高速移动通信系统信噪比预测方法

假设载波频率 为 ２ Ｈ ，在瑞利信道 中，当用户移动速度分别 为 １０ Ｇ ｚ ０ 公里／，桎 ２ ０公里／ ｄ日 ５ 小时， 信 号 包 络 随 时 间 的 自相 关 函数 满 足 零 阶 贝赛 尔 函 数 ： １
（＝ ｏ Ｚ ｖ ｒ Ｊ（ｒ ） ） ２ ａ ｆ
（） １
其 中 是 用 户 移 动 速 度 对 应 的多 普 勒 频 移 ， 是 时 间 间隔 。 ｒ
１
引论
传 统 的移 动 通 信 系 统 是 根据 前 一 时刻 导 频 信 噪 比的 测量 进 行 下 时 刻 的分 组 调度 和 自适 应 调 制 编
码 ，然 而 用 户 将 信 噪 比上 报 给基 站 和基 站 进 行 分 组 调 度 都 需要 花 费 时 间 ， 即在 用 户 端 的 导 频测 量 和 基 站 进 行 分组 调 度 后 数 据 的传 送 之 间 存在 一 定延 迟 。当用 户 处 于 中高 速 运 动ｌ 时候 （ ０ 公里／ ， 的 １０ ｄ 时至 ２ ０ ５
响 整 个 系统 下 行 链 路 的数 据 传 送 ，造 成 系 统误 码 率 提 升 ，吞 吐 量 下 降Ｌ Ｊ １。 、
文献 ［］ 论 了利 用 最 大 熵 谱 估 计 方法 线 性 白适 应 预 测 衰 落 信道 ，并 结合 内插 值 法 得 出数 据 传 送 时 ２讨
刻 的信 道 传 输 系 数 预 测 值 。文 献 ［】 出利 用ＡＲ模 型 对 信 道 进 行 长 时 间 线 性 预 测 的思 想 ，将 预 测 的 参 ３提 数 代 入 迭 代 过 程 ， 从 而 引入 了 误 差 。文 献 ［］ 出在 噪 声 平 滑 的基 础 上 建 立ＡＲ模 型 进 行 线 性 预 测 。文 ４提
献 ［］ 出利 用 卡 尔 曼 滤波 动 态 跟 随信 道 参 数 的 变 化 。 ５提 文献 ［］ 出基 于 环 境 辅助 静 态 参 数 的参 数 化 信 道 ６提
预 测 方 法 ，但 是 对 于 中 高速 运 动 的用 户 周 围的 环 境参 数变 化 较 大 ，难 以预 先获 得准 确 的静 态 散 射 物 状 态 。文 献 ［，～ ］ ２４ ６ 虽较 文 献 ［］ 高 了预 测 性 能 ，但 都 没 有对 高速 移 动 通 信 系 统 中信 噪 比 的预 测 提 出具 体 ３提
本 文 针 对 高 速 移 动 通 信 系 统 中信 道 快 衰 落 的特 点 ，提 出 先建 立 ＡＲ 模 型 预 测 信 道 传 输 系 数 ，再确
定信 道 传 输 系 数 和 信 噪 比之 间 的拟 合 多项 式 ，将 预 测 的 信 道传 输 系 数 代 入 多 项 式 得 出下 一 时 刻 信 道 的
第 １ ７卷 第 １ 期 ２ １ 年 ２月 ０２
文 章 编 号 ： １ ０ －２ ９ｆ ０ ２ ０ — ０ ４ ０ ０ ７ ０ ４ ２ １ ） １０ ２ — ７
电 路与 系统 学报
Ｊ ０ＵＲ ＮＡＬ ＲＣＵＩ ＯＦ ＣＩ ＴＳ ＡＮＤ ＹＳ ＥＭ Ｓ Ｓ Ｔ
ＶＯ ． ７ Ｉ １
一
时刻信 道 的传 输系 数 ；最 后根 据信 道传输 系数 和信 噪 比之 间关 系直 接推 导 出下 一时 刻信道 的信 噪 比。实验 仿真 结果
噪 比的均方误 差值 。
表 明在用 户高速 移动 时 ，该方法 相对 于传 统 的基 站直 接利用 导频 测量 得到下 一 时刻信道 信噪 比的方法 降低 了与实 际信 关键 词 ｔ信 噪 比预 测 ；信 道传 输系 数预测 ：ＡＲ模 型 中 图分类 号 ｔＴ １．３ 文献标 识码 ｔ Ｎ９ １ ２ Ａ
可 以通过 Ａ Ｒ模型来拟合 ，其 中 ｗ 为高斯 白噪声，是模型与 ｈ实际值之 间的误差 。 ｆ
预 测 信道 传 输 系数 ｈ的误 差
