CN1359472A - 移动速度的无线电估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用无线电传输信道被连接到远程站的移动站的速度(v)估计方法,该方法包含下面以系列步骤:借用该传输信道以便获得反映该信道的时间变化的度量信号的传输信号(s)的接收和滤波;确定通过该移动站的速度(v)作为参数的度量信号的相关函数(R(τ));查找在原点的该相关函数的二阶导数值(R”(0));估计度量信号的一阶导数(α₀)并计算该估计的方差(C);识别在前的二个步骤(R”(0)=C)时所获得的结果。

Description

移动速度的无线电估计方法

本发明涉及通过借用连接移动站和远程站的传输信道的无线电传输信号对相对于远程站的移动站的速度进行的估计方法。

因此，本发明的领域是移动无线电通信领域，该领域允许在便携式或手提式终端和在大部分时间连接多个终端的中央设备之间建立无线电连接。该中央设备经常是象网络那样的基础设施的一部分，并且通常被固定，作为远程站它将被参照。相反地，该终端在运行过程中可能引起移动，因而人们将它命名为移动站。

与远程站相比该移动站的相对移动以速度为特征，该速度以种种理由构成重要信息。首先，涉及该移动站和该站被配置于其中的运输工具的运行参数。另一方面，尤其涉及蜂窝无线电电话网络的领域。

在这些网络中，该移动站的作用范围通过多个远程站保证，每个远程站分配一个称为小区的地理区域。当该移动站处在多个小区的边界时，存在着要知道它连接到哪个站的问题。人们完全懂得移动站的速度在适当的远程站的选择中是一个重要因素。

事实上，如果这个速度明显地为零，那么该移动站不大可能离开它被登录的小区，而如果该速度被提高，那么该站在行进中有更大可能再连接一个新的小区。

作为补充，人们提及微小区网络，在这些网络中，每个位置同时被一个微小区和一个伞型小区所覆盖，该伞型小区叠加在多个邻近的微小区上。在这里人们介绍赋予零速度或低速度的移动站最好被连接到微小区，而这些快速移动的移动站应被连接到该雨伞小区以避免这些微小区的非常大量和很频繁地变动。

这样看来，当涉及选择移动站被连接于其上的固定站时该移动站的速度是极为有用的参数，该过程在英语中叫“handover(移交)”。

本发明的目的在于移动站的速度估计的一种方法，该移动站通过传送无线电传输信号的传输信道连接到远程站。

根据本发明，该方法包含下面一系列步骤：

·传输信号的接收和滤波，该传输信号借用该传输信道以便获得反映该信道的时间变动的度量信号，

·确定用该移动站的速度作为参数的该度量信号的相关函数，

·查找在原点的该相关函数的二阶导数值，

·度量信号的一阶导数的估计和该估计的方差的计算，

·识别在先前的二个步骤期间所获得的结果。

有利的是，该传输信号的滤波在于消除传输信道的加性噪声。

根据本发明的附加特征，该度量信号是传输信道的动态脉冲响应。

在这种情况下，该方法最好包含一个步骤，该步骤用于产生传输信道的静态响应r；该传输信道具有一个确定的时间扩散，该传输信号S是一个训练序列，一个度量矩阵M根据计及时间扩散的该训练序列得到，该步骤用于产生根据下面的表达式形成的信道静态响应r：

s＝M.r+n

此处，n表示信道的加性噪声。

此外，人们考虑到一个补充步骤，以便查找与该静态响应r的协方差的最大本征值相关联的本征矢量r₀；度量信号的一阶导数等于所确定的系数α₀，使得该传输信号s现在由下面的表达式确定：

s＝M.r+α₀TM.r₀+n

此处，T是一个表示时间的矩阵。

通过参考在符号形式下表示该实施例的主要步骤的唯一附图，在后接一个以例图方式给出的实施例的说明范围内本发明现在将显得更加详细。

在标出一个时间复函数X(t)时，人们采用以下的记号：

·X’(t)：函数X(t)的一阶导数，

·X”(t)：函数X(t)的二阶导数，

·|X(t)|：函数X(t)的模数，

·X^*(t)：函数X(t)的复共轭函数，

·E[X(t)X^*(t)]：函数X(t)的方差。

人们想起，时间相关函数X(t)的R(τ)被描述如下：

  R(τ)＝E[X(t)X^*(t-τ)]

在将该表达式对τ求导后，得到：

  R′(τ)＝-E[X(t)X^*′(t-τ)]

改变变量t’＝t-τ，以前的表达式变为：

  R′(τ)＝E[X(t′+τ)X^*′(t′)]

