高速移動無線信道中的移動性檢測

張薇薇

(西安郵電大學 電子工程學院, 陜西 西安 710121)

?

高速移動無線信道中的移動性檢測

張薇薇

(西安郵電大學 電子工程學院, 陜西 西安 710121)

為了在高速移動環境下，對移動終端的狀態進行判別，給出一種判決目標移動性的方法，對信道估計值的變化和前后幀下行權值的相關性進行聯合判斷。給定預設門限，如果信道估計值的變化量超過預設門限，并且前后幀的下行權值相關性低于預設門限，則判決為移動；反之，則判為靜止。對基站與移動終端的距離及終端的移動速度進行仿真，結果表明所給方法可行。

高速移動；移動性檢測；門限；相關性

隨著高速鐵路建設的發展，當列車運行速度達到300 km/h以上時，車載移動通信終端將面臨新挑戰[1]。終端高速移動，會帶來嚴重的多普勒頻移，因此，以乘客數據業務為主體的寬帶無線數據通信必須面對高速無線接入的需要[2]。

正交頻分多址(Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access，OFDMA)被認為是未來無線高速數據傳輸鏈路的優選技術[3-4]。在高速移動的環境下，終端的移動性檢測是進行切換的先決條件，只有及時準確地對終端的狀態進行判斷，才可以實現移動用戶對不同網絡的最佳接入；快速的切換過程有利于降低在通信過程中的丟包數量和中斷時延。要讓用戶享受到更好的服務質量，必須在高速移動的環境下，快速準確地對移動終端的狀態做出判決[5-6]。為此，移動終端在切換過程中的數據完整性已被研究者所關注[7]，并催生了基于逆向路由重定向的無縫切換方法[8]。

本文研究高速移動環境下移動終端的快速接入問題。終端快速移動時，信道狀態的變化及下行權值變化較快，可聯合判斷信道估計值的變化和前后幀的下行權值相關性對移動性進行判決。

1　移動性檢測

使用導頻符號(pilot)進行信道估計是常用的非盲信道估計方法，導頻的插入方式也有很多種[9]。為了提高信道估計的精度，插入導頻的數量當然是越多越好，但同時也降低了系統的數據傳輸效率。折衷考慮信道估計精度和數據傳輸效率，OFDMA系統將用戶分為靜止和移動兩種狀態。在靜止狀態時由于信道特性相對較好，可以采取較少的導頻數量，而移動狀態時信道變化相對較復雜，這時可以增加導頻數量來提高估計精度[10]。

根據用戶的移動狀態，OFDMA的子信道分為靜止和非靜止兩種類型。

(1) 靜止子信道

在靜止狀態下，各子信道設置1個OFDMA符號(第5個符號)為導頻，普通時隙的靜止子信道結構如圖1所示,其中SOW代表觀察窗。

圖1　普通時隙靜止子信道結構

(2) 非靜止子信道

在移動狀態下，子信道設置2個OFDMA符號(第2個和第7個符號)為導頻。普通時隙的非靜止子信道結構如圖2所示。

圖2　普通時隙非靜止子信道結構

系統在工作時需要對用戶的移動性進行判決，此過程稱為移動性檢測。移動性檢測的原理簡單：由于用戶移動時的信道狀態和下行權值相對變化較快，故可通過設置相應的門限值，聯合判斷信道估計值的變化和前后幀的下行權值相關性來對移動性進行判決。如果信道估計值的變化量超過預設門限，并且前后幀的下行權值相關性低于預設門限，則判決為移動，反之，則判為靜止。

2　移動性檢測過程

2.1待機狀態

圖3　PBCH導頻信道估計

待機狀態下的移動性檢測過程可描述如下。

步驟1計算信道變化量dH(i)

(1) 如果

那么

dH(i)=CM-3。

(2) 如果

則本幀不計算dH(i)。

(3) 如果條件(1)和(2)都不滿足，則

步驟2統計移動和靜止狀態

(1) 如果dH(i)>CM，則CM(i)=1；否則CM(i)=0。其中，CM(i)是當前幀的移動信道標識。

(2) 如果dH(i)