ｅ： 矗 ｉ ｈ一
Ｐ
＝
（８ １）
ｐ ． ｐ 口 口 Ｄ
Baidu Nhomakorabea
∑ ｈ 一 ａｊ ＋ｉ ａｈ 一 ，ｆ艺 ｉ ，』ｗ ，，∑ Ｈ ｗ＝ ｐｉ ｈ ＋ ａｈ 一 ｊ ＋ ｊ ｉ 一 ； ，， ｌ 一 ｆ ＿ ，， 一 ６ ｆ ＿
点都 在 单 位 圆 内 时 ， 即 ｌ 必须 满 足 式
Ｐ
ｌ∑舀 ｚ ０ 一 ～＝
１ ＝１
（２ ２）
的实现方案 。 文献［］ ７基于多径快衰落信 道的弱混沌性， 实现了多径快衰落信道 的非线性预测 ， 预测结果 优 于ＡＲ 法 ， 算 法 较 复 杂 ，难 以实 时 应 用 。 文 献 ［】 出 一种 基 于支 持 向量 机 的衰 落 信 道 预 测 方 法 ， 算 但 ８提
但 在 预 测 过 程 中没 有 考 虑 到 噪 声 的 影 响 ，也 没 有 提 出信 道 信 噪 比 的具 体 预 测 方 法 。
公 里／， ） ｄ 时 ，信 道 在 这 段 延 迟 时 间 内发 生 快 衰 落 ，且 随 着 用 户 运 动速 度 的提 升 ，快 衰 落 变 化 的速 度 也 会 加 大 ，使 用 户 上 报 的信 噪 比和 基 站 调 度后 实 际数 据 传 输 过 程 中 的信 噪 比之 间存 在 较 大 误 差 ，从 而 影
收 稿 日期 ，２ １—４２ ０ ＯＯ －３
修 订 日期 ：２ １－７２ ０ ００ －６
基 金 项 目 国家 自然 科 学 基 金 项 目 （ ０ ７ １２ ；广 东 省 自然 科 学 基 金 重 点 项 目 （ ２ １２ ５ １０ ０ １ ： 广 东 省 科 技 计 划 项 目 ６７２３ ） ８ ５ ０７ ０ ０ ０ １ ） （ ０ ７Ｂ ｌ２ ０ ５ ）：广 东 省 教 育 部 产 学研 项 目 （ ０ ７ ９ ３２ １ ）；国家 自然 基 金 一 』 东 省 联 合 基 金 项 目 （ ６ ５ ０ ） ２０．００００５ ２ ０ Ａ０ ００ １６ ‘ Ｕ０ ３ ０ ３
・
第 １ 期
常莉莉 等：高速 移动通信系统信噪 比预测方法
２ ７
误差系统满足全极点模型。 要使系统满足因果性， 则要求 ｔ Ｚ的收敛域满足 ＜ ∞， 为 ／） （ ｌ Ｚ Ｊ 其中
系统极点最大值 。要使系统满足稳定性 ，则要求 ／（ 的收敛域满包括单位 圆。所 以只有 当系统全部极 －ｚ ／）
一
，
口 …， 一 ： ＝¨ ． ｒ 一 ． ａｒ ，： ， 。 ｈ…ｈ 一
Ｐ ∑ａｆ ｆ 一 ｇ
ｌ ＝１
即
Ｈ＋ ｉ ｗ
根据 式 （ ０ ，该 预测 误 差 的系 统 函数 为 ： ２）
Ｉ（ ＝ ÷ － 一 ／） －ｚ — ＿
ｌ∑舀， 一 ～ ｚ
／ ＝１ ，１ ＝ ． １ ＝１ ｌ１ ＝ １ ＝１ １ ＝１
：
， ＝ｌ
， ｉ 一ａ ，
－
ＩＰ ， 磊） ｆ ｒ＋ ， ＋ 一 ＋ ： ∑ 一 ∑ Ｈ ｗ Ｐ ＋ ａ ａ
， ＝１ ，１ ＝
（ １
（０ ２）
（ １ ２）
其 中：
＝
Ｐ
＾ 一
ａｐ
，
ｐ
ｋ ｐ
（１ ４） （ ５ １）
ａ ， Ｐ ＝ａ
一
１ 尼；一 ， ｐ一， ｆ 舀１ ＋
其 中 ， ，…． ＝１ Ｐ一１ ２ 。
通 过 多 次 迭 代 ，直 到 Ｐ＝ ， 可 得 到 Ｉ 阶 ＡＲ 模 型 的全 部 系 数 舀 ， ， ，，，． ，将 ａ 则 ｓ ， ＝１ ３．， ２ ． 代 入 公
２ ６
电 路 与 系统 学报
第 １ ７卷
ｐ＝ （。ｐ ） ， ｐ ＋ 。
其中
（ ７） ｒ ） ８
ｐ 志 』
＝
Ｎ － １
ｐ
＝
刍 ｏ】 （ １
：
（ ） ９
利 用
０
Ｏｐ ｋ
（ ０） １
求 得 使 预 测 误 差平 均 功 率最 小 的反 射 系 数 ｋ ：
假 设 下 一 时 刻 信 道 实 际 的传 输 系 数 满 足 Ｐ阶 ＡＲ模 型 ：