通过使该表达式对τ进行新的求导，它将变为：

    R″(τ)＝-B[X′(t′+τ)X^*′(t′)]

为使数值τ＝0，以上表达式选取下面的值：

  R″(0)＝-E[X′(t)X^*′(t)]，ou encore

  R″(0)＝-E[|X′(t)|²]                     (1)

同样，在原点的相关函数的二阶导数R”(0)具有与函数X(t)的一阶导数的方差相同的值。

本发明建议根据该结果实行对该移动站的速度估计。

在这里人们假设该移动站通过传输信道接收来自远程站的传输信号。然而必须指出，如果是接收来自该移动站信号的远程站，那么此问题是对称的，并且求解将是相同的。

第一个运算在于选择一个被接收信号的相关模型。一个将相对于远程站的移动站的速度作为参数的模型可由经验的方法确定。它可以同样地对应于一个理论模型，并且在本实施方式的范围人们要掌握完全适合于这种情况的称为“Jakes模型”的模型。根据该模型对于被归一化的能量的信号来说，通过将给出0阶Bessel函数J₀，该相关函数被记为： $R\left(\mathrm{\τ}\right)=J_0\left(\frac{2\mathrm{\πv\τ}}{\mathrm{\λ}}\right)$ ·V是速度，·λ是信号波长。那么，该相关函数的一阶导数被描述为： $R^{\′}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{2\mathrm{\πv}}{\mathrm{\λ}}{J^{\′}}_0\left(\frac{2\mathrm{\πv\τ}}{\mathrm{\λ}}\right)$ 对于它来说，二阶导数被描述为： $R^{\′\′}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{{4\mathrm{\π}}^2{v}^2}{{\mathrm{\λ}}^2}{J^{\′\′}}_0\left(\frac{2\mathrm{\πv\τ}}{\mathrm{\λ}}\right)$ 不过，在原点的0阶Bessel函数的二阶导数等于-1/2：

J″₀(0)＝-1/2它将变为： $R^{\′\′}\left(0\right)=-\frac{{2\mathrm{\π}}^2{v}^2}{{\mathrm{\λ}}^2}---\left(2\right)$

在这里得到一个阐述相关函数在原点的二阶导数和速度之间的相互关系的关系式(2)。在Jakes模型中这种关系很简单，但是，不管该模型是否被考虑，在这二个量值之间都存在一种一一对应的关系。

以后确定反映传输信道的时间变化的度量信号X(t)是合适的。

当然，该度量信号也许是该传输信号的本身。

在这种情况下，最好是进行一个滤波操作，以便消除传输信道的加性噪声。

应该指出，如果该传输信号通过发射一个脉冲获得，那么，在以上所述滤波之后，该信号将对应于该传输信道的脉冲响应。

同样，根据本发明的有利特征，该度量信号是该信道的脉冲响应。事实上，该响应通常用于另一种目的，尤其用于传输信号的均衡，因而它可以自由使用。

作为例子，现在指出一种估计依赖于时间的该动态脉冲响应的方法，相反地，一个静态脉冲响应不考虑传输信道的时间变化而被估计。

现在来参考GPS无线电通信的数字蜂窝系统，因为该系统具有为内行的人所熟悉的优点。这种说明出于便于明白被采用，但是，在任何情况下在该说明中不应看到在该系统中的应用是对本发明的限制。

该系统使用由标为取值+1或-1的a₀到a₂₅的26个符号组成的训练序列TS。来自发射机的符号由接收机识别，因此，人们把被某种方法产生的由接收机识别的整个位序列看作“训练序列”。

参照该图后，因此，该传输信号是由该接收机接收的符号系列s。对应于由该发射机发射的训练系列TS的该系列s同样由26个符号组成。

关于呼叫，这些估计技术要求一个由长度为n的训练系列TS构成的度量矩阵M。该矩阵包含(n-d)行和(d+1)列，d表示该信道的时间扩散。在第i行和第j列中表示的元素是该训练系列的第(d+i-j)个符号：

该训练系列的选择使得矩阵M^tM是可逆，此处，算符.^t表示转置。

以传统的方式，该信道的时间扩散d在GPS情况下等于4，该静态脉冲响应采用有5个分量的矢量的形式。如果使用最小二乘法，那么该矢量r等于(M^tM)^-1M^t.s。

现在我们通过平滑所获得的不同响应r建立一个平滑矩阵L用于这些训练系列连续地被发射，以便获得一种与该静态响应相关的方差的估计。这里，人们理解在很广泛意义上的平滑，也就是说，整个运算允许对该静态响应平滑或取平均值。

