CN1104159C

CN1104159C - 在蜂窝通信系统中估计移动站速度的方法

Info

Publication number: CN1104159C
Application number: CN97181533A
Authority: CN
Inventors: L·艾利森; P·比约克
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1996-11-27
Filing date: 1997-11-27
Publication date: 2003-03-26
Anticipated expiration: 2017-11-27
Also published as: JP4143128B2; HUP0000571A3; AU731356B2; EP0941621B1; WO1998024251A3; TW351032B; CA2271802C; US5884178A; EP0941621A2; CA2271802A1; BR9713444A; HUP0000571A2; JP2001504670A; DE69738453D1; AU5144098A; WO1998024251A2; CN1245616A

Abstract

提供一种在蜂窝通信系统中精确估计移动站速度的方法。考虑到接收突发中的信息多普勒频移，对每个接收突发计算频移值。对于每个突发，计算信号质量值，将其与预定的信号质量门限电平比较。得到信号质量值满足或超过预定信号质量门限的每个频移值的绝对值。信号质量值不满足门限电平的频移值被忽略。然后计算所有绝对频移值的总平均。总平均值用于精确地估计移动站的速度。结果，可以很容易地分辨较快和较慢移动站的速度，而且层次服务小区结构可以有效地用于增加容量并减少蜂窝通信系统中的越区切换。

Description

在蜂窝通信系统中估计移动站速度的方法

发明背景

发明的技术领域

本发明一般涉及移动无线通信领域，而且更具体地涉及在蜂窝通信系统中估计移动站速度的方法。

有关技术描述

为了增加蜂窝通信系统的容量，使用称为“微服务小区”的更小的服务小区，这些服务小区的大小已经减少了相当大的程度。不幸的是，随着服务小区大小的减少，在这些系统中工作的移动站会更频繁地跨越服务小区边界，导致服务小区之间越区切换数的增加。这种越区切换问题由于快速移动的移动站变得更复杂，当服务小区大小变得很小时导致极高的越区切换数。

解决这种越区切换问题的一种方法是以分层的方式用较大的服务小区重叠更小的服务小区。因此，移动较快的移动站可以分配到具有较大服务小区的层次中，而移动较慢的移动站可以分配到小服务小区层次中。

在这点上，如果移动站的速度可以精确地估计，那么可以很容易地区分较快和较慢移动的移动站并将它们放置到恰当的服务小区层次中。特别是这种层次服务小区结构会大大地增加整个系统容量，始终将越区切换率保持在合理的水平。

然而，在现有的数字蜂窝通信系统中使用这种分层服务小区方法的一个问题是无法精确地估计移动站的速度。例如，European GlobalSystem for Mobile Communication(GSM)是一种数字蜂窝通信系统，它使用时分多址(TDMA)技术将载波信号分成时隙。在这些时隙中发射和接收的信息以“突发”形式出现。为了增加分集和保密通信，GSM载波突发是跳频的。因此，GSM系统中没有可供接收的连续信号。因此，常规的使用恒定载波包络估计移动站速度的方法(例如，“电平跨越率”方法)不能用于类似GSM的系统。由于GSM和很多其它的蜂窝系统使用结合跳频的TDMA，因此这种系统中用于估计移动站速度的任何技术必须能够利用一个突发中接收的信息，以便提供精确的估计。

在典型的城市环境(例如，城市)中，需要较高的系统容量，使用更小的服务小区。但是，正如前面所提到的，这种更小服务小区的使用导致越区切换大量增加。因此，为了减轻小服务小区/越区切换问题，需要一种在GSM或类似类型的蜂窝系统中精确估计移动站速度的方法。

发明内容

本发明的一个目的是提供在蜂窝通信系统中精确估计移动站速度的方法。

本发明的另一个目的是提供一种在蜂窝通信系统中区分较快和较慢移动站的方法。

本发明的另一个目的是提供一种精确估计移动站速度的方法，以便在蜂窝通信系统中可以有效地使用分层服务小区结构。

本发明的另一个目的是通过有效地使用更小的服务小区而增加蜂窝通信系统容量。

本发明的另一个目的是降低蜂窝通信系统中的越区切换率。

根据本发明，前述的以及其它的目的是通过在蜂窝通信系统中精确估计移动站速度的方法来实现的。考虑到接收突发中的信息多普勒频移，对每个接收突发计算频移值。对于每个突发，计算信号质量值，将其与预定的信号质量门限电平比较。得到信号质量值满足或超过预定信号质量门限的每个频移值的绝对值。信号质量值不满足门限电平的频移值被忽略。然后计算所有绝对频移值的总平均。总平均值用于估计移动站的速度。结果，可以很容易地分辨较快和较慢移动站的速度，而且层次服务小区结构可以有效地用于增加容量并减少蜂窝通信系统中的越区切换。