ｈ＝ ｐ ｆ＋ ｉ ｉ ∑ａＩ Ｊ Ｗ ，＿ ｈ
ｌ ＝１
（７ １）
当传 输 系 数 的采 样 率 为 至 少每 隔 ０５ 采 样 一 次 时 ， 邻 时刻 信 号 衰 落 的 线 性相 关 性 大 于 Ｏ５ ．ｍｓ 相 ．，ｈ
式 （ ）得到预测 到的信道传输系数 Ｊ。 ４ ；
如 果 用 ＡＲ 模 型 迭代 算 出 的信 道 传 输 系 数 的历 史 数据 ，而 非 测 量 得 到 的信 道传 输 系数 计 算 下一 时 刻信道传输系数 ：
丘 舀 一 ： ，
ｌ ＝１
（ ６） １
其中ｈ Ｈ是 Ａ Ｒ模型预测 得到的信道传输系数的历史数据 。
第 １ 期
常莉莉 等：高速 移动通信系统信噪 比预测方法
２ ５
能 的 ，但 是 在 较 短 时 间 内 ，如 果 数 据 序 列 的变 化 较 缓 慢 ，且 相 关程 度 较 高 ，本 文 就 可 确 定 系 统 的可 预 测 性 。本 文 通 过 研 究信 噪 比序 列 的 自相 关 函数 研 究其 数 据 间 的 线 性相 关性 。
Ｎｏ １ ．
Ｆｅ ｕａｙ， ２ ２ ｂｒ ｒ ０１
高速 移 动通信 系统信 噪 比预测方 法
常莉莉 ， 戴宪 华 ２ ， 李毅 。 ， 石春 ２
（ ．中 山大 学 教 学 实 验 中 心 ， 广 东 广 州 ５ ０ ０ ； ２ １ １０ ６ ．中 山大 学 信 息科 学 与 技 术 学 院 ， 广 东 广 州 ５ ０ ０ １０ ６
３ 中国 电 信股 份 有 限公 司 广 州 分 公 司 网 络 资源 中 心 ，广 东 广 州 ５ ０ １ ） ． １３ ０
摘要 ｔ本文 主要研 究用 户移 动速度 在 １ ０ ｍ／ ０ ｋ ｈ至 ２ ０ ｍ／ ，移 动通信 系统 信道 信噪 比 的预 测 ，以解决 用户 高速 ５ ｋ ｈ时 移动 引起信 道快 衰落 ，从而 造成 基站 通过 导频测 量得 到 的信 道信 噪 比与信道 实际信 噪 比相差 过大 的 问题 。本文 所提 出 的方 法是 首先利 用 导频测量 用户 信道 传输 系数 ：接着 根据 一段 时问测 量收集 的数 据建 立 ＡＲ模 型 ，依据 该模 型预测 下
Ⅳ 一ｌ
－
２ ￣ ； １ Ｚｅ。 ： ＿ 一
－
ｋ ＝ ｐ
ｂ一） （】 ， ２
ｅｏ
初 始 化 ，此 时 Ｐ：０：
（ ２） １ ＊ ＝ ＋ ） ｈ （１ ３） （ ＝卜＋ ｈⅣ ） 将Ｐ ｐ ｌ ＝ ＋ 代入 （１ … １ １）式ｚ ０ ，然后再代入 （） ６ 式得到ｅ（ ， （ ，之后根据 ｋ ５，（） ｆ） ｎ ）
信 噪 比的信 道 预 测 方 案 。仿 真 结 果表 明使 用 该 方 案 预 测 高 速 移 动通 信 系 统 的信 噪 比相 对传 统 系 统 可 以
显 著 降低 与 实 际信 道 信 噪 比的 误 差 。
２ 基于信 道传 输 系数的高速 移 动通信 系统信 噪 比的预 测
由于 高速 移 动 通 信 系 统 的 快 衰 落特 性 以及 外 部 环 境 的影 响 ，长 时 间预 测 高 速 移 动 通 信 系 统 是 不 可
图 １为用 户 速 度 为 ｌ ０公里 ／ 时 ，ｌ ０公里 ／ ， 以及 Ｏ 小 ５ ｄ时
２０ ５ 公里／ 瑞利信道中信号对应的自 小时， 相关曲线。 （越 Ｒｒ ）
接近 １ ，相 邻 时 间 的信 号相 关程 度越 高 ，线 性 预 测 越 准 确 。然 而 根据 图 ｌ所 示 ，当帧 长 为 ２ ｍｓ时 ，相 邻 时 刻信 号 衰 落 的 线 性 相 关 性 均 小 于 ０５ 因此 不 能 直 接 利 用 模 型 预 ．， 测 信 道 的信 噪 比 。 移 动 通 信 系 统 中 ，单 径 平 坦 衰落 的 下行 链 路 的 数据 传