一种基于多普勒效应的上行空分多址系统及实现方法
阅读说明：本技术 一种基于多普勒效应的上行空分多址系统及实现方法 (Uplink space division multiple access system based on Doppler effect and implementation method ) 是由 马猛 冯浩 于 2020-03-30 设计创作，主要内容包括：本发明公布了一种基于多普勒效应的上行空分多址系统及实现方法,包括一个基站和多个用户；基站中固定在转动圆盘上等间隔分布N根天线,圆盘以ω的角速度旋转,在某时刻仅有一根天线与接收链路联通；系统还包括解调器、带通滤波器、调频模块、电子开关和天线选择单元；只需为不同用户分配相同频率,当用户向基站采用相同频率发送数据时,在基站处通过转动的天线产生多普勒效应,再通过滤波器来分离不同用户采用相同频率发送的数据,实现基于多普勒效应的上行空分多址移动通信。本发明技术方案配置灵活、使用灵活,能够有效解决移动通信系统的频率资源不足问题,有效增加用户容量。(The invention discloses an uplink space division multiple access system based on Doppler effect and a realization method thereof, comprising a base station and a plurality of users; n antennas are distributed in a base station and fixed on a rotating disc at equal intervals, the disc rotates at an angular speed of omega, and only one antenna is communicated with a receiving link at a certain time; the system also comprises a demodulator, a band-pass filter, a frequency modulation module, an electronic switch and an antenna selection unit; only the same frequency needs to be allocated to different users, when the users transmit data to the base station by adopting the same frequency, the Doppler effect is generated at the base station through the rotating antenna, and then the data transmitted by the different users by adopting the same frequency is separated through the filter, so that the uplink space division multiple access mobile communication based on the Doppler effect is realized. The technical scheme of the invention has flexible configuration and flexible use, can effectively solve the problem of insufficient frequency resources of a mobile communication system, and effectively increases the user capacity.)
技术领域
本发明属于移动通信
技术领域
，具体涉及一种基于多普勒效应的上行空分多址移动通信 系统及实现方法。背景技术
多普勒效应为物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源 前面，波长变得较短，频率变得较高(蓝移blue shift)；在运动的波源后面时，会产生相反 的效应。波长变得较长，频率变得较低(红移red shift)；波源的速度越高，所产生的效应越 大。
在移动通信中，当移动台向基站运动时，频率变高；远离基站时，频率变低。通常，因 为多普勒效应会损害系统的性能，因此在移动通信系统中尽量避免多普勒效应，或利用一些 技术消除多普勒效应的影响。
传统的多址接入技术，如频分多址(FDMA)，不同用户分配不同的频率，当用户向基站 发送数据时，基站通过不同频率分离不同用户，这种方法需要为每个用户分配频谱资源。类 似地，还有时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)等。这些多址技术实际上都是为不同的用户分配彼此正交的时频资源，从而避免用户信号间的干扰。除此之外，空分多址(SDMA)利用了用户分布于空间不同位置所带来的信道差异，采用具有空间分辨能力的天线，如具有 方向性的天线或天线阵列等，典型技术包括多用户MIMO(MU-MIMO)技术等，这类方法进一步提高了频谱利用效率，但是其代价是需要多个射频链路，增加了设备的复杂度和成本。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于多普勒效应的上行空分多址移 动通信系统及实现方法。利用多普勒效应可以实现不同用户分配相同频率，当用户向基站发 送数据时，在基站处通过转动的天线产生多普勒效应，使得从基站接收机来看，不同用户的 频率不同，从而通过滤波器来分离不同用户发送的数据。
