一種移動(dòng)終端速度的自適應(yīng)估計(jì)算法研究

李 旋

（92281 部隊(duì)，山東 諸城 262200）

0 引 言

移動(dòng)終端的速度是無線通信系統(tǒng)中的重要參數(shù)之一。基站會(huì)估計(jì)終端速度，得到實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的終端速度值，根據(jù)當(dāng)前的終端速度選擇不同的模式切換，以提高下行鏈路質(zhì)量[1]。通常檢測終端速度的方法包括3 種：第一，采用微傳感技術(shù)和全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）等附加設(shè)備輔助，精確度較高，但開銷較大；第二，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的檢測，方法簡單，但精確度低；第三，基于多普勒頻移的檢測。終端移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生多普勒頻偏，速度越高，多普勒頻偏越大，因此可以通過估計(jì)移動(dòng)終端的多普勒頻偏來估計(jì)終端速度[2-5]。通常多普勒頻偏估計(jì)方法包括基于瞬時(shí)信道參數(shù)包絡(luò)的算法、基于接收信號(hào)的電平通過率的算法以及協(xié)方差近似法等。這些經(jīng)典算法的主要思想為接收一段時(shí)間的終端發(fā)射信號(hào)，利用該段時(shí)間內(nèi)接收的信號(hào)中的導(dǎo)頻信號(hào)做信道估計(jì)，進(jìn)而利用得到的信道響應(yīng)值計(jì)算終端速度值。這些算法能夠準(zhǔn)確估計(jì)較高的速度（大于50 km/h），速度較小時(shí)，估計(jì)準(zhǔn)確性降低。

文章基于瞬時(shí)信道參數(shù)包絡(luò)算法提出了一種改進(jìn)的自適應(yīng)估計(jì)終端速度算法，可以改善上述情況，既能實(shí)時(shí)估計(jì)高速下的終端速度，也能準(zhǔn)確估計(jì)低速下的終端速度。

1 基于瞬時(shí)信道參數(shù)包絡(luò)的速度估計(jì)算法

基于瞬時(shí)信道參數(shù)包絡(luò)的速度估計(jì)算法主要是根據(jù)接收信號(hào)的信道響應(yīng)值的包絡(luò)來估計(jì)多普勒頻偏fd，然后根據(jù)多普勒頻偏計(jì)算終端速度[6]。

1.1 信道估計(jì)

基站通過終端發(fā)送信號(hào)的導(dǎo)頻信號(hào)做信道估計(jì)。這里終端發(fā)送的導(dǎo)頻信號(hào)參考文獻(xiàn)[6]第三代合作伙伴計(jì)劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）中的上行子幀中的導(dǎo)頻信號(hào)結(jié)構(gòu)。其中，每個(gè)上行子幀（時(shí)間長度為1ms）中包含2 個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)，2 個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)之間的采樣間隔為0.5 ms，信道估計(jì)可采用最小二乘法。

1.2 多普勒頻移

移動(dòng)終端會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，與基站的夾角為θ(t)，終端以速度v運(yùn)動(dòng)，θ(t)隨著時(shí)間的變化而變化，如圖1 所示。

圖1 移動(dòng)終端與基站示意

根據(jù)可以通過多普勒頻移公式計(jì)算終端移動(dòng)速度。多普勒頻移公式表示為

式中：v為終端移動(dòng)速度；fd為多普勒頻移；λc=vc/fc為光波長，vc=3×108m/s，fc=2×109Hz 為頻率；θ為信號(hào)發(fā)送端移動(dòng)方向與發(fā)送端和接收端的連線夾角，默認(rèn)為0。則公式可簡化為

1.3 基于瞬時(shí)信道參數(shù)包絡(luò)的速度估計(jì)算法實(shí)現(xiàn)

基于瞬時(shí)信道參數(shù)包絡(luò)的速度估計(jì)算法實(shí)現(xiàn)步驟如下文所述。

（1）計(jì)算包絡(luò)α(n)，根據(jù)接收導(dǎo)頻的信道響應(yīng)序列g(shù)(n)計(jì)算相應(yīng)的包絡(luò)，即α(n)=|g(n)|。

（2）構(gòu)造變量G：

N是進(jìn)行一次速度估計(jì)所用g(n)序列的長度，N值越大，可估計(jì)的最低終端速度越小，即可估計(jì)的速度范圍越大。變量G可以反映出信道參數(shù)變化的快慢：終端速度越快，信道變化就越快，分子中[α(n+1)-α(n)]2就越大，G就越大。

（3）由文獻(xiàn)[7]推導(dǎo)得到：

式中：fd為最大多普勒頻移，Ts為包絡(luò)x(n)2 個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔[7]。根據(jù)1.1 節(jié)和式（4），可以求出最大多普勒頻移fd。

（4）根據(jù)式（2），由fd和λc求出終端速度V。

原始基于瞬時(shí)信道參數(shù)包絡(luò)的速度估計(jì)算法保存長度為N、采樣間隔為Ts=0.5 ms 的信道響應(yīng)值來估計(jì)終端速度。由于N為一個(gè)固定值，即在統(tǒng)計(jì)時(shí)間長度相等的情況下，對(duì)不同速度估計(jì)的準(zhǔn)確性不同。當(dāng)N較小時(shí)，對(duì)高速情況下的終端速度估計(jì)更準(zhǔn)確，對(duì)低速情況下的終端速度估計(jì)準(zhǔn)確性下降，對(duì)于一定低的速度甚至無法估計(jì)；當(dāng)N較大時(shí)，可以對(duì)較低速度進(jìn)行估計(jì)，若終端速度較高，估計(jì)時(shí)間短，但N值過大會(huì)降低檢測的實(shí)時(shí)性。

