專利名稱：一種多普勒極限頻率的估算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及數(shù)字無線電通信和移動通信，尤其涉及多普勒極限頻率的估算。
背景技術(shù)：
無線數(shù)字通信系統(tǒng)中，多普勒極限頻率在諸如自適應(yīng)編碼、功率控制、調(diào)制、天線分集等方面皆有應(yīng)用。移動速度v(v=fdfcc)]]>與多普勒極限頻率fd成正比，其中fc是無線電波的載頻，c是光速，移動速度v的估算等效于多普勒極限頻率fd的估算。移動速度是無線電通信資源管理(RRM)的一個重要參數(shù)。它是切換算法中使信號強(qiáng)度平均而得到最佳窗口長度的參數(shù)之一。在分層蜂窩結(jié)構(gòu)(HCS)中，根據(jù)移動速度的不同，低速移動站應(yīng)該被分配給微小區(qū)而高速移動站應(yīng)該被分配給宏小區(qū)以便減少切換次數(shù)和干擾。
移動通信系統(tǒng)中的無線電信道會引起發(fā)射信號的附加調(diào)制。無線電信道中每個單徑具有時變的復(fù)信道系數(shù)h(t)特性。非視距路徑的信道系數(shù)h(t)的頻譜S(f)通常由所謂的Jakes頻譜建模，給定如下 其中f是頻率，C是一個常數(shù)，fd是多普勒極限頻率，也稱為多普勒擴(kuò)展。對應(yīng)于表達(dá)式(1)，h(t)的自相關(guān)函數(shù)rh(τ)表示為rh(τ)＝CJ0(ωdτ) (2)其中，ωd＝2πfd，Jn是第一類的第n階貝塞爾函數(shù)，被定義為
時變信道的信道系數(shù)需要進(jìn)行自適應(yīng)估算。通過一帶寬與多普勒極限頻率相同的低通濾波器濾波的導(dǎo)頻碼元可以改善該估算結(jié)果，且所需的發(fā)射功率較低。相同的導(dǎo)頻碼元濾波降低了多徑搜索器中的噪聲本底，其意味著提高了搜索器的動態(tài)性和/或增大了多徑分量的檢測概率和/或降低其虛警概率。
在目前幾個用于多普勒極限頻率估算方法中。有兩種方法能代表最接近的現(xiàn)有技術(shù)。
一種方法在作者為C. 和G.B.Giannakis，“A SpectralMoment Approach to Velocity Estimation in Mobile Communications”，(Proc.Of Wireless Communications and Networking Conf.，Chicago，IL，Sept.23-282000)，以及“On Velocity Estimation and Correlation Properties ofNarrow-Band Mobile Communication Channels″(IEEE Trans.Veh.Technol.vol50，1039-1051，July 2001)(在下文中被命名為文獻(xiàn)[1])中被描述，而在這兒稱為曲線擬合法。在這個文獻(xiàn)中給出了一種基于協(xié)方差的方法，其具有快速收斂性并且對于不均勻的散射體分布來說具有魯棒性。多普勒極限頻率通過信道協(xié)方差函數(shù)的曲線擬合的參數(shù)來計算。值得注意的是，因為h(t)是零均值，所以自協(xié)方差和自相關(guān)是等同的。該方法具體如下1.從接收到的采樣周期為Ts的信號中進(jìn)行N個復(fù)值的信道估算 2.計算復(fù)信道估算的實部或虛部的自相關(guān)函數(shù)的L個值。例如，如果使用的是信道估算的實部，則rh(lTs)=1N-LΣn=0N-1-LRe{h(n+l)}Re{h(n)},l=1,2,...L.]]>3.得到曲線擬合參數(shù)a^k=argminakΣl=1L|rh(lTs)-Σk=02aklk|2.]]>4.獲得rh(0)＝0；rh′′(0)=2a^2/Ts2,]]>其中，rh(0)是自相關(guān)函數(shù)在自變量為零處的實部值，并且rh″(0)是rh(lTs)在自變量為零處時的二階導(dǎo)數(shù)。
