专利名称：移动通信中一种移动台运动速度的测量方法
技术领域：
本发明属于通信技术领域，它主要应用于移动通信领域。
众所周知，无线信道包括了电波的多径传播，时延扩展，衰落特性以及多普勒效应，在移动通信中，我们要充分考虑这些特性以及解决的方案。由于存在发射机所发射的载波与接收机本地振荡器输出频率的差，使得准确测量由移动台移动引起的多普勒频率变得困难。
移动通信中，移动台的运动速度影响系统的接收性能，若能准确的估计出移动台的运动速度，系统结构及性能都会有很大改善。同时，随着第三代移动通信时代的到来，移动通信网将具有更强大的功能，为此在网络层方面将采用更优化的结构，分层小区结构将成为第三代移动通信的核心技术之一。所谓分层小区，就是系统在分配无线资源的时候，充分考虑系统整体的优化，把移动速度较快的用户分到较大的宏小区，而速度较慢的用户分到微小区，速度门限成为系统的一个重要参数，而如何简便、准确的测定当前移动台的速度就变成一个急需解决的问题。
由于移动通信中移动台的移动性，无线信道中还会有多普勒效应。在移动通信中，当移动台移向基站运动时，频率变高，远离基站时，频率变低。我们在移动通信中要充分考虑“多普勒效应”。虽然，由于日常生活中，我们移动速度的局限，不可能会带来十分大的频率偏移，但是这不可否认地会给移动通信带来影响，为了避免这种影响造成我们通信中的问题，我们不得不在技术上加以各种考虑。也加大了移动通信的复杂性。下面我们将讨论出多普勒频谱的原理和模型。
多普勒频移与移动台运动速度及移动台运动方向，与无线电波入射方向之间的夹角有关。若移动台朝入射波方向运动，则多普勒频移为正(即接收频率上升)；若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负(即接收频率下降)，如图1所示。信号经不同方向传播，其多径分量造成接收信号的多普勒扩散，因而增加了信号带宽。
通常每一径信号由于到达方向与接收机运动速度方向的夹角不同，每一径的多普勒频移也不同。根据信道不同，可以建立以下移动台工作模型
(1)对于户外信道，我们认为有大量的入射多经信号在围绕移动台不同水平入射角度上均匀分布，接收天线的方向图在水平角度上也是均匀分布的。对于基站，我们认为多经信号的到达方向是限制在一定的水平角度范围之内。对于户外信道，我们认为有大量的入射多经信号在围绕基站不同的水平角度以及垂直角度上均匀分布。由此可产生如图2所示的CLASSIC谱。
(2)对于户外信道，我们认为有大量的入射多经信号在围绕基站不同的水平角度以及垂直角度上均匀分布。由此可产生如图3示的FLAT谱。
(3)对于不同于上述两种信道特性，只要其多普勒谱是在一定范围内成块状分布，本发明也适用。为了研究问题方便，本文采用CLASSIC和FLAT谱分析问题。
由于多普勒频率与速度有着密切的联系，所以多普勒频率有着重大的实用价值。例如在军事上使用的多普勒雷达，声纳，在卫星通信上使用的多普勒定位技术，以及在医学上也使用相关的多普勒频率技术。通过分析多普勒频率是一种重要的速度估计方式，有关多普勒频偏测量与速度估计的专利和文献很多，例如专利WO 01/17185 A1，“Rake接收机中信道变化速率的估计”，这篇专利提出的思想是，现通过一个信道估计器估计出一组值，然后把这组值输入到一个多普勒频率估计器中，从而产生对多普勒的频移估计值。进而由多普勒频率与速度的关系fdoppler＝(v/λ)×cosθ，估计出移动台速度。这个方法的思路是，和信道结合起来，以信道估计的结果来估计多普勒频移，得到多普勒频移再用于对移动台速度的估计。再如专利US5513221通信信道中多普勒带宽相关估计，提出的思想，根据接收机和发射机的相对速度来调整均衡器，这需要一个对导频符号进行估计，估计的结果送入一个处理器进行多普勒频率(移动台和基站之间的相对速度)估计，然后利用这个结果修正信道估计值。
这些利用多普勒频率解决速度估计的方法都很复杂。很多方法要和信道估计结合起来，而信道估计本身就是一门很复杂的技术。而且，现有的技术均是在没有克服载频频差的前提下，研究利用多普勒效应测速的。而在实际中，这种频差是不可避免的，它与由于运动引起的多普勒频率混合在一起，减小了从多普勒频率测速的准确度。因此，在采用多普勒频率测速时，识别载频频差是非常重要的。