2 改進(jìn)的優(yōu)化自適應(yīng)估計(jì)終端速度算法

原始基于瞬時(shí)信道參數(shù)包絡(luò)的速度估計(jì)算法會(huì)選擇固定長度的信道響應(yīng)序列，不能保證準(zhǔn)確的估計(jì)各種速度，因此文章提出了一種自適應(yīng)估計(jì)終端速度算法。利用基于瞬時(shí)信道參數(shù)包絡(luò)的速度估計(jì)算法，根據(jù)估計(jì)速度的差值大小，自適應(yīng)修改N的長度，因此可以自適應(yīng)估計(jì)不同的終端速度，提高速度估計(jì)的準(zhǔn)確性。

自適應(yīng)估計(jì)終端速度算法的實(shí)現(xiàn)步驟如下文所述。

步驟1：基站對(duì)每次接收到的終端導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)行信道估計(jì)，獲取時(shí)域信道響應(yīng)g(n)，保存在緩存器1 中。

步驟2：當(dāng)緩存器1 中的g(n)序列長度達(dá)到N1時(shí)，開始用緩存器1 中的N1長度的g(n)序列按照瞬時(shí)信道參數(shù)包絡(luò)的速度估計(jì)算法估計(jì)當(dāng)前的終端速度，并保存在緩存器2 中。之后緩存器1 中每增加N1長度的g(n)序列，就用最新的N1長度的g(n)序列估計(jì)當(dāng)前終端速度，并將估計(jì)的當(dāng)前終端速度保存在緩存器2 中。

步驟3：當(dāng)緩存器2 中的估計(jì)速度序列長度達(dá)到N2時(shí)，發(fā)現(xiàn)緩存器2 中任意2 個(gè)速度的差值均大于第一閾值，則判斷終端處于低速狀態(tài)，采用緩存器1中的全部N1×N2長度的g(n)序列估計(jì)當(dāng)前終端速度。若小于第一閾值并大于第二閾值，則判斷終端處于中速狀態(tài)，采用緩存器1 中最新的N1×N2×2/3 長度的g(n)序列估計(jì)當(dāng)前終端速度；若小于第二閾值，則判斷終端處于高速狀態(tài)，采用緩存器1 中最新的N1長度的g(n)序列估計(jì)當(dāng)前終端速度。其中，第一閾值和第二閾值根據(jù)實(shí)際情況確定。刪除緩存器1 中最早的N1長度的g(n)序列和緩存器2 中第一個(gè)速度估計(jì)值。

步驟4：繼續(xù)接收移動(dòng)終端的上行子幀，重復(fù)步驟2 和步驟3，直至終止速度估計(jì)。

3 仿真結(jié)果

利用原始基于瞬時(shí)信道參數(shù)包絡(luò)的速度估計(jì)算法和改進(jìn)的自適應(yīng)估計(jì)終端速度算法仿真不同終端速度情況下的估計(jì)性能，分別在低速（10 km/h）、中速（80 km/h）以及高速（140 km/h）進(jìn)行仿真。對(duì)于原始基于瞬時(shí)信道參數(shù)包絡(luò)的速度估計(jì)算法，設(shè)置緩存器長度為120，對(duì)于改進(jìn)的自適應(yīng)估計(jì)終端速度算法，N1=120，N2=9，低速時(shí)緩存器采用的g(n)序列長度為N1×N2=120×9=1080，中速時(shí)采用緩存器中最新的g(n)序列長度為N1×N2×2/3=120×9×2/3=720，高速時(shí)采用緩存器中最新的g(n)序列長度為N1=120。信道為衰落信道擴(kuò)展步行模型（Extended Pedestrian A model，EPA）。仿真性能如圖2、圖3、圖4 所示。

圖2 速度為10 km/h 時(shí)改進(jìn)算法與原始算法性能對(duì)比

圖3 速度為80 km/h 時(shí)改進(jìn)算法與原始算法性能對(duì)比

由仿真結(jié)果可知，高速時(shí)2 種算法使用的信道響應(yīng)序列長度相同，性能也相同；中速和低速情況下，改進(jìn)算法自適應(yīng)增加了使用的信道響應(yīng)序列長度，因此性能相對(duì)于原始基于瞬時(shí)信道參數(shù)包絡(luò)的速度估計(jì)算法有所提高。

4 結(jié) 論

文章提出了一種優(yōu)化自適應(yīng)估計(jì)終端速度算法，通過緩存終端發(fā)送的上行子幀中的時(shí)域信道響應(yīng)計(jì)算終端速度，根據(jù)其中兩兩估計(jì)速度的差值大小，自適應(yīng)修改估計(jì)速度使用的信道響應(yīng)序列的長度，因此可以自適應(yīng)估計(jì)不同的終端速度，提高了中低速情況下速度估計(jì)的準(zhǔn)確性，并保證了高速情況下檢測的實(shí)時(shí)性。