本发明的技术方案是：
一种基于多普勒效应的上行空分多址移动通信系统，是一种基于多普勒效应的上行空分 多址技术，包括一个基站和多个用户的上行链路蜂窝系统。用户发送数据，基站接收数据， 基站中的接收机包括天线和接收链路，基站中的天线均为接收天线。多个用户处于基站的不 同方向，使用同一频率发送数据，用户处于静止或低速运动的状态。基站中固定在转动圆盘 上等间隔分布N根天线，圆盘以ω的角速度进行旋转，圆盘的半径为R，在某一时刻仅有一 根天线与接收链路联通，其它天线则与接收链路断开。系统还包括解调器、带通滤波器模块、 调频模块、电子开关和天线选择单元；解调器用于解调目标用户的信号；带通滤波模块用于 分离目标用户和干扰用户的信号；调频模块使用频综器产生与目标用户的多普勒频移相反的 频率，将接收信号与频综器产生的时变频率信号相乘，使得接收信号中目标用户的中心频率 不再随时间改变；电子开关用于打开天线(接通接收链路)或关闭天线；天线选择单元用于 控制电子开关应关闭或打开的天线。
上述基于多普勒效应的上行空分多址移动通信系统的实现包括如下过程：
1)系统中的多个用户同时以中心频率向基站发送数据；
系统中的用户1、用户2、······、用户M同时以中心频率fc向基站发送数据，信号带宽为W， 因此每个用户所使用频带范围为不同用户处于基站的不同方向上，在某一根 接收天线上，不同用户的信号会由于该天线的圆周运动产生不同的多普勒频偏。
2)在t时刻基站的第j根天线上，不同用户的信号产生不同的多普勒频偏；计算得到每个 用户在每根天线处产生的多普勒频偏；
在t时刻，第j根天线的瞬时运动速度方向与第i个用户信号的入射方向夹角，即到达角表 示为θi,j(t)，第i个用户信号在第j根天线处产生的多普勒频偏fi,j(t)可以表示为式(1)，其中C 为光速。
3)再计算得到每根天线上目标用户与其他干扰用户信号频偏差绝对值的最小值，记为Δfn；
假设已知所有用户在所有天线处的信号到达角，根据(1)式可以计算出每个用户在每根 天线处产生的多普勒频偏。在t时刻当解调某个目标用户m的信号时，其他M-1个用户为干 扰用户，通过计算每根天线上目标用户m与M-1个干扰用户产生的频偏，可以得到每根天线 上目标用户m与M-1个干扰用户信号频偏差绝对值的最小值，记为Δfn，n为天线序号：
4)电子开关选择所有天线中Δfn最大的天线接通接收链路；
电子开关选择所有天线中Δfn最大的天线接通接收链路，此时最容易用滤波器分离干扰用 户信号。
5)将所有天线中Δfn最大的天线接通接收链路之后，将接收信号传入到调频模块，产生 一个与目标用户的多普勒频移相反的频率，将接收信号与调频模块的频综器产生的时变频率 信号相乘，使得接收信号中目标用户的中心频率不再随时间改变，由此使得目标用户的信号 通过；
电子开关将所有天线中Δfn最大的天线接通接收链路之后，为了使目标用户m的信号通 过，需将接收信号传入到调频模块，该模块使用频综器产生一个与目标用户m的多普勒频移 相反的频率，将接收信号与频综器产生的时变频率信号相乘，使得接收信号中目标用户m的 中心频率不再随时间改变，此时经过带通滤波模块后，能够分离目标用户m和干扰用户的信 号。
6)经过带通滤波模块即可分离目标用户和其他干扰用户的信号。
通过上述过程，只需为不同用户分配相同频率，当不同用户向基站采用相同频率发送数 据时，在基站处通过转动的天线产生多普勒效应，使得从基站接收机来看，不同用户的频率 不同，再通过滤波器来分离不同用户采用相同频率发送的数据。
调频模块和滤波器可以用在射频也可以在中频或基带之前，即可以在下变频模块前，也 可以在之后。对于未能完全滤除干扰部分的信号，还可以采用交织、前向纠错码等技术来完 全滤除干扰部分的信号。
与现有技术相比，本发明的技术优点包括：
(一)有效解决移动通信系统的频率资源不足；
本发明在移动通信领域，不同的用户使用相同的频率向基站发送数据，通过天线旋转产 生多普勒效应来区分不同的用户，能够充分利用日渐枯竭的频谱资源，相比于不同的用户分 配不同的频率，能够有效解决频率资源不足的问题。
(二)系统配置灵活、使用灵活；
本发明另外一个优点是使用灵活，不同用户容量的区域，可以灵活配置。基站所能容纳 的用户容量是由圆盘面积，圆盘旋转的角速度ω，以及天线个数N决定的，当增加圆盘面积， 圆盘旋转的角速度ω，以及天线个数N时，用户容量也会相应的增加，能够有效解决用户容 量问题。
附图说明
图1为本发明提供的基于多普勒效应的上行空分多址系统组成结构示意图。图中基站中 有固定在转动圆盘上等间隔分布的N根天线，圆盘以ω的角速度进行旋转，圆盘的半径为R， 系统中的用户1、用户2、······、用户M同时以中心频率fc向基站发送数据。
图2为本发明的一种基于多普勒效应的上行空分多址技术的系统实施示例图。图中基站 中有固定在转动圆盘上等间隔分布的2根天线，圆盘以ω的角速度进行旋转，圆盘的半径为R， 系统中的用户1、用户2同时以中心频率fc向基站发送数据。用户1和用户2相对于天线1 的到达角分别为θ1,1和θ2,1，相对于天线2的到达角分别为θ1,2和θ2,2。