5.估算多普勒極限頻率為fd=12π-2rh(0)rh′′(0).]]>最后一步中的fd的表達(dá)式能夠從表達(dá)式(2)和(3)中導(dǎo)出。
因為l＝0的自相關(guān)值的期望值包括加性噪聲，因此忽略l＝0的自相關(guān)值。文獻(xiàn)[1]中的方法被設(shè)計用于窄帶移動通信信道，條件是LTs＜＜1/fd。(4)表1中示出了測試情況。在窄帶移動通信系統(tǒng)中，Ts＝41.6μs，載頻fc為900MHz，并且移動站速度v＝100km/h，給出fd≈83Hz并且1/(fdTs)≈290。在第三代通信系統(tǒng)中，速度可以高達(dá)500km/h并且fc大約是2GHz，給出最大fd≈900Hz。在WCDMA中對Ts的自然選擇是時隙周期667μs。1/(fdTs)的結(jié)果大約是1.6。因此，表達(dá)式(4)顯然不被滿足。
表1

此外，仿真結(jié)果表明文獻(xiàn)[1]中的方法只對于小范圍的fd來說有優(yōu)異的性能。這樣，文獻(xiàn)[1]中的方法不適合第三代通信系統(tǒng)。因此，需要一個能夠在很寬的頻率范圍內(nèi)估算多普勒頻率的方法。
另一個方法在美國專利US 0172307(在下文中稱為文獻(xiàn)[2])中公開，并且在此處稱為第一零檢測。第一零檢測是基于得出的自相關(guān)函數(shù)第一零值τ0。因為rh(τ)與J0(2πfdτ)成正比，所以rh(τ)的第一零值τ0由τ0≈2.402πfd]]>給出，其意味著fd≈0.382τ0]]>在第一對具有相鄰正和非正的實部的自相關(guān)函數(shù)的采樣之間進(jìn)行線性內(nèi)插。第一零檢測能夠給出直至大約400Hz的fd的精確估算以及整個所關(guān)心的范圍中的合理結(jié)果。當(dāng)fd降低時，τ0增加并且需要計算更多自相關(guān)函數(shù)值，這使估算更復(fù)雜。此外，第一零檢測比曲線擬合方法對噪聲更敏感，因為它只依賴于rh(τ)的兩個值，反之曲線擬合法還考慮L個值。當(dāng)直至LTs的τ的自相關(guān)值被計算時，如果fd＜0.382/LTs，則第一零檢測不適用。
總結(jié)來講，曲線擬合法適于低多普勒擴(kuò)展。因為隨著τ0增加，第一零檢測方法變得越來越復(fù)雜。曲線擬合法和第一零檢測方法都不能夠用于估算所有各種情況中的多普勒擴(kuò)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種適于所有各種情況的多普勒極限頻率估算方法。
用于實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是一種用于估算多普勒極限頻率的混合方法，該方法至少包括從接收信號中計算復(fù)信道估算的自相關(guān)函數(shù)；檢測自相關(guān)函數(shù)值是否在預(yù)定義延遲閾值內(nèi)為負(fù)數(shù)或者0；如果是，則用適于高多普勒擴(kuò)展的方法估算多普勒極限頻率，否則用適于低多普勒擴(kuò)展方法估算多普勒極限頻率。
所述自相關(guān)函數(shù)是復(fù)自相關(guān)函數(shù)，為Σj=0P-1Σn=0N-1-Lhj(n+l)hj*(n),]]>其中，j標(biāo)記為徑并且l＝0，1，...，L； 是P條徑的每徑的復(fù)信道的N個采樣估算并且*是共扼操作。
計算復(fù)合自相關(guān)函數(shù)的所述步驟還包括以采樣周期Ts分別對于P條徑的每徑的復(fù)信道進(jìn)行N個估算 其中，j標(biāo)記為徑并且j＝0，1，...，P-1；使用復(fù)信道估算 的實部和虛部來計算復(fù)合自相關(guān)函數(shù)的實部Rh(lTs)為Rh(lTs)=αΣj=0P-1Σn=0N-1-LRe{hj(n+l)}Re{hj(n)}+Im{hj(n+l)}Im{hj(n)},]]>其中l(wèi)從0到L，L+1是要被計算的自相關(guān)函數(shù)值的數(shù)目；α是一個常數(shù)。
