶服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，簡(jiǎn)稱QoS)的解決方案已 經(jīng)被提出。通過獲取用戶終端的位置信息，天線主瓣實(shí)時(shí)跟蹤目標(biāo)，而不浪費(fèi)能量在其他 方向上。一般情況下，對(duì)于基站和用戶終端位置的確定需要借助全球定位系統(tǒng)（Global Position System，簡(jiǎn)稱GPS)。然而在很多場(chǎng)景中，GPS信號(hào)無法準(zhǔn)確接收或者解碼，其典型 環(huán)境就是高鐵場(chǎng)景。由于高鐵的高速移動(dòng)性，沿線環(huán)境的復(fù)雜性以及受到天氣狀況的影響， GPS在很多情況下不能有效發(fā)揮其作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于多普勒信 道特性的天線輻射方向圖自適應(yīng)方法，僅僅利用了無線通信信號(hào)來探測(cè)高鐵和BS的位置， 其關(guān)鍵點(diǎn)是利用了由高鐵用戶和BS之間的視距（Line of Sight，簡(jiǎn)稱L0S)傳播路徑估算 得到的多普勒頻率的軌跡，來估算高鐵和BS的位置，與GPS完全不相關(guān)，可以很好的成為基 于GPS的傳統(tǒng)技術(shù)的替代方法，適用于無法精確接收或者解碼GPS信號(hào)的無線通信環(huán)境。
[0005] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0006] -種基于多普勒信道特性的天線輻射方向圖自適應(yīng)方法，用于控制與高鐵上用戶 無線通信的天線，所述天線設(shè)于鐵軌旁的基站上，包括：
[0007] 步驟S1 :基站初始設(shè)置天線的輻射方向圖有兩個(gè)對(duì)稱的主波瓣，每個(gè)主波瓣覆蓋 鐵軌的兩側(cè)，基站實(shí)時(shí)檢測(cè)天線是否接收到高鐵上用戶發(fā)送的信號(hào)；
[0008] 步驟S2:當(dāng)天線接收到高鐵上用戶發(fā)送的信號(hào)時(shí)，有高鐵經(jīng)過，基于多普勒信道 特性和幾何數(shù)學(xué)模型獲得高鐵運(yùn)行速度估計(jì)值、鐵軌與基站的最小距離估計(jì)值和高鐵以最 小距離經(jīng)過基站的時(shí)間估計(jì)值；
[0009] 步驟S3 :根據(jù)尚鐵運(yùn)彳丁速度估計(jì)值、鐵軌與基站的最小距尚估計(jì)值和尚鐵以最小 距離經(jīng)過基站的時(shí)間估計(jì)值重構(gòu)和預(yù)測(cè)高鐵移動(dòng)軌跡，獲得任意給定時(shí)刻的高鐵位置；
[0010] 步驟S4 :基站根據(jù)任意給定時(shí)刻的高鐵位置自適應(yīng)設(shè)置天線的輻射方向圖，使得 輻射方向圖有一個(gè)實(shí)時(shí)跟蹤覆蓋高鐵的主波瓣；
[0011] 步驟S5 :當(dāng)天線不再接收到高鐵上用戶發(fā)送的信號(hào)，此次高鐵離開，跳轉(zhuǎn)步驟Sl， 等待下一次高鐵經(jīng)過。
[0012] 所述步驟S2具體為：
[0013] 21 :根據(jù)多普勒信道特性和幾何數(shù)學(xué)模型，建立L0S徑的多普勒頻率公式，如下：
[0015] 式中，表示L0S徑的多普勒頻率，v表示高鐵運(yùn)行速度，d表示鐵軌與基站 的最小距i^i，t。表不尚鐵以最小距尚經(jīng)過基站的時(shí)間，Θ (t)表不在t時(shí)刻觀察到的基站和 高鐵之間直射路徑與高鐵移動(dòng)方向的夾角，f。表示載波頻率，C表示光速；
[0016] 22 :當(dāng)天線接收到高鐵上用戶發(fā)送的信號(hào)Q，有高鐵經(jīng)過，根據(jù)信號(hào)Q獲得與用戶 對(duì)應(yīng)的多普勒頻率軌跡，在該多普勒頻率軌跡上取多個(gè)不同時(shí)刻的多普勒 頻率經(jīng)驗(yàn)值；
[0017] 23:采用最小二乘法由多個(gè)不同時(shí)刻的多普勒頻率經(jīng)驗(yàn)值獲得估計(jì)的高鐵運(yùn)行速 度估計(jì)值?' _、.鐵軌與基站的最小距尚估計(jì)值尚鐵以最小距尚經(jīng)過基站的時(shí)間估計(jì)值:， 滿足以下公式：
[0019] 式中，下標(biāo)LS表示最小二乘結(jié)果，arg min f (V，t。，d)表示使f (V，t。，d)取得最小 值時(shí)f、i、^的取值，I · I表示兩個(gè)給定變量之間的歐幾里得距離，t e [tl，tM]表示獲 取多普勒頻率經(jīng)驗(yàn)值的Μ個(gè)觀測(cè)時(shí)間，u (t)表示t時(shí)刻的多普勒頻率經(jīng)驗(yàn)值。
[0020] 所述步驟22具體為：
[0021] 221 :當(dāng)天線接收到高鐵上用戶發(fā)送的信號(hào)Q，有高鐵經(jīng)過，根據(jù)信號(hào)Q獲取功率時(shí) 延譜r(t, τ)，滿足以下公式：