众所周知，在通信系统的发送端是把基带信号调制到很高的载频上传输，在接收端传输信号和本地振荡器产生的载频相乘实现解调，这就是最简单的通信过程。由于调制载频和本振频率都高达数千兆赫，不可避免的会有频率差异。在IS-95标准中，可以允许的最大频差大约是200赫兹。就像前文所提到的，在移动信道中会产生多普勒频率，该频率的大小与速度有关。例如，假设某移动台的速度为120公里/小时，那么产生的多普勒频差大约是220赫兹。在接收信号时，以上两种频差是混在一起的，使我们不能准确测出多普勒频差。
为了更好的适应第三代移动通信的要求，本发明的任务是提供一种通过克服发射机所发射的载波与接收机本地振荡器输出频率的差，测出多普勒频率，进而算出移动台速度的简便方法。
本发明的方案是在扩频通信中，待传信息1先乘扩频码，进行扩频2，扩频信号送进调制器3。在调制信号时要乘以调制频率f15，然后经RF 6和发射天线4发射。在接收端接收到信号后送入解调器8解调，此处采用的是本地振荡器的载频f2。如果f1＝f2，则是理想状态下的精确解调，但在实际中这是不可能的，两者的频差Δf＝|f1-f2|大约是200赫兹左右。解调后的信号经过解扩10，送进积分滤波器11，滤除谐波分量，保留基带信号。此时基带信号中包含了载频频差和多普勒频率信息。我们的目的就是要做频谱分析。根据数字信号处理的知识，通过对信息流做功率谱线分析12，就可以得到信号流的频谱信息，如图4所示。常用的功率谱线分析12的方法可以是快速傅立叶变换分析法，也可以是小波分析法。
图5是存在发射载波和接收载波差Δf＝|f1-f2|的情况下的调制频谱图。图5与本振频率f2相乘解调，由于存在频差Δf＝|f1-f2|，不能在基带恢复出多普勒频谱，而产生了四个特殊的频率点。通过解调原理可以推知这四个点为fd+Δf，fd-Δf，-fd+Δf，-fd-Δf，如图6所示。
图7是对信息流进行功率谱线分析12，并滤除高次谐波之后所得到的功率谱曲线，也就是图6中的基带信号频谱图。由于前边所说的存在载频频差，不能精确解调，所以相当于频差对多普勒频率进行了调制，从而产生了图7的曲线。对此功率曲线的分析12，可以利用现有的分析技术，例如小波分析法，可以得到fa，fb，-fa，-fb，这四点的频率值。确定这四点频率值之后，进行频率计算13，由简单的加减运算就可以得到多普勒最大频率和载频频差fd＝(fa+fb)/2，Δf＝(fa-fb)/2，其中fd是最大多普勒频移，对应着当前速度。根据多普勒频率产生原理公式V＝fd×λ，λ载波波长，就可以很轻松的算出移动台速度V了。
通过频率计算13产生的载频频差Δf，可以用来修正本地振荡器f2的频率，进行自动频率配置，使f2达到一个比较稳定而准确的频率值，即实现自动频率配置。
本发明的实质是提供了一种识别载波本振频率差的方法，消除移动通信系统发射机发射频率与接收机本振频率误差的影响，通过分离载频频差，更精确地测量多普勒频率进而更精确地估计出移动台速度。
综上所述，我们可以得到本发明的优点是(1)克服了发射机所发射的载波与接收机本地振荡器输出频率的差，从而分离了与移动台速度相关的多普勒频谱；(2)本发明避开了繁琐的设计，简化了系统，节约了硬件成本；(3)本发明充分考虑了当前通信系统的实际情况，符合实际，一般技术人员就可以掌握；有着广泛的应用前景。
(4)本发明的方法可靠，简便，能迅速准确地作出对移动台速度估计。
附图及
图1是移动台运动速度及移动台运动方向与无线电波入射方向之间的夹角示意图。
其中，θ是入射波和移动台运动方向之间的夹角，V是移动速度，λ是载波波长，fdoppler＝(V/λ)×cosθ是由于移动台运动而产生多普勒频率。
图2是CLASSIC谱型其中，fd是最大多普勒频率。
图3是FLAT谱型其中，fd是最大多普勒频率图4是本发明方案结构示意图其中，1是待传信息，2是扩频，3是调制器，4是天线，5是调制器3中的调制频率f1，6是射频发射，7是射频接收，8是解调器，9是解调器8采用的本地振荡器的载频f2，10是解扩，11是积分滤波器，12是功率谱线分析，13是频率计算，14是移动台速度估计。