適于高多普勒擴(kuò)展的所述方法是第一零檢測方法，包括在具有正號和非正號的復(fù)自相關(guān)函數(shù)Rh(lTs)的實部的第一組相鄰采樣中的采樣之間進(jìn)行內(nèi)插，來估算復(fù)自相關(guān)函數(shù)的第一零值處的延遲τ0；估算多普勒極限頻率fd為fd=0.382τ0.]]>所述內(nèi)插是線性內(nèi)插。
適于低多普勒擴(kuò)展的所述方法是曲線擬合方法，包括找到曲線擬合參數(shù)k為a^k=argminakΣl=1L|Rh(lTs)-ΣkKaklk|2,]]>其中K是偶數(shù)并且等于或大于0，第二總和中的k是所有偶數(shù)值，并且Rh(lTs)是復(fù)自相關(guān)函數(shù)的實部；在自變量為零處獲得復(fù)自相關(guān)函數(shù)值的實部Rh(0)為Rh(0)＝0，并且Rh(lTs)的二階導(dǎo)數(shù)在自變量為零處的值Rh″(0)為Rh′′(0)=2a^2/Ts2;]]>估算多普勒極限頻率fd為fd=12π-2Rh′′(0)Rh(0).]]>所述預(yù)定義延遲閾值T小于等于L。
此外，任何多普勒擴(kuò)展應(yīng)該被被認(rèn)為是低或高。優(yōu)選地，把大于0.382/(TTs)的多普勒極限頻率fd視為高多普勒擴(kuò)展，并且把小于0.382/(TTs)的多普勒極限頻率fd視為低多普勒擴(kuò)展。
本發(fā)明不但解決了估算高多普勒擴(kuò)展而且解決了估算低多普勒擴(kuò)展的多普勒極限頻率的問題。通過本發(fā)明中提供的方法，能夠比先有技術(shù)更精確地估算在大范圍多普勒擴(kuò)展上的多普勒極限頻率，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明避免了僅利用第一零檢測方法估算多普勒極限頻率的復(fù)雜性。此外，通過分別計算P條徑的每徑的復(fù)信道估算的復(fù)自相關(guān)函數(shù)的實部，并且通過修改曲線擬合方法，多普勒極限頻率估算的準(zhǔn)確度大大提高。


圖1示出了隨著多普勒擴(kuò)展的增加在二階多項式擬合和4階多項式擬合之間的差別。
具體實施例方式
以下參照附圖更充分地描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。然而，本發(fā)明可以以許多不同的形式被具體表達(dá)并且不應(yīng)該被理解為被限制于在此闡明的那些實施例，相反，提供這些實施例以使這些披露內(nèi)容將全面且完整，并且將向本領(lǐng)域技術(shù)人員充分地傳達(dá)本發(fā)明的范圍。
本發(fā)明根據(jù)自相關(guān)函數(shù)的實部值在預(yù)定義延遲閾值內(nèi)是否變成負(fù)數(shù)或0的情況來估算多普勒極限頻率。所提出的方法是一種使用兩個算法的混合方法一個適于低多普勒擴(kuò)展的方法，例如在前面部分中描述的曲線擬合方法的修改版本；和一個適于高多普勒擴(kuò)展的方法，例如第一零檢測方法。此外，自相關(guān)函數(shù)用復(fù)自相關(guān)函數(shù)替換，即，不同解析多徑的信道估算的自相關(guān)函數(shù)總和。如果只解析一條多徑，則復(fù)自相關(guān)函數(shù)還原為自相關(guān)函數(shù)。
曲線擬合法被修改，以對計算的曲線擬合參數(shù)進(jìn)行比二階更高階的多項式擬合，從而能夠大大提高估算的精確度。例如，使用4階多項式，曲線擬合法適用的fd的范圍超過兩倍。然而這本身不足以覆蓋感興趣的范圍。
混合方法的詳細(xì)步驟說明如下1.用采樣周期Ts從接收信號中進(jìn)行每徑的N個復(fù)信道估算， j＝0，1，...，P-1，其中j標(biāo)記徑，并且考慮P個徑。
