高速移动无线信道中的移动性检测

张薇薇

(西安邮电大学 电子工程学院, 陕西 西安 710121)



高速移动无线信道中的移动性检测

张薇薇

(西安邮电大学 电子工程学院, 陕西 西安 710121)

为了在高速移动环境下，对移动终端的状态进行判别，给出一种判决目标移动性的方法，对信道估计值的变化和前后帧下行权值的相关性进行联合判断。给定预设门限，如果信道估计值的变化量超过预设门限，并且前后帧的下行权值相关性低于预设门限，则判决为移动；反之，则判为静止。对基站与移动终端的距离及终端的移动速度进行仿真，结果表明所给方法可行。

高速移动；移动性检测；门限；相关性

随着高速铁路建设的发展，当列车运行速度达到300 km/h以上时，车载移动通信终端将面临新挑战[1]。终端高速移动，会带来严重的多普勒频移，因此，以乘客数据业务为主体的宽带无线数据通信必须面对高速无线接入的需要[2]。

正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access，OFDMA)被认为是未来无线高速数据传输链路的优选技术[3-4]。在高速移动的环境下，终端的移动性检测是进行切换的先决条件，只有及时准确地对终端的状态进行判断，才可以实现移动用户对不同网络的最佳接入；快速的切换过程有利于降低在通信过程中的丢包数量和中断时延。要让用户享受到更好的服务质量，必须在高速移动的环境下，快速准确地对移动终端的状态做出判决[5-6]。为此，移动终端在切换过程中的数据完整性已被研究者所关注[7]，并催生了基于逆向路由重定向的无缝切换方法[8]。

本文研究高速移动环境下移动终端的快速接入问题。终端快速移动时，信道状态的变化及下行权值变化较快，可联合判断信道估计值的变化和前后帧的下行权值相关性对移动性进行判决。

1　移动性检测

使用导频符号(pilot)进行信道估计是常用的非盲信道估计方法，导频的插入方式也有很多种[9]。为了提高信道估计的精度，插入导频的数量当然是越多越好，但同时也降低了系统的数据传输效率。折衷考虑信道估计精度和数据传输效率，OFDMA系统将用户分为静止和移动两种状态。在静止状态时由于信道特性相对较好，可以采取较少的导频数量，而移动状态时信道变化相对较复杂，这时可以增加导频数量来提高估计精度[10]。

根据用户的移动状态，OFDMA的子信道分为静止和非静止两种类型。

(1) 静止子信道

在静止状态下，各子信道设置1个OFDMA符号(第5个符号)为导频，普通时隙的静止子信道结构如图1所示,其中SOW代表观察窗。

图1　普通时隙静止子信道结构

(2) 非静止子信道

在移动状态下，子信道设置2个OFDMA符号(第2个和第7个符号)为导频。普通时隙的非静止子信道结构如图2所示。

图2　普通时隙非静止子信道结构

系统在工作时需要对用户的移动性进行判决，此过程称为移动性检测。移动性检测的原理简单：由于用户移动时的信道状态和下行权值相对变化较快，故可通过设置相应的门限值，联合判断信道估计值的变化和前后帧的下行权值相关性来对移动性进行判决。如果信道估计值的变化量超过预设门限，并且前后帧的下行权值相关性低于预设门限，则判决为移动，反之，则判为静止。

2　移动性检测过程

2.1待机状态

图3　PBCH导频信道估计

待机状态下的移动性检测过程可描述如下。

步骤1计算信道变化量dH(i)

(1) 如果

那么

dH(i)=CM-3。

(2) 如果

则本帧不计算dH(i)。

(3) 如果条件(1)和(2)都不满足，则

步骤2统计移动和静止状态

(1) 如果dH(i)>CM，则CM(i)=1；否则CM(i)=0。其中，CM(i)是当前帧的移动信道标识。

(2) 如果dH(i)