步驟3移動性判決

(1) 對于當前的“靜止”狀態，如果

則狀態改為“移動”。其中:Nwin是移動性判決所需統計幀數;PM是移動信道對應的中斷門限。

(2) 對于當前的“移動”狀態，如果

則狀態改為“靜止”。其中，PS是靜止信道對應的中斷門限。

2.2業務狀態

業務狀態下，系統根據業務子信道的信道估計值和前后幀的權值相關值來進行移動性檢測。檢測流程圖如圖4所示。

圖4　業務狀態下移動性檢測流程

2.2.1信道特性估計

根據每個業務子信道的接收OFDMA符號進行信道特性的估計。

先根據子信道狀態的不同重新構造發射符號。

靜止子信道時，設接收的OFDMA符號為

r(1),r(2),…,r(8)，

經過信道估計和信號檢測后，得到檢測后的數據OFDMA符號

重新調制和擴頻，構造發射符號

其中，i=1,2,3,4,6,7,8, W為權系數矩陣,FL為負載因子，取值為小于8的整數，而

X(5)=pilot。

非靜止子信道時，設接收的OFDMA符號為

r(1),r(2),…,r(8)，

經過信道估計和信號檢測后，得到檢測后的數據OFDMA符號

重新調制和擴頻，構造發射符號

其中,i=1,3,4,5,6,8,FL為負載因子，取值為小于8的整數，而

X(2)=pilot,X(7)=pilot。

2.2.2計算信道變化量

如果

則令

如果

則本幀不計算dH(i)。否則，計算信道變化量

2.2.3統計移動和靜止狀態

如果dH(i)>CMSNR且當前解調SNR大于移動性判決的信噪比門限，則CM(i)=1，否則CM(i)=0。如果dH(i)

2.2.4下行權值的相關性

在一定信噪比下,用戶前后幀的下行權值相關性定義為

如果rW(i)WS且當前解調SNR大于移動性判決的信噪比門限，則WS(i)=1，否則WS(i)=0。其中:WM代表當前幀根據權值相關性判斷的移動信道門限；WS代表當前幀根據權值相關性判斷的靜止信道門限；WM(i)代表當前幀的根據權值判斷的移動信道標識；WS(i)代表當前幀的根據權值判斷的靜止信道標識。

2.2.5移動性判決

對當前的“靜止”狀態，如果連續兩次滿足

或者

且有效子信道超過40個，則將狀態改為“移動”。

對于當前“移動”狀態，如果連續兩次滿足

且有效子信道超過40個，則狀態改為“靜止”。其中：PMH為移動信道變化量對應的中斷門限；PSH為靜止信道變化量對應的中斷門限；PMW為移動信道權值相關性對應的中斷門限；PSW為靜止信道權值相關性對應的中斷門限；Nwin為移動性判決所需統計幀數。

3　仿真與實測結果

設置系統工作載頻為340MHz，采樣率為2MHz，基站采用8天線均勻線陣，陣元間隔為半波長；采用ITU-3A信道模型，多普勒頻偏為100Hz，對應車速300km/h。實測環境為地空信道，無人機搭載終端升空，升空高度約為500m，作半徑約3km的盤旋飛行，地面站采用8天線線陣進行接收。

首先驗證非靜止子信道(2個導頻符號)相對于靜止子信道(1個導頻符號)的性能改善。設置多普勒頻偏為25Hz，分別采用1個和2個導頻符號進行傳輸和信道估計，并采用零陷技術降低干擾信號的影響。仿真結果如圖5所示。

從仿真結果可以看出，在移動狀態下，使用移動子信道進行信道估計得到的解調信噪比相比靜止子信道的結果高出2～3dB左右。因此，在移動狀態下使用2個導頻符號進行信道估計可以提升系統解調性能。

圖5　子信道估計性能比較

為確定移動性判決的門限值，可以對不同移動速度(最大多普勒頻偏)下的解調信噪比損失進行仿真，結果如圖6所示。

可見，隨著移動速度(最大多普勒頻偏)的增加，靜止子信道(static)與移動子信道(mobile)的性能差異越來越大，當最大多普勒頻偏為25Hz時，差異達到2dB，此時可以考慮使用移動子信道進行信道估計，因此，在進行移動性判決時可以以最大多普勒頻偏超過25Hz為門限值。

將最大多普勒頻偏設為25Hz，仿真得到的不同發送信噪比(CNR)下的信道估計值變化(dH)和下行權值相關性(rW)的分布分別如圖7和圖8所示。

圖6　不同移動速度下的信噪比損失

圖7　不同發送信噪比下的信道估計值變化量

圖8　不同發送信噪比下的下行權值相關性

由圖7和圖8可見，信噪比越低，信道估計值的變化量越大，下行權值相關性越小(較多的0值是由于一些信噪比過低的點不會計算信道變化量和權值相關性，而初始值又設置為0)，故在確定移動性判決門限時需要根據不同的信噪比設置不同的值。另外，由于仿真時搭建的信道模型相對實際環境較簡單，無法模擬實際環境中散射環境的變化導致的多徑時延、頻偏、到達角等的變化，還需要結合實際測試的結果來綜合確定判決門限。