2.用步驟(1)的復(fù)信道估算的實部和虛部計算復(fù)自相關(guān)函數(shù)的實部Rh(lTs)=αΣj=0P-1Σn=0N-1-LRe{hj(n+l)}Re{hj(l)}+Im{hj(n+l)}Im{hj(n)},]]>l＝0，1，...L，其中，α可以是任何常數(shù)，例如α＝1，考慮P個徑。在這里，與文獻(xiàn)[1]中的方法相比，因為Rh(lTs)可用于高多普勒擴(kuò)展，所以l也采用值0。例如，在第一零檢測方法中，如果Rh(lTs)是負(fù)數(shù)(l＝1)，那么例如l＝0和l＝1之間的線性內(nèi)插可以進(jìn)行以便得到最大多普勒擴(kuò)展的估算。值得注意的是在l＝0處的Rh(lTs)的值不用于低多普勒擴(kuò)展，因為該值包括噪聲并且具有比其它l更差的質(zhì)量。
3.讓T作為門限值且使T≤L。如果Rh(lTs)≤0，對于任何l，0＜l≤T，那么對于高多普勒擴(kuò)展使用一種估算，例如，第一零檢測方法，否則對于低多普勒擴(kuò)展使用一種估算，例如，曲線擬合法。這里，應(yīng)該選擇合適的T以使第一零檢測方法和曲線擬合法中最精確的方法被使用。
在步驟(3)中，第一零檢測方法描述如下a.對于l的最小值，0＜l≤T且Rh(lTs)≤0，通過內(nèi)插估算Rh的第一零值的τ0，例如使用Rh((l-1)Ts)和Rh(lTs)的線性內(nèi)插，即，分別在具有正和非正實部的復(fù)自相關(guān)函數(shù)的第一兩個相鄰采樣值之間進(jìn)行線性內(nèi)插。當(dāng)然，內(nèi)插可以是其他方式的內(nèi)插，比如二次內(nèi)插、三次內(nèi)插等等，因此需要具有正號和非正號的復(fù)合自相關(guān)函數(shù)的實部的第一組相鄰采樣。
b.把多普勒極限頻率估算為fd=0.382τ0.]]>在步驟(3)中，曲線擬合法描述如下a.找到曲線擬合參數(shù)a^k=argminakΣl=1L|Rh(lTs)-ΣkKaklk|2,]]>其中，第二總和∑kKaklk中k是從0到K的所有偶數(shù)。K不象文獻(xiàn)[1]中那樣限制為2。
b.獲得Rh(0)＝0；Rh′′(0)=2a^2/Ts2,]]>其中Rh(0)是在自變量為零處的復(fù)自相關(guān)函數(shù)值的實部，并且Rh″(0)是Rh(lTs)的二階導(dǎo)數(shù)在自變量為零處的值。
c.把多普勒極限頻率fd估算為fd=12π-2Rh′′(0)Rh(0).]]>當(dāng)然，移動站的速度可以被估算為v=fdfcc.]]>與現(xiàn)有技術(shù)的曲線擬合法相比，參數(shù)k被修改以改善估算的精確度。原因說明如下當(dāng)K＝2時，只要自相關(guān)函數(shù)的一部分待擬合的多項式具有拋物線的形狀，則估算是優(yōu)良的，這實際上是最低最大多普勒擴(kuò)展的情況。然而，隨著多普勒擴(kuò)展提高，曲線擬合法的估算誤差將變得更大。高階多項式擬合將增加多普勒擴(kuò)展的范圍，在該范圍內(nèi)估算器具有某些精確度。參見圖1，圖1說明了隨著多普勒擴(kuò)展提高(從左至右)所發(fā)生的。點線是理論自相關(guān)函數(shù)Rh(t)，虛線是二階多項式擬合(K＝2)，而實線是4階多項式擬合(K＝4)。在左圖中，兩種擬合之間沒有區(qū)別，但是隨著多普勒擴(kuò)展增加，就已經(jīng)有了較大的區(qū)別。
本發(fā)明可以應(yīng)用到接收包含導(dǎo)頻碼元序列的無線信號的任何接收機(jī)中。它可以應(yīng)用在移動通信系統(tǒng)中而不管其多址方案。
雖然相對于特定的示例實施例已經(jīng)描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該承認(rèn)本發(fā)明不限制為在此所描述并示出的那些特定實施例。
權(quán)利要求
