[发明专利]基于多普勒信道特性的天线辐射方向图自适应方法

权利要求书

1.一种基于多普勒信道特性的天线辐射方向图自适应方法，用于控制与高铁上用户无线通信的天线，所述天线设于铁轨旁的基站上，其特征在于，包括：

步骤S1：基站初始设置天线的辐射方向图有两个对称的主波瓣，每个主波瓣覆盖铁轨的两侧，基站实时检测天线是否接收到高铁上用户发送的信号；

步骤S2：当天线接收到高铁上用户发送的信号时，有高铁经过，基于多普勒信道特性和几何数学模型获得高铁运行速度估计值、铁轨与基站的最小距离估计值和高铁以最小距离经过基站的时间估计值；

步骤S3：根据高铁运行速度估计值、铁轨与基站的最小距离估计值和高铁以最小距离经过基站的时间估计值重构和预测高铁移动轨迹，获得任意给定时刻的高铁位置；

步骤S4：基站根据任意给定时刻的高铁位置自适应设置天线的辐射方向图，使得辐射方向图有一个实时跟踪覆盖高铁的主波瓣；

步骤S5：当天线不再接收到高铁上用户发送的信号，此次高铁离开，跳转步骤S1，等待下一次高铁经过；

所述步骤S2具体为：

21：根据多普勒信道特性和几何数学模型，建立LOS径的多普勒频率公式，如下：

式中，υ_LOS(t)表示LOS径的多普勒频率，v表示高铁运行速度，d表示铁轨与基站的最小距离，t₀表示高铁以最小距离经过基站的时间，θ(t)表示在t时刻观察到的基站和高铁之间直射路径与高铁移动方向的夹角，f_c表示载波频率，c表示光速；

22：当天线接收到高铁上用户发送的信号Q，有高铁经过，根据信号Q获得与用户对应的多普勒频率轨迹在该多普勒频率轨迹上取多个不同时刻的多普勒频率经验值；

23：采用最小二乘法由多个不同时刻的多普勒频率经验值获得估计的高铁运行速度估计值铁轨与基站的最小距离估计值高铁以最小距离经过基站的时间估计值满足以下公式：

式中，下标LS表示最小二乘结果，arg min f(v,t₀,d)表示使f(v,t₀,d)取得最小值时的取值，|·|表示两个给定变量之间的欧几里得距离，t∈[t₁,t_M]表示获取多普勒频率经验值的M个观测时间，υ(t)表示t时刻的多普勒频率经验值。

2.根据权利要求1所述的基于多普勒信道特性的天线辐射方向图自适应方法，其特征在于，所述步骤22具体为：

221：当天线接收到高铁上用户发送的信号Q，有高铁经过，根据信号Q获取功率时延谱r(t,τ)，满足以下公式：

式中，l表示第l条路径，l＝1时表示LOS径，LOS径为最短时延对应的路径，L表示总路径数，a_l,t表示从时刻t开始的快照观察得到的第l条路径的复数衰减，a_l,t从接收信号Q中提取得到，δ(·)表示单位冲激函数，τ表示时延，τ_l表示第l条路径的时延；

222：以多快照从r(t,τ)最大值对应的信道冲激响应中提取LOS径的复数衰减a_1，t；

223：由a_1，t的傅里叶变换得到与用户对应的多普勒频率轨迹满足以下公式：

式中，υ_cdt表示可观测到的多普勒频率范围，a_1,t的快照在相干时间[t₁,t_n]内获得，表示使f(υ_cdt)取得最大值时υ_cdt的取值，j表示虚数；

224：从步骤223得到的多普勒频率轨迹中取多个不同时刻的多普勒频率经验值。

3.根据权利要求1所述的基于多普勒信道特性的天线辐射方向图自适应方法，其特征在于，所述步骤22中，多普勒频率经验值的取值个数为三个或三个以上。

4.根据权利要求1所述的基于多普勒信道特性的天线辐射方向图自适应方法，其特征在于，所述步骤21中，当基站的载波频率与用户之间存在频移υ_extra时，公式(1)替换为公式(6)：