图3为本发明的一种基于多普勒效应的上行空分多址技术的电子开关选择天线的原理图。 (a)图为天线1处接收用户1和用户2信号频率曲线，实线为用户1频率曲线，虚线为用户2 频率曲线；(b)图为天线2处接收用户1和用户2信号频率曲线，实线为用户1频率曲线，虚 线为用户2频率曲线；(c)图为用户1和用户2频偏差曲线及天线选择，实线为用户1和用户 2在打开特定天线时的频偏差绝对值。
图4为本发明的一种基于多普勒效应的上行空分多址技术的调频模块原理图。在打开特 定天线时，实线为用户1的频率曲线，虚线是由频综器产生一个与用户1的多普勒频移相反 的频率曲线，虚划线为用户2信号与频综器产生的时变频率信号相乘产生的频率曲线，粗实 线为经调频模块后用户1频率曲线，使得接收信号中用户1的中心频率不再随时间改变。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明，但不以任何方式限制本发明的范 围。
如图1所示，本发明提供的基于多普勒效应的上行空分多址系统为一蜂窝系统，包括一 个基站，多个用户的场景。多个用户处于基站的不同方向，使用同一频率发送数据，用户处 于静止或低速运动的状态。基站中有固定在转动圆盘上等间隔分布的N根天线，圆盘以ω的 角速度进行旋转，圆盘的半径为R，在某一时刻仅有一根天线与接收链路联通，其它天线则 与接收链路断开。
系统中的用户1、用户2、······、用户M同时以中心频率fc向基站发送数据，信号带宽为W， 因此每个用户所使用频带范围为不同用户处于基站的不同方向上，在某一根 接收天线上，不同用户的信号会由于该天线的圆周运动产生不同的多普勒频偏。
在t时刻第j根天线的瞬时运动速度方向与第i个用户信号的入射方向夹角，即到达角表示 为θi,j(t)，在t时刻第i个用户信号在第j根天线处产生的多普勒频偏fi,j(t)可以表示为式(1)， 其中C为光速。
假设已知所有用户在所有天线处的信号到达角，根据(1)式可以计算出每个用户在每根 天线处产生的频偏。在t时刻当解调某个目标用户m的信号时，其他M-1个用户为干扰用户， 通过计算每根天线上目标用户m与M-1个干扰用户产生的频偏，可以得到每根天线上目标用 户m与M-1个干扰用户信号频偏差绝对值的最小值，记为Δfn，n为天线序号，表示为式(2)。
电子开关选择所有天线中Δfn最大的天线接通接收链路，此时最容易用滤波器分离干扰用 户信号。
电子开关将所有天线中Δfn最大的天线接通接收链路之后，为了使目标用户m的信号通 过，需将接收信号传入到调频模块，该模块使用频综器产生一个与目标用户m的多普勒频移 相反的频率，将接收信号与频综器产生的时变频率信号相乘，使得接收信号中目标用户m的 中心频率不再随时间改变，此时经过带通滤波模块后，能够分离目标用户m和干扰用户的信 号。
以两个用户，两根天线为例，如图3中(a)、(b)所示，图中实线为用户1在天线1和天线2处信号的多普勒频率，图中虚线为用户2在天线1和天线2处信号的多普勒频率，在 t1时刻，天线2接通链路中，用户1和用户2以相同的频率fc向基站发送数据。用户1和用 户2相对于天线1的到达角分别为θ1,1和θ2,1，相对于天线2的到达角分别为θ1,2和θ2,2，用户 1在天线1处产生的多普勒频偏为如图3(a)的p1点，用户2在天线1 处产生的多普勒频偏为如图3(a)的p2点，由(2)式可得此时用户1 和用户2在天线1处频偏差Δf1＝|f1，1-f2，1|；用户1在天线2处产生的多普勒频偏为 如图3(b)的p3点，用户2在天线2处产生的多普勒频偏为如图3(b)的p4点，由(2)式可得此时用户1和用户2在天线2处有最大频偏差Δf2＝|f1,2-f2,2|， 在t1时刻有Δf1＝Δf2。
如图3中(a)(b)在t1的下一时刻Δf1>Δf2，此时由式子(2)要求频偏差最大，天线选择单元控制电子开关应关闭天线2，打开天线1，直到t2时刻，Δf1与Δf2再一次相等，在t2的 下一时刻Δf1<Δf2，由式子(2)要求频偏差最大，天线选择单元控制电子开关应关闭天线1， 打开天线2，如此循环，图3(c)中实线为用户1与用户2频偏差的绝对值以及在虚线分隔 的天线选择情况。
电子开关选择频偏差最大的天线之后，为了使用户1的信号通过，如图4中实线，需将 接收信号传入到调频模块，该模块使用频综器产生一个与用户1的多普勒频移相反的频率， 如图4虚线时变频率曲线，将接收信号与频综器产生的时变频率信号相乘，如图4粗实线经 调频模块后用户1频率曲线，使得接收信号中用户1的中心频率不再随时间改变，用户2信 号与频综器产生的时变频率信号相乘如图4中虚划线，用户2信号与用户1信号产生较大的 频率间隔，此时经过带通滤波模块后，能够分离用户1和用户2的信号。
调频模块和滤波器可以在射频也可以在中频或基带，即可以在下变频模块前，也可以在 之后。对于未能完全滤除干扰部分的信号，还可以采用交织、前向纠错码等技术来解决。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术 人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可 能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书 界定的范围为准。
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