附图的简要描述

本发明方法和装置的更完整理解可以结合所附的附图参考如下详细描述而得到，其中：

图1是可用于实现本发明方法的示范均衡器的示意框图；

图2是说明来自图1所示加法器的相差信号的图；

图3是图1所示的AFC更新单元的示意框图；

图4是图3所示的AFC单元的示意框图；

图5是说明，根据本发明的优选实施例，可用于从多个频移值计算总平均频移的方法的图；

图6是说明，根据本发明的优选实施例，计算平均偏移值的标准方差的方法的图；以及

图7是根据本发明的优选实施例，说明接收频偏和移动站速度之间关系的图。

发明的详细描述

本发明的优选实施例及其优点通过参照附图的图1-7得到最好的理解，其中类似的号码用于表示各个图中相似以及相应的部分。

为了更好地理解本发明，首先应该描述有关的接收过程。在数字移动无线通信系统中(例如，在GSM网络中)，从移动站(MS)发向基站(BS)的信息接收时通常会失真(反之亦然)。一般，无线信道中发射信号的时域扩散引起接收机中的符号间干扰(ISI)。通常在接收机中使用均衡器补偿这种信道失真。Vitebi算法可以用于实现最大似然序列估计。这种均衡器的主要目的是使接收突发同步，估计无线信道的脉冲响应，然后使用这些信息对接收突发解调。

实际上，均衡器产生无线传输信道(即，空中接口)的数学模型，并计算最可能的发射数据。可能的发射比特序列通过信道模型馈入，而且将输出与接收的比特序列比较。此较这两个突发之后，均衡器选择“更可能的”比特图样，然后通过信道模型馈入。重复这个过程直到找到可接受的比特图样并解调。

图1是可用于实现本发明方法的示范均衡器的示意框图。如图所示，均衡器10包括抽样缓存器12。当突发到达接收机(MS或BS)时，存储在抽样缓存器12中。然后均衡器与接收突发同步，接收数据的幅度和相位被数据转换器14转换到复平面。信道估计单元18在转换数据上进行最小二乘法估计。最小二乘法估计产生估计的N-抽头信道脉冲响应，h(m)。这个信道估计响应用于计算多个可能的接收值。这种计算由估计计算单元20执行，将N比特所有可能的序列u(n)与信道估计h(m)卷积，提供2^N个抽样估计，或者est(i)。这2^N个抽样估计est(i)可以表示如下：

est (i) = Σ_{m = 0}^{N - 1} h (m) * u (N - 1 - m) - - - - (1)

均衡器在解调器22中对突发解调。当突发被解调时，均衡器使用已知的Viterbi算法(基于已知的最大似然准则)，搜索“篱笆图”，找到具有最小总量度的路径。量度搜索由量度计算单元24进行。在篱笆图的每个状态，选择具有最小量度的抽样估计。

特别是，当MS移动时，在信道中出现多普勒频移，接收抽样的相位开始漂移。自动频率控制(AFC)单元28计算相位纠正角，以便补偿这个相位漂移。结合Viterbi分析仪使用的这种相位纠正技术的更详细描述在Paul W.Dent的U.S.Pat ent No.5,136,616中揭示。

实际上，来自抽样缓存器的输入抽样的相位被延迟单元30延迟了预定大小(例如，3个抽样)。在加法器32中，延迟的相位与来自角度估计单元26的估计角算术相加。角度估计按照授与Paul W.Dent的U.S.Patent No.5,136,616所揭示的计算。

图2是说明来自图1中加法器32的相差信号的图。参照图2，矢量，s1，代表具有最低量度的估计接收基带信号矢量。矢量，s2，代表延迟三个抽样的接收信号矢量。角度，v1，代表具有最低量度的抽样估计所对应的角度估计。角度，v2，代表矢量s2的相角。因此，来自加法器32的相差信号可以表示如下：

P_e(n)＝v₂(n-3)-v₁(n)+C₀ (2)

这里Pe代表抽样号n的相差，v(n)代表抽样号n的角度估计，v2(n-3)代表接收抽样号n-3的角度，C0是常数。上述公式(2)用接收突发中的训练序列初始化。因此，当解调过程开始时，延迟抽样的相角已经存在。

图3是图1所示AFC更新单元28的示意框图。来自加法器28的相差信号被非线性滤波器29滤波。然后将滤波的相差信号馈送到AFC单元31，计算相位纠正角。相位纠正角再馈送到数据转换单元14，以便补偿输入突发中的多普勒频移。

相位纠正角可以从下式得到：

F_e(n)＝F_e(n-1)+C₁P_e(n) (3)

P_C(n)＝P_C(n-1)+C₃F_e(n)+C₂P_e(n) (4)