步骤3移动性判决

(1) 对于当前的“静止”状态，如果

则状态改为“移动”。其中:Nwin是移动性判决所需统计帧数;PM是移动信道对应的中断门限。

(2) 对于当前的“移动”状态，如果

则状态改为“静止”。其中，PS是静止信道对应的中断门限。

2.2业务状态

业务状态下，系统根据业务子信道的信道估计值和前后帧的权值相关值来进行移动性检测。检测流程图如图4所示。

图4　业务状态下移动性检测流程

2.2.1信道特性估计

根据每个业务子信道的接收OFDMA符号进行信道特性的估计。

先根据子信道状态的不同重新构造发射符号。

静止子信道时，设接收的OFDMA符号为

r(1),r(2),…,r(8)，

经过信道估计和信号检测后，得到检测后的数据OFDMA符号

重新调制和扩频，构造发射符号

其中，i=1,2,3,4,6,7,8, W为权系数矩阵,FL为负载因子，取值为小于8的整数，而

X(5)=pilot。

非静止子信道时，设接收的OFDMA符号为

r(1),r(2),…,r(8)，

经过信道估计和信号检测后，得到检测后的数据OFDMA符号

重新调制和扩频，构造发射符号

其中,i=1,3,4,5,6,8,FL为负载因子，取值为小于8的整数，而

X(2)=pilot,X(7)=pilot。

2.2.2计算信道变化量

如果

则令

如果

则本帧不计算dH(i)。否则，计算信道变化量

2.2.3统计移动和静止状态

如果dH(i)>CMSNR且当前解调SNR大于移动性判决的信噪比门限，则CM(i)=1，否则CM(i)=0。如果dH(i)

2.2.4下行权值的相关性

在一定信噪比下,用户前后帧的下行权值相关性定义为

如果rW(i)WS且当前解调SNR大于移动性判决的信噪比门限，则WS(i)=1，否则WS(i)=0。其中:WM代表当前帧根据权值相关性判断的移动信道门限；WS代表当前帧根据权值相关性判断的静止信道门限；WM(i)代表当前帧的根据权值判断的移动信道标识；WS(i)代表当前帧的根据权值判断的静止信道标识。

2.2.5移动性判决

对当前的“静止”状态，如果连续两次满足

或者

且有效子信道超过40个，则将状态改为“移动”。

对于当前“移动”状态，如果连续两次满足

且有效子信道超过40个，则状态改为“静止”。其中：PMH为移动信道变化量对应的中断门限；PSH为静止信道变化量对应的中断门限；PMW为移动信道权值相关性对应的中断门限；PSW为静止信道权值相关性对应的中断门限；Nwin为移动性判决所需统计帧数。

3　仿真与实测结果

设置系统工作载频为340MHz，采样率为2MHz，基站采用8天线均匀线阵，阵元间隔为半波长；采用ITU-3A信道模型，多普勒频偏为100Hz，对应车速300km/h。实测环境为地空信道，无人机搭载终端升空，升空高度约为500m，作半径约3km的盘旋飞行，地面站采用8天线线阵进行接收。

首先验证非静止子信道(2个导频符号)相对于静止子信道(1个导频符号)的性能改善。设置多普勒频偏为25Hz，分别采用1个和2个导频符号进行传输和信道估计，并采用零陷技术降低干扰信号的影响。仿真结果如图5所示。

从仿真结果可以看出，在移动状态下，使用移动子信道进行信道估计得到的解调信噪比相比静止子信道的结果高出2～3dB左右。因此，在移动状态下使用2个导频符号进行信道估计可以提升系统解调性能。

图5　子信道估计性能比较

为确定移动性判决的门限值，可以对不同移动速度(最大多普勒频偏)下的解调信噪比损失进行仿真，结果如图6所示。

可见，随着移动速度(最大多普勒频偏)的增加，静止子信道(static)与移动子信道(mobile)的性能差异越来越大，当最大多普勒频偏为25Hz时，差异达到2dB，此时可以考虑使用移动子信道进行信道估计，因此，在进行移动性判决时可以以最大多普勒频偏超过25Hz为门限值。