進行移動性檢測仿真驗證。設置多普勒頻偏從0Hz勻速增加到50Hz，再減小到0Hz。實測結果如圖9和圖10所示。

圖9　基站與終端之間的相對距離

圖10　 基站與終端間的相對速度及判決結果

由于無人機在空中進行盤旋飛行，因此基站與終端間的距離和相對速度呈近似余弦函數變化。由于終端一直處于高速移動狀態，相對速度為0km/h時是由于無人機在盤旋過程中飛行方向與視距信號方向剛好為90°所致，時間較短，而且信道環境變化較快，故移動性判決結果始終為“移動”(圖10中，縱坐標為0代表“靜止”，100代表“移動”)。實測時無法獲取上行鏈路信道估計信息，只有下行權值的記錄。下行權值相關性分布圖中較多的0點是由于某些時刻沒有為該載波組分配資源，故權值為0。在高速移動的情況下,下行權值相關性較小，結合信道估計值的變化量，基站會將終端狀態判決為“移動”。

4　結語

針對高速移動環境下,終端移動速度快，多普勒頻移嚴重的特點，給出一種移動終端的移動性檢測方法。利用導頻獲得信道的估計值，計算信道的變化量及下行幀權值的相關性，通過設定門限，對目標的狀態進行判決。仿真驗證結果說明，所給方法可行，可用于OFDMA系統。

[1]于小紅.基于LTE的高速鐵路寬帶通信上行頻偏解決方案[J/OL].電信科學，2014,30(3):27-31[2016-01-20].http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1000-0801.2014.03.006.

[2]王東軍,符媛柯,唐倫,等.SmallCell中移動性增強方案研究現狀分析[J/OL].電信科學,2014,30(1):73-82[2016-01-20].http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1000-0801.2014.01.012.

[3]牛愛民.高速移動環境下移動通信節點衰減性能檢測[J/OL]. 科技通報,2015,(31)4：22-24[2016-01-20].http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1001-7119.2015.04.008.

[4]高超,鄧曉波.高速機動目標檢測算法研究[J/OL].計算機仿真,2014,31(12):1-4[2016-01-20].http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1006-9348.2014.12.001.

[5]王薇,殷勤業,穆鵬程.高移動環境下利用無線信號空域特征實現OFDMA系統的ICI消除[J/OL].通信學報,2015,36(8):76-82[2016-01-20].http://dx.chinadoi.cn/10.11959/j.issn.1000-436x.2015202.

[6]張美婷,邵慶軍, 劉洋. 一種基于再生偽碼測距的遙測信號測距方法[J/OL].電訊技術,2015,55(3):298-302[2016-01-20].http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1001-893x.2015.03.012.

[7]劉璨,崔昊楊,王超群,等.高速移動環境下無線信道模型的性能[J/OL]. 上海電力學院學報, 2016,32(1):73-77[2016-01-20].http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1006-4729.2016.01.016.

[8]張建偉,寒風,劉思,等.一種基于逆向路由重定向的無縫切換方法[J/OL].中國科學技術大學學報,2011,41(7):651-658[2016-01-20].http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.0253-2778.2011.07.013.

[9]燕紅麗,袁佳良,王軍選.高公平下OFDMA系統的自適應資源分配[J/OL]. 西安郵電大學學報,2012,(17)6:60-64[2016-01-20].http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1007-3264.2012.06.014.

[10] 王靈嬌, 糜正琨,郭華,等.CSN切換移動檢測與數據完整性的研究[J/OL].南京郵電大學學報,2009,29(4):8-13[2016-01-20].http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1673-5439.2009.04.002.

[責任編輯:瑞金]

Mobility detection in high-speed mobile wireless channel

ZHANG Weiwei

(School of Electronic Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

To distinguish the status of the mobile terminal with high speed, a method for judging target mobility is proposed, which combines the correlation of the channel estimation value with the weight of the front and back frames. Some thresholds are preseted, if the variation of the channel estimate is more than the preset threshold, and the downlink weight of the front and back frames is lower than the preset threshold, then the target is moving, otherwise, it is static. The distance between the base station and the mobile terminal and the speed of the mobile terminal are simulated. The results show that the method is feasible.

high-speed motion, mobility detection, threshold, correlation

10.13682/j.issn.2095-6533.2016.04.006

2016-03-03

陜西省工業攻關研究計劃資助項目(2013K06-07);陜西省教育廳科學研究計劃資助項目(14KJ1672)

張薇薇(1978-)，女，碩士，講師，從事無線通信研究。E-mail:zhangweiwei@xupt.edu.cn

TN929.5

A

2095-6533(2016)04-0028-06