1.一種估算多普勒極限頻率的方法，其特征在于，包括從接收信號中計算復(fù)信道估算的自相關(guān)函數(shù)；在預(yù)定義的延遲閾值T內(nèi)檢測自相關(guān)函數(shù)的實部值是否為負(fù)數(shù)或0；如果是，則用適于高多普勒擴(kuò)展的方法估算多普勒極限頻率，否則用適于低多普勒擴(kuò)展方法估算多普勒極限頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述自相關(guān)函數(shù)是復(fù)合自相關(guān)函數(shù)，為Σj=0P-1Σn=0N-1-Lhj(n+l)hj*(n),]]>其中，j標(biāo)記為徑并且l＝0，1，...，L；{hj(n)}n＝0N-1是P條徑的每徑的復(fù)信道的N個估算值，*表示共扼操作。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，所述計算復(fù)合自相關(guān)函數(shù)的步驟還包括以采樣周期Ts分別對于P條徑的每徑的復(fù)信道進(jìn)行N次估算{hj(n)}n＝0N-1；使用復(fù)信道估算{hj(n)}n＝0N-1的實部和虛部來計算復(fù)自相關(guān)函數(shù)的實部Rh(lTs)為Rh(lTs)=αΣj=0P-1Σn=0N-1-LRe{hj(n+l)}Re{hj(n)}+Im{hj(n+l)}Im{hj(n)},]]>其中l(wèi)從0到L的整數(shù)，L+1為要被計算的自相關(guān)函數(shù)值的數(shù)目；α是常數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的方法，其特征在于，所述適于高多普勒擴(kuò)展的方法是第一零檢測方法，包括在具有正和非正實部的復(fù)合自相關(guān)函數(shù)Rh(lTs)的的第一對相鄰采樣中的采樣之間進(jìn)行內(nèi)插，以估算復(fù)合自相關(guān)函數(shù)的第一零值處的延遲τ0；估算多普勒極限頻率Td為fd=0.382τ0.]]>
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于，所述內(nèi)插是線性內(nèi)插。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3的方法，其特征在于，適于低多普勒擴(kuò)展的方法是曲線擬合法，包括得到曲線擬合參數(shù)k為a^k=argminakΣl=1L|Rh(lTs)-ΣkKaklk|2,]]>其中第二總和∑kKaklk中的k是從0到K的所有偶數(shù)，K為偶數(shù)，Rh(lTs)是復(fù)自相關(guān)函數(shù)的實部；在自變量為零處獲得復(fù)自相關(guān)函數(shù)的實部值Rh(0)為Rh(0)＝0，并且Rh(lTs)的二階導(dǎo)數(shù)在自變量為零處的值Rh″(0)為Rh′′(0)=2a^2/Ts2;]]>估算多普勒極限頻率fd為fd=12π-2Rh′′(0)Rh(0).]]>
7.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于，預(yù)定義延遲門限值T小于等于L。
8.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于，還包括把有關(guān)大于0.382/(TTs)的多普勒極限頻率fd的估算方法視為高多普勒擴(kuò)展，并且把有關(guān)小于0.382/(TTs)的多普勒極限頻率fd的估算方法視為低多普勒擴(kuò)展。
全文摘要
本發(fā)明是一種估算多普勒極限頻率的方法，包括從接收信號中計算復(fù)信道估算的自相關(guān)函數(shù)；檢測自相關(guān)函數(shù)的實部值是否在預(yù)定義延遲閾值T內(nèi)為負(fù)數(shù)或0；如果是，則用適于高多普勒擴(kuò)展的方法估算多普勒極限頻率，否則用適于低多普勒擴(kuò)展方法估算多普勒極限頻率。本發(fā)明不但解決了高多普勒擴(kuò)展的多普勒極限頻率的估算問題，而且解決了低多普勒擴(kuò)展的多普勒極限頻率的估算問題?？梢栽诒痊F(xiàn)有技術(shù)更寬的多普勒擴(kuò)展范圍上更精確地估算多普勒極限頻率。
文檔編號H04B7/00GK1788427SQ03826585
公開日2006年6月14日 申請日期2003年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月5日
發(fā)明者奧斯卡馬奧瑞茨 申請人:華為技術(shù)有限公司