張薇薇
(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院, 陜西 西安 710121)
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高速移動無線信道中的移動性檢測
張薇薇
(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院, 陜西 西安 710121)
為了在高速移動環(huán)境下,對移動終端的狀態(tài)進(jìn)行判別,給出一種判決目標(biāo)移動性的方法,對信道估計值的變化和前后幀下行權(quán)值的相關(guān)性進(jìn)行聯(lián)合判斷。給定預(yù)設(shè)門限,如果信道估計值的變化量超過預(yù)設(shè)門限,并且前后幀的下行權(quán)值相關(guān)性低于預(yù)設(shè)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(jìn)行仿真,結(jié)果表明所給方法可行。
高速移動;移動性檢測;門限;相關(guān)性
隨著高速鐵路建設(shè)的發(fā)展,當(dāng)列車運行速度達(dá)到300 km/h以上時,車載移動通信終端將面臨新挑戰(zhàn)[1]。終端高速移動,會帶來嚴(yán)重的多普勒頻移,因此,以乘客數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主體的寬帶無線數(shù)據(jù)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(rèn)為是未來無線高速數(shù)據(jù)傳輸鏈路的優(yōu)選技術(shù)[3-4]。在高速移動的環(huán)境下,終端的移動性檢測是進(jìn)行切換的先決條件,只有及時準(zhǔn)確地對終端的狀態(tài)進(jìn)行判斷,才可以實現(xiàn)移動用戶對不同網(wǎng)絡(luò)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(shù)量和中斷時延。要讓用戶享受到更好的服務(wù)質(zhì)量,必須在高速移動的環(huán)境下,快速準(zhǔn)確地對移動終端的狀態(tài)做出判決[5-6]。為此,移動終端在切換過程中的數(shù)據(jù)完整性已被研究者所關(guān)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(huán)境下移動終端的快速接入問題。終端快速移動時,信道狀態(tài)的變化及下行權(quán)值變化較快,可聯(lián)合判斷信道估計值的變化和前后幀的下行權(quán)值相關(guān)性對移動性進(jìn)行判決。
使用導(dǎo)頻符號(pilot)進(jìn)行信道估計是常用的非盲信道估計方法,導(dǎo)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(dǎo)頻的數(shù)量當(dāng)然是越多越好,但同時也降低了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率。折衷考慮信道估計精度和數(shù)據(jù)傳輸效率,OFDMA系統(tǒng)將用戶分為靜止和移動兩種狀態(tài)。在靜止?fàn)顟B(tài)時由于信道特性相對較好,可以采取較少的導(dǎo)頻數(shù)量,而移動狀態(tài)時信道變化相對較復(fù)雜,這時可以增加導(dǎo)頻數(shù)量來提高估計精度[10]。
根據(jù)用戶的移動狀態(tài),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?fàn)顟B(tài)下,各子信道設(shè)置1個OFDMA符號(第5個符號)為導(dǎo)頻,普通時隙的靜止子信道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)
(2) 非靜止子信道
在移動狀態(tài)下,子信道設(shè)置2個OFDMA符號(第2個和第7個符號)為導(dǎo)頻。普通時隙的非靜止子信道結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 普通時隙非靜止子信道結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)在工作時需要對用戶的移動性進(jìn)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(tài)和下行權(quán)值相對變化較快,故可通過設(shè)置相應(yīng)的門限值,聯(lián)合判斷信道估計值的變化和前后幀的下行權(quán)值相關(guān)性來對移動性進(jìn)行判決。如果信道估計值的變化量超過預(yù)設(shè)門限,并且前后幀的下行權(quán)值相關(guān)性低于預(yù)設(shè)門限,則判決為移動,反之,則判為靜止。
2.1待機狀態(tài)
圖3 PBCH導(dǎo)頻信道估計
待機狀態(tài)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(tǒng)計移動和靜止?fàn)顟B(tài)
(1) 如果dH(i)>CM,則CM(i)=1;否則CM(i)=0。其中,CM(i)是當(dāng)前幀的移動信道標(biāo)識。
(2) 如果dH(i) 步驟3移動性判決 (1) 對于當(dāng)前的“靜止”狀態(tài),如果 則狀態(tài)改為“移動”。其中:Nwin是移動性判決所需統(tǒng)計幀數(shù);PM是移動信道對應(yīng)的中斷門限。 (2) 對于當(dāng)前的“移動”狀態(tài),如果 則狀態(tài)改為“靜止”。其中,PS是靜止信道對應(yīng)的中斷門限。 2.2業(yè)務(wù)狀態(tài) 業(yè)務(wù)狀態(tài)下,系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)子信道的信道估計值和前后幀的權(quán)值相關(guān)值來進(jìn)行移動性檢測。檢測流程圖如圖4所示。 圖4 業(yè)務(wù)狀態(tài)下移動性檢測流程 2.2.1信道特性估計 根據(jù)每個業(yè)務(wù)子信道的接收OFDMA符號進(jìn)行信道特性的估計。 先根據(jù)子信道狀態(tài)的不同重新構(gòu)造發(fā)射符號。 靜止子信道時,設(shè)接收的OFDMA符號為 r(1),r(2),…,r(8), 經(jīng)過信道估計和信號檢測后,得到檢測后的數(shù)據(jù)OFDMA符號 重新調(diào)制和擴頻,構(gòu)造發(fā)射符號 其中,i=1,2,3,4,6,7,8, W為權(quán)系數(shù)矩陣,FL為負(fù)載因子,取值為小于8的整數(shù),而 X(5)=pilot。 