这里n＝1，...，N_b。Fe(n)代表频差，PC(n)代表相位纠正，Pe(n)代表相差，N_b代表用于计算相位纠正的比特数。值PC(0)和Fe(0)是初始值，在突发被解调之前，借助突发中的已知训练序列计算。

图4是图3中AFC单元31的示意框图，说明从公式3和4得到的频差和相差之间的关系。如图所示，公式3和4可以以框图示意的形式实现。参照图4，相位纠正角从滤波的相差和系数C1、C2和C3中计算。在AFC单元31输出处的这个相位纠正角，用于纠正来自抽样缓存器12(图1)的下一个抽样的相位。因此，当前相位纠正角从前一个相位纠正角中计算，并对来自抽样缓存器12的每个新抽样更新。在接收突发被解调之后，得到总的相位纠正角。因此，每个接收突发可以计算一个总相位纠正角。特别是，由于可以为每个接收突发计算一个总相位纠正角，这个总相位纠正角的值可以用于计算该突发的频偏，可以表示如下：

F₀＝(P_CC₄)/C₅ (5)

这里F0代表突发的频偏，PC代表突发的总相位纠正角，C4和C5是常数。同样，对每个接收突发可以计算一个频偏值。可用于上述常数的示范值是：C0＝2π；C1＝-2；C2＝-4；C3＝1/8；C4＝270833.0；以及C5＝2π*9472。

根据本发明的优选实施例，来自多个突发的频偏用于计算一个平均值。然后将这个频偏平均值用于估计MS相对于BS的速率或速度。这些计算可以在，例如，MS中的微处理器控制之下进行，或者在网络一侧的接收机中(例如，BS中的处理器)。特别是，假设B个频偏值用于估计特定的移动站速度。根据本发明的优选实施例，可用于从B个频偏计算总平均值的方法在图5中说明。

参考图5，从左到右移动，最左边一栏代表从均衡器(例如，均衡器10)接收的B个突发得到的频偏。移到图5的右边，对于所得到的B个频偏中的每一个，得到一个质量测度(下文称为“信号质量”或SQ)。为接收信号突发构成这种质量测度的方法的详细描述在共同受让于Linus L.Ericsson等人的国际专利申请No.PCT/SE93/00648中揭示。然后将B个频偏中每一个的SQ与一个预定的信号质量门限电平比较。对于这个实施例，如果B个频偏中任一个的SQ等于或大于预定的门限电平，就选出那个频偏值做基于“好”突发的进一步处理。相反，相应的SQ值小于预定SQ门限电平的任一频偏被认为与“坏”突发关联，并且不被选做进一步处理。一般，接收突发的SQ值直接与接收信号强度由于衰落、多径传播等所引起的偏差有关。例如，如果MS接收的信号处于衰落的“浸渍”中，接收机所见的SQ值相对较小。因此，对于这个实施例，只有那些从接收突发得到的、SQ值大于或等于预定门限的频偏值，用于计算频偏值的总平均。

由于频偏值可能是正或负值，本发明的下一步是计算每个选定频偏值的绝对值。绝对值可以用任何已知的方法的计算。最后一步是计算选定的绝对频偏值的平均值。假设Np(≤B)个频偏值的SQ值等于或大于预定的SQ门限值，选定频偏值的总平均可以表示如下：

m_{tot} = (1 / N_{p}) Σ_{n = 1}^{N_{p}} | F_{0} (n) | - - - - (6)

这里Np代表选定频偏的个数(例如，SQ值大于或等于预定SQ门限值的突发)，F0(n)代表被处理的选定频偏值。然后，所得到的选定频偏值的总平均可以用于精确地估计有关移动站的速度。

根据优选实施例，一旦得到了选定频偏值的总平均，为了确定选定频偏值的平均值如何变化，可以计算平均值m1，m2，...，mM，的标准偏差。图6是说明，根据本发明的优选实施例，计算平均偏差值的标准偏差方法的图。图6中从左到右，为了计算平均值m1，m2，...，mM，可以将所有的输入频偏值分成块。优选地，对于这个实施例，每个这样的块包括K个频偏值。如果输入频偏值的总数标为B，那么平均值的个数M可以表示如下：

B＝K*M (7)

这里K和M代表整数。每个K个频偏值的块可用于计算一个平均值，mi，表示如下：

m_{i} = (1 / N_{p}) Σ_{n = 1}^{N_{p}} | F_{0} (n) | - - - - (8)

这里i＝1，...，M。Np(≤K)代表SQ值等于或大于预定SQ门限的选定频偏值数，F0(n)代表那些选定的频偏值。特别是，每个平均值，mi，从不同的频偏值块得到的。

因此，平均值m1，m2，...，mM，的标准偏差可以表示如下：

s^{2} = 1 / (M - 1) Σ_{i = 1}^{M} {(m_{i} - m)}^{2} - - - - (9)