图5是存在发射载波和接收载波差Δf＝|f1-f2|的情况下的含多普勒频谱调制频谱图5是存在发射载波和接收载波差Δf＝|f1-f2|的情况下的含多普勒频谱调制频谱图其中，横轴坐标表示了各个频点的相对关系，可以看出图5的曲线是一个铲型的曲线；图6是存在发射载波和接收载波差Δf＝|f1-f2|的情况下的含多普勒频谱解调图其中，横轴坐标表示了各个频点的相对关系，可以看出图5的曲线是一个铲型的曲线；图7是对信息流滤除高次谐波之后得到的功率谱曲线其中，fa是fd+Δf，fd是fd-Δf，-fa是-fd-Δf，-fb是-fd+Δf。
图8是频差200赫兹是的功率谱曲线仿真9是频差100赫兹是的功率谱曲线仿真图从图8、图9中可以看出，此两图与理想化的图6、图7基本一致。
实施例下面我们将按照本发明方案搭建通信系统进行仿真。在仿真参数设置时，我们选择前面提到的CLASSIC谱作为多普勒谱的模型来讨论问题，并设当前移动台的运动速度V＝120千米/小时，电磁波传播速度C＝300000000米/秒，传输载频是F＝2G赫兹，可知λ＝C/F＝0.15米。发射机所发射的载波与接收机本地振荡器输出频率的差设为200赫兹和100赫兹两种情况。按照以上的参数配置进行仿真。
图8是在频差200赫兹的条件下仿真，图9是在频差100赫兹条件下仿真。此两图与理想化的图6、图7基本一致，图8、图9还考虑了加性高斯白噪声等实际的环境。
以图8为例分析，可知fa＝420赫兹，fb＝20赫兹，由fd＝(fa+fb)/2，Δf＝(fa-fb)/2可得最大多普勒频率为(420+20)/2＝220赫兹，频差为(420-20)＝200赫兹，进而由最大多普勒频率220赫兹推导出V＝fd×λ＝33米/秒，结果与仿真的初始参数设置吻合。同理，分析图9也可准确地推得移动台速度V。
可见，按照本发明就可以由频谱上四个频点fa，fb，-fa，-fb可以可以快速准确的推出移动台的运动速度V。
综上所述可知，本发明通过克服了发射机所发射的载波与接收机本地振荡器输出频率的差，从而分离出了与移动台速度相关的多普勒频谱，通过频谱分析就可以估计出移动台速度，从而避开了繁琐的设计，简便、迅速准确地作出对移动台的速度估计。
权利要求
1.移动通信中移动台的一种运动速度测量方法，它包括在扩频通信中，待传信息(1)先乘扩频码，进行扩频(2)，扩频信号送进调制器(3)，在调制信号时要乘以调制频率f1(5)，然后经RF(6)和发射天线(4)发射，其特征是在接收端接收到信号后送入解调器(8)解调，此处采用的是本地振荡器的载频f2，两者的频差Δf＝|f1-f2|大约是200赫兹左右，解调后的信号经过解扩(10)，送进积分滤波器(11)，滤除谐波分量，保留基带信号，此时基带信号中包含了载频频差和多普勒频率信息，对信息流做功率谱分析(12)，可以得到fa、fb、-fa、-fb这四个频率突变点的频率值，由此就可以得到多普勒最大频率fd和载频频差Δf和移动台速度。
2.根据权利要求1所述的移动通信中移动台的一种运动速度测量方法，其特征是由所述的四个频率突变点的频率值，根据fd＝(fa+fb)/2，Δf＝(fa-fb)/2计算多普勒频率和频差。
3.根据权利要求1和2所述的移动通信中移动台的一种运动速度测量方法，其特征是采用V＝fd×λ测量移动台的运动速度。
4.根据权利要求1所述的移动通信中移动台的一种运动速度测量方法，其特征是所述的频谱分析技术采用小波分析法或FFT分析法。
5.根据权利要求1所述的移动通信中移动台的一种运动速度测量方法，其特征是对所述的基带信号进行快速傅立叶变换FFT或小波分析法，得到信号流的功率频谱曲线是一个铲型曲线。
6.根据权利要求1和2中所述的移动通信中移动台的一种移动速度测量方法，其特征是利用所测量的Δf，控制本振频率f2的大小，可以用作自动频率配置。
全文摘要
本发明公开了一种测量移动台运动速度的方法。它是通过对接收的信号，即空间的电磁波，经天线、射频、中频处理，并解调、及(或)解扩后，用功率频谱分析方法，如FFT分析法或小波分析法，分析所得到信号的频谱，从而识别发射机所发射的载波的本地振荡器的输出频率与接收机本地振荡器输出频率的频差、得到最大多普勒频率，进而就可以计算出移动台运动速度。该方法能够简便、迅速准确地对移动台的运动速度进行估计。
文档编号H04W24/08GK1395429SQ0110860
公开日2003年2月5日 申请日期2001年7月9日 优先权日2001年7月9日
发明者唐友喜, 李少谦, 韩玮, 兰岚, 潘春锦, 孙博 申请人:电子科技大学