非靜止子信道時,設(shè)接收的OFDMA符號為 r(1),r(2),…,r(8), 經(jīng)過信道估計和信號檢測后,得到檢測后的數(shù)據(jù)OFDMA符號 重新調(diào)制和擴頻,構(gòu)造發(fā)射符號 其中,i=1,3,4,5,6,8,FL為負(fù)載因子,取值為小于8的整數(shù),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(tǒng)計移動和靜止?fàn)顟B(tài) 如果dH(i)>CMSNR且當(dāng)前解調(diào)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(quán)值的相關(guān)性 在一定信噪比下,用戶前后幀的下行權(quán)值相關(guān)性定義為 如果rW(i) 2.2.5移動性判決 對當(dāng)前的“靜止”狀態(tài),如果連續(xù)兩次滿足 或者 且有效子信道超過40個,則將狀態(tài)改為“移動”。 對于當(dāng)前“移動”狀態(tài),如果連續(xù)兩次滿足 且有效子信道超過40個,則狀態(tài)改為“靜止”。其中:PMH為移動信道變化量對應(yīng)的中斷門限;PSH為靜止信道變化量對應(yīng)的中斷門限;PMW為移動信道權(quán)值相關(guān)性對應(yīng)的中斷門限;PSW為靜止信道權(quán)值相關(guān)性對應(yīng)的中斷門限;Nwin為移動性判決所需統(tǒng)計幀數(shù)。 設(shè)置系統(tǒng)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(yīng)車速300km/h。實測環(huán)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(jìn)行接收。 首先驗證非靜止子信道(2個導(dǎo)頻符號)相對于靜止子信道(1個導(dǎo)頻符號)的性能改善。設(shè)置多普勒頻偏為25Hz,分別采用1個和2個導(dǎo)頻符號進(jìn)行傳輸和信道估計,并采用零陷技術(shù)降低干擾信號的影響。仿真結(jié)果如圖5所示。 從仿真結(jié)果可以看出,在移動狀態(tài)下,使用移動子信道進(jìn)行信道估計得到的解調(diào)信噪比相比靜止子信道的結(jié)果高出2~3dB左右。因此,在移動狀態(tài)下使用2個導(dǎo)頻符號進(jìn)行信道估計可以提升系統(tǒng)解調(diào)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(diào)信噪比損失進(jìn)行仿真,結(jié)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(dāng)最大多普勒頻偏為25Hz時,差異達(dá)到2dB,此時可以考慮使用移動子信道進(jìn)行信道估計,因此,在進(jìn)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(shè)為25Hz,仿真得到的不同發(fā)送信噪比(CNR)下的信道估計值變化(dH)和下行權(quán)值相關(guān)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(fā)送信噪比下的信道估計值變化量 圖8 不同發(fā)送信噪比下的下行權(quán)值相關(guān)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(quán)值相關(guān)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(quán)值相關(guān)性,而初始值又設(shè)置為0),故在確定移動性判決門限時需要根據(jù)不同的信噪比設(shè)置不同的值。另外,由于仿真時搭建的信道模型相對實際環(huán)境較簡單,無法模擬實際環(huán)境中散射環(huán)境的變化導(dǎo)致的多徑時延、頻偏、到達(dá)角等的變化,還需要結(jié)合實際測試的結(jié)果來綜合確定判決門限。 進(jìn)行移動性檢測仿真驗證。設(shè)置多普勒頻偏從0Hz勻速增加到50Hz,再減小到0Hz。實測結(jié)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(jié)果 由于無人機在空中進(jìn)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(shù)變化。由于終端一直處于高速移動狀態(tài),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(huán)境變化較快,故移動性判決結(jié)果始終為“移動”(圖10中,縱坐標(biāo)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(quán)值的記錄。下行權(quán)值相關(guān)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(quán)值為0。在高速移動的情況下,下行權(quán)值相關(guān)性較小,結(jié)合信道估計值的變化量,基站會將終端狀態(tài)判決為“移動”。 針對高速移動環(huán)境下,終端移動速度快,多普勒頻移嚴(yán)重的特點,給出一種移動終端的移動性檢測方法。利用導(dǎo)頻獲得信道的估計值,計算信道的變化量及下行幀權(quán)值的相關(guān)性,通過設(shè)定門限,對目標(biāo)的狀態(tài)進(jìn)行判決。仿真驗證結(jié)果說明,所給方法可行,可用于OFDMA系統(tǒng)。 [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(xué),2014,30(3):27-31[2016-01-20].http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1000-0801.2014.03.006. 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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(yè)攻關(guān)研究計劃資助項目(2013K06-07);陜西省教育廳科學(xué)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)04-0028-063 仿真與實測結(jié)果
4 結(jié)語