其中

m = (1 / M) Σ_{i = 1}^{M} m_{i} - - - - (10)

s代表平均值的标准偏差，m_i代表平均值，i(例如，这里i＝1，2，...，M)，而且M代表被处理的平均值数。

图7是说明，根据本发明的优选实施例，接收频偏和移动站速度之间关系的图。特别是，图7表示不同移动站速度的接收频偏的平均总值mtot之间的对应，而且也表示了如何使用所提供的平均频偏计算方法精确估计移动站的速度。图7所示的值从SysSim仿真中得到，针对通信容量要求较高的典型城市环境。为这个实施例选择的SQ门限电平是6500(O≤SQ≤8191)。符号“SNR”代表接收信噪比，“CTOI”代表载干比。而且，这个实施例使用跳频。式7-10中所用的常数(对于这个实施例)是B＝10400，K＝104，而且M＝B/K＝100。

如图7所示，与大约53的平均频偏有关的估计MS速度是10km/h。大约57.5的平均频偏的估计MS速度是50km/h。大约66的平均频偏的估计MS速度是100km/h，而且大约79的平均频偏的估计MS速度是150km/h。为每个频偏平均值所示的标准偏差相对较小，表示所做的估计精度较高。

尽管本发明方法的优选实施例已经在附图中说明并在前面的详细描述中描述，但是应该理解发明不限于所揭示的实施例，而是在不背离如下权利要求所提出并定义的发明精神前提下，能够进行很多重组、修改和替换。

Claims

1.在蜂窝通信系统中估计移动站速度的方法，包括如下步骤：

针对多个接收突发的每一个，计算与相差有关的频偏值；

基于多个所述频偏值的各绝对值计算一个平均值；

将所述平均值转换成所述移动站的速度值；而且

其中，计算一个频偏值的所述步骤包括基于相位纠正角计算频偏值的步骤。

2.权利要求1的方法，其中，所述计算平均值的步骤包括计算总平均频偏值的步骤。

3.在蜂窝通信系统中估计移动站速度的方法，包括如下步骤：

针对多个接收突发，计算与相差有关的值；

基于至少一个所述与相差有关的值计算一个平均值；

将所述平均值转换成所述移动站的速度值；而且

还包括如下步骤：

将与所述每个与所述相差相关值有关的突发质量水平与预定的质量水平相比较；

为了计算所述平均值，选出与质量水平满足或超过所述预定质量水平的突发相对应的那些所述与相差有关的值；和

为每个所述所选值计算一个绝对值。

4.权利要求3的方法，还包括为每个选出的所述与相差有关的值计算绝对值的步骤。

5.权利要求3的方法，其中，为了计算所述平均值，选出与质量水平满足或超过所述预定质量水平的突发相对应的那些所述与相差有关的值的所述步骤，还包括为了计算所述平均值，选出与质量水平超过所述预定质量水平的突发相对应的那些所述与相差有关的值的步骤。

6.估计移动站速度的方法，包括如下步骤：

针对多个接收信息块，从相位纠正角中计算频偏；

将所述多个接收信息块的质量水平与预定质量门限水平相比较；

对与所述质量水平满足或超过所述预定质量门限水平的所述多个接收信息块关联的每个所述频偏计算绝对频偏；并且

从多个所述绝对频偏中计算总平均频偏，所述总平均频偏对应于所述移动无线电话的所述速度。

7.权利要求6的方法，其中，所述多个接收信息块中的每一个包括突发。

8.权利要求6的方法，其中，所述相位纠正角在接收机均衡器单元中产生。

9.权利要求6的方法，其中，所述相位纠正角与相差关联。

10.权利要求6的方法，其中，所述相位纠正角在接收机自动频率控制单元中产生。

11.权利要求6的方法，其中，对与所述质量水平满足或超过所述预定质量门限水平的所述多个接收信息块关联的每个所述频偏计算绝对频偏的所述步骤，还包括，对与所述质量水平超过所述预定质量门限水平的所述多个接收信息块关联的每个所述频偏计算绝对频偏的步骤。

12.在蜂窝通信系统中估计移动站速度时所用的设备，包括：

一个用来给多个接收信息块产生相位纠正信号的装置；

一个用来将所述多个接收信息块的质量水平与预定的质量门限水平进行比较的比较装置；

一个用来给与所述质量水平满足或超过所述预定质量门限水平的所述多个接收信息块有关的每个所述相位纠正信号，计算与所述相位纠正信号有关的偏差值的装置；

一个基于至少一个所述偏差值计算平均值的装置；以及

一个将所述平均值转换成所述移动站速度值的装置；

13.权利要求12的设备，其中，产生相位纠正信号的所述装置包括自动频率控制设备。

14.权利要求12的设备，其中，所述多个接收信息块中的每一个包括一个突发。