[0023] 式中，1表示第1條路徑，1 = 1時(shí)表示L0S徑，L0S徑為最短時(shí)延對(duì)應(yīng)的路徑，L表 示總路徑數(shù)，alit表示從時(shí)刻t開始的快照觀察得到的第1條路徑的復(fù)數(shù)衰減，a Μ從接收 信號(hào)Q中提取得到，S (·)表示單位沖激函數(shù)，τ表示時(shí)延，τ i表示第1條路徑的時(shí)延；
[0024] 222 :以多快照從r (t，τ )最大值對(duì)應(yīng)的信道沖激響應(yīng)中提取L0S徑的復(fù)數(shù)衰減 ai,t；
[0025] 223 :由alit的傅里葉變換得到與用戶對(duì)應(yīng)的多普勒頻率軌跡，滿足以下 公式：
[0027] 式中，\dt表示可觀測(cè)到的多普勒頻率范圍，
的快照在相干時(shí)間[k tn]內(nèi)獲得，表示使f ( u _)取得最大值時(shí)υ ^的 取值，j表示虛數(shù)；
[0028] 224 :從步驟223得到的多普勒頻率軌跡(0中取多個(gè)不同時(shí)刻的多普勒頻率 經(jīng)驗(yàn)值。
[0029] 所述步驟22中，多普勒頻率經(jīng)驗(yàn)值的取值個(gè)數(shù)為三個(gè)或三個(gè)以上。
[0030] 所述步驟21中，當(dāng)基站的載波頻率與用戶之間存在頻移U寸，公式⑴替換 為公式（6):
[0032] 在步驟S3中，當(dāng)基站在坐標(biāo)系原點(diǎn)處時(shí)，給定時(shí)間t，則任意給定時(shí)刻的高鐵位置 (X，y)滿足以下公式：
[0034] 式中，?)、^分別表示高鐵運(yùn)行速度估計(jì)值、鐵軌與基站的最小距離估計(jì)值和 尚鐵以最小距尚經(jīng)過基站的時(shí)間估計(jì)值。
[0035] 所述步驟S4中，根據(jù)高鐵的長(zhǎng)度來自適應(yīng)選擇天線，使得天線產(chǎn)生的主波瓣完全 覆蓋整輛高鐵。
[0036] 所述高鐵的長(zhǎng)度W滿足以下公式：
[0038] 式中，$表不尚鐵運(yùn)彳丁速度估計(jì)值，
表不多個(gè)與用戶對(duì)應(yīng)的尚鐵以最小距 離經(jīng)過基站的時(shí)間估計(jì)值的最大值，
表示多個(gè)與用戶對(duì)應(yīng)的高鐵以最小距離經(jīng)過基 站的時(shí)間估計(jì)值的最小值。
[0039] 所述天線為可旋轉(zhuǎn)天線或可變輻射方向圖天線。
[0040] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0041] 1)僅僅利用了無線通信信號(hào)來探測(cè)高鐵和BS的位置，其關(guān)鍵點(diǎn)是通過估算的L0S 徑信號(hào)的多普勒頻率軌跡來重構(gòu)和預(yù)測(cè)高鐵和BS的位置，BS的定向天線或者可旋轉(zhuǎn)天線 陣列可以旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)方向，從而跟蹤覆蓋高鐵，使高鐵上的用戶得到滿意的QoS。
[0042] 2)利用通信信道的多普勒特性，與GPS完全不相關(guān)，而不依懶于GPS定位，因此本 發(fā)明可以很好的成為基于GPS的傳統(tǒng)技術(shù)的替代方法，適用于任意無線通信場(chǎng)景。
[0043] 3)本發(fā)明采用可旋轉(zhuǎn)天線，或可變輻射方向圖天線，而不是固定的天線，從而可以 得到更靈活的覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)良好的用戶服務(wù)質(zhì)量以及更少的功率損耗，因此功率損耗要 比采用定向天線的小，可以有效地降低成本。
[0044] 4)采用最小二乘法，基于多普勒信道特性獲取估計(jì)值，估計(jì)得到的數(shù)據(jù)精度高，利 于天線的主波瓣可以準(zhǔn)確地覆蓋高鐵。
[0045] 5)在很多實(shí)測(cè)環(huán)境中，BS的載波頻率和用戶設(shè)備都有可能存在頻移，此用戶設(shè)備 的頻移由晶振的不穩(wěn)定造成，為了減小誤差，重新設(shè)計(jì)了 L0S徑的多普勒頻率公式，進(jìn)一步 提供數(shù)據(jù)的精度。
[0046] 6)本發(fā)明還考慮了當(dāng)高鐵離BS很近并且窄波束無法完全覆蓋整輛高鐵的情況， 通過根據(jù)高鐵的長(zhǎng)度來選擇波束帶寬適合的天線，從而實(shí)現(xiàn)高覆蓋率。
[0047] 7)本發(fā)明在用戶設(shè)備端不需要添加任何設(shè)備，同時(shí)可以以軟件形式在BS實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn) 單有效，易于在高鐵無線通信工程中推廣使用。
【附圖說明】
[0048] 圖1為本發(fā)明方法整體流程圖；
[0049] 圖