平滑的第一个例子对在被假定包含m个训练系列的一个周期内对该矩阵rr^h进行平均，该运算符.^h表示厄米变换： $L\left({\mathrm{rr}}^h\right)=\frac{1}{m}\underset{1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{rr}}^h$

平滑的第二个例子在于在所接收的第i个训练系列中用乘法系数λ建立在第(i-1)个训练系列中获得的矩阵，该因子(乘法系数)通常被以遗忘因子的名字被公知，并包含在0和1之间：

    L_i(rr^h)＝λr_ir_i ^h+(1-λ)L_i-1(rr^h)

初始化可以用所有方法产生，尤其用所获得的第一估计r或用象以上对少数训练系列那样获得的方法。

然后，人们查找结合该矩阵L(rr^h)的最大本征值的本征矢量r₀。

在标出u₀＝M.r₀后，人们要求所接收的信号以下面的形式出现：

s＝M.r+α₀T.u₀+n                 (3)

此处，n表示在该传输信道中的加性噪声，而T是一个表示在其上接收不同符号的时间的矩阵，该时间用符号持续时间表示：

实际上，T是22维对角矩阵，在第i行和第j列中表示的矩阵元素代表对应于该训练系列的第(d+i)个符号的时间，即a_(d+i-1)，时间的起点被任意固定在第十五和第十六个符号之间。

看来，动态脉冲响应的时间导数作为数值具有系数α₀。

I是单位矩阵，引入一个变换算符A：

  A＝I-M(M^tM)^-1M^t

然后，方程式(3)用下面的表达式表示：

A.s＝α₀AT.u₀+A.n

注意u’₀＝T.u₀，该方程式的解在最小二乘法的意义上给出系数α₀的估计值

${\widehat{\mathrm{\α}}}_0=\frac{u_0^{\′h}A.s}{u_0^{\′h}A.{u^{\′}}_0}$ 随后的运算在于计算动态脉冲响应的导数的方差C： $C=E\left[{\left|\widehat{{\mathrm{\α}}_0}\right|}^2\right]$ 列出方程式(1)和(2)：

R″(0)＝-E[|X′(t)|²] $R^{\′\′}\left(0\right)=-\frac{2{\mathrm{\π}}^2{v}^2}{{\mathrm{\λ}}^2}$ 列出方程式(3)： $X\left(t\right)=r+t\widehat{{\mathrm{\α}}_0}{r}_0$ r₀被归一化： $E\left[{\left|X^{\′}\left(t\right)\right|}^2\right]=E\left[{\left|\widehat{{\mathrm{\α}}_0}\right|}^2\right]$ 结果： $C=\frac{{2\mathrm{\π}}^2{v}^2}{{\mathrm{\λ}}^2}$ 人们同样获得该移动站的速度： $v=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{C}{2}}$

由此看来，在知道由一个传输信道接收的信号的相关函数模型后，能够实现发射和接收该信号的站的相对速度的估计。

本发明不限于所述实施方式，尤其可能用一个等效的方法代替任何方法。

Claims (5)

1.一个对用无线电传输信道连接远程站的移动站的速度(V)进行估计的方法，该方法包含下面一系列步骤：

·借用所述传输信道以便获得反映所述传输信道的时间变化的度量信号的传输信号(s)的接收和滤波，

·确定用该移动站的速度(v)作为参数的所述度量信号的相关函数(R(τ))，

·查找在原点的该相关函数的二阶导数值(R”(0))，

·估计所述度量信号的一阶导数(α₀)并计算该估计的方差(C)，

·识别在前的二个步骤(R”(0)＝C)所获得的结果。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述传输信号(s)的滤波在于消除所述传输信道的加性噪声。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述度量信号是所述传输信道的动态脉冲响应。

4.根据权利要求3的方法，其特征在于，所述传输信道具有确定的时间扩散，所述传输信号(s)是一个训练系列(TS)，一个度量矩阵(M)根据计及所述时间扩散的所述训练系列(TS)被建立，它包含根据表达式：

s＝M.r+n

产生所述传输信道的静态响应(r)的一个步骤，在该表达式中的n表示信道的加性噪声。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于，它包含用于查找与所述静态响应(r)的协方差(L)的最大本征值相关联的本征矢量(r₀)，所述度量信号的一阶导数等于被确定的系数α₀，以便所述传输信号(s)现在用表达式：

s＝M.r+α₀TM.r₀+n

确定，此处，T是表示时间的矩阵。