将最大多普勒频偏设为25Hz，仿真得到的不同发送信噪比(CNR)下的信道估计值变化(dH)和下行权值相关性(rW)的分布分别如图7和图8所示。

图6　不同移动速度下的信噪比损失

图7　不同发送信噪比下的信道估计值变化量

图8　不同发送信噪比下的下行权值相关性

由图7和图8可见，信噪比越低，信道估计值的变化量越大，下行权值相关性越小(较多的0值是由于一些信噪比过低的点不会计算信道变化量和权值相关性，而初始值又设置为0)，故在确定移动性判决门限时需要根据不同的信噪比设置不同的值。另外，由于仿真时搭建的信道模型相对实际环境较简单，无法模拟实际环境中散射环境的变化导致的多径时延、频偏、到达角等的变化，还需要结合实际测试的结果来综合确定判决门限。

进行移动性检测仿真验证。设置多普勒频偏从0Hz匀速增加到50Hz，再减小到0Hz。实测结果如图9和图10所示。

图9　基站与终端之间的相对距离

图10　 基站与终端间的相对速度及判决结果

由于无人机在空中进行盘旋飞行，因此基站与终端间的距离和相对速度呈近似余弦函数变化。由于终端一直处于高速移动状态，相对速度为0km/h时是由于无人机在盘旋过程中飞行方向与视距信号方向刚好为90°所致，时间较短，而且信道环境变化较快，故移动性判决结果始终为“移动”(图10中，纵坐标为0代表“静止”，100代表“移动”)。实测时无法获取上行链路信道估计信息，只有下行权值的记录。下行权值相关性分布图中较多的0点是由于某些时刻没有为该载波组分配资源，故权值为0。在高速移动的情况下,下行权值相关性较小，结合信道估计值的变化量，基站会将终端状态判决为“移动”。

4　结语

针对高速移动环境下,终端移动速度快，多普勒频移严重的特点，给出一种移动终端的移动性检测方法。利用导频获得信道的估计值，计算信道的变化量及下行帧权值的相关性，通过设定门限，对目标的状态进行判决。仿真验证结果说明，所给方法可行，可用于OFDMA系统。

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[2]王东军,符媛柯,唐伦,等.SmallCell中移动性增强方案研究现状分析[J/OL].电信科学,2014,30(1):73-82[2016-01-20].http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1000-0801.2014.01.012.

[3]牛爱民.高速移动环境下移动通信节点衰减性能检测[J/OL]. 科技通报,2015,(31)4：22-24[2016-01-20].http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1001-7119.2015.04.008.

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[7]刘璨,崔昊杨,王超群,等.高速移动环境下无线信道模型的性能[J/OL]. 上海电力学院学报, 2016,32(1):73-77[2016-01-20].http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1006-4729.2016.01.016.

[8]张建伟,寒风,刘思,等.一种基于逆向路由重定向的无缝切换方法[J/OL].中国科学技术大学学报,2011,41(7):651-658[2016-01-20].http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.0253-2778.2011.07.013.

[9]燕红丽,袁佳良,王军选.高公平下OFDMA系统的自适应资源分配[J/OL]. 西安邮电大学学报,2012,(17)6:60-64[2016-01-20].http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1007-3264.2012.06.014.

[10] 王灵娇, 糜正琨,郭华,等.CSN切换移动检测与数据完整性的研究[J/OL].南京邮电大学学报,2009,29(4):8-13[2016-01-20].http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1673-5439.2009.04.002.

[责任编辑: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

陕西省工业攻关研究计划资助项目(2013K06-07);陕西省教育厅科学研究计划资助项目(14KJ1672)

张薇薇(1978-)，女，硕士，讲师，从事无线通信研究。E-mail:zhangweiwei@xupt.edu.cn

TN929.5

A

2095-6533(2016)04-0028-06