（通信与信息系统专业论文）高速移动环境下scfdma上行链路关键技术研究.pdf

摘要 19 5 8 5 呲3 l i 7 毗iy 高速移动环境下的通信成为近几年研究的重点，如高速铁路( h s t ) 等，h s t 通信系统采用了b 3 g 通信标准棚d l t e ，单载波频分多址接入( s c f d m a ) 以其相对较低的峰值功率比( p a p r ) 成为t d d l t e 无线通信系统上行链路传输 方案。h s t 通信环境中收发两端相对高速运动，就会产生很强的多普勒效应，最 终导致收发两端信道的快速时变性和载波偏移，成为限制h s t 通信系统性能的主 要瓶颈。本文主要研究了已有的基于导频符号信道估计算法，并结合已有算法多 项式拟合算法和判决数据算法，提出了适合快速时变信道的信道估计新算法。同 时，多普勒效应会导致载波偏移，使子载波之间的正交性遭到破坏，本文也对载 波偏移估计算法进行了研究，分析了现有方法在h s t 通信系统中的局限性，提出 了基于导频符号的大范围高精度的载波频移估计算法。 关键字：高速移动环境单载波频分多址接入( s c f d m a ) 信道估计载波偏移估计 a b s t r a c t t h ec o m m u n i c a t i o ni nh i g l l s p e e dm o b i l es c e n eh a sb e c o m eo n eo ft h er e s e a r c h f o c u s e s ，f o re x a m p l e ，h i g h - s p e e dr a i l w a y ( h s t ) h s tc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma d o p t s t h et d d l t e ，a n dt h es i n g l e c a r r i e rf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( s c - f d m a ) t e c h n o l o g yi si n t r o d u c e di n t ot h eu p l i n ks y s t e mf o ri t sl o w e rp e a kt oa v e r a g ep o w e r r a t i o i nt h eh s tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，s t r o n gd o p p l e re f f e c t , d u ot ot h ef a s tt r a v e l o ft h et r a i n ，w i l lr e s u ki nr a p i dt i m e - v a r y i n gc h a n n e la n dl a r g e rc a r r i e ro f f s e t , w h i c hi s t h eg r e a t e s tb o t t l e n e c ko fh s tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nt h ep a p e r , s e v e r a lc u r r e n t c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m sa i d e dt h ep i l o ts e q u e n c e sa l ea n a l y z e d ，a n do n en o v e l a l g o r i t h m ，a d a p t i n gt ot h er a p i dt i m e v a r y i n gc h a n n e l ，i sp r o p o s e do nt h eb a s i so f t h e d a t a - d e c i s i o n ( d d ) a l g o r i t h ma n dp o l y n o m i a lf i t t i n ga l g o r i t h m m e a n w h i l e ，l a r g e r c a r r i e ro f f s e tr e s u l tf r o ms t r o n gd o p p l e re f f e c td e s t r o y st h eo r t h o g o n a l i t yb e t w e e n c a r r i e r s ，l e a d i n gt oi n t e r - c a r r i e r - i n t e r f e r e n c e ( i c i ) i no r d e rt or e d u c ei c i ，c a r r i e ro f f s e t e s t i m a t i o na l g o r i t h m sa r es t u d i e d m o r e o v e r , an e wa l g o r i t h m ，i n c l u d i n gt w os t e p s w h i c ha r ec o a r s ee s t i m a t i o na n df i n ee s t i m a t i o n ，n o to n l ye n l a r g et h er a n g eo fc a r r i e r o f f s e te s t i m a t i o n , b u ta l s oi m p r o v et h ee s t i m a t e da c c u r a c y ，c o m p a r i n gt ot h ea v a i l a b l e a l g o r i t h m s k e y w o r d ：h s ts c f d m ac h a n n e l e s t i m a t i o nc a r r i e ro f f s e te s t i m a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1t d d l t e 标准 自从上世纪五六十年代，贝尔实验室等提出蜂窝概念后，无线通信经历了基 于模拟信号技术的第一代模拟通信系统、基于t d m a f d m a 技术第二代数字通信 系统，基于c d m a 技术的第三代宽带通信系统，现在基于o f d m a 技术和 s c f d m a 技术的3 g p pl t e ( 3 哪g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pa r o j e c tl o n gt e r m e v o l u t i o n ) 和l t e a d v a n c e d 技术的第四代数字通信系统正在处于研究实验阶段， 技术已日趋成熟。图1 1 给出了3 g p p 无线通信标准发展历程。 1 9 9 52 0 0 02 0 1 02 0 1 5p 置露戮爹 。g 。霪溺缀曩窟鬃戮爹 ，= 墨圈巨囝 。澜- 嗽 一一一 二二二叵亘函夏二 回匝亟匝雪匝圃匝囝 隳繁弼嘲黟零露翻 e 垒q 血垒q _ | l d y a 口c e d 图1 13 g p p 无线通信标准发展图示 l t e 作为一种b 3 g 通信标准，可以提供高速数据传输业务，它采用了更适合 宽带化通信的正交频分复用技术，近几年得到了深入的研究和长足的发展。l t e 有 两种复用方式即t d d 和f d d ，虽然二者各有特点，但是与l t e f d d 相比，l t e t d d 在频谱利用、非对称业务支持、智能天线技术支持、与t d s c d m a 系统共 存等方面，有很大的优势，在未来的通信系统中具有很强的竞争力，将成为未来 无线通信系统中的主流技术。 t d d l t e 通信系统的下行链路采用技术成熟的o f d m a 方案，而上行链路采 用近年来出现的一种新的单载波传输方案，即s c f d m a 方案。与o f d m a 技术 相比，s c f d m a 技术有着独特的优势，最重要的是其峰值功率比( p a p r ) 较低， 可以有效提高移动终端的功率利用率，延长移动终端电池使用时间，更适合移动 通信系统上行链路传输，所以t d d l t e 上行链路采用了s c f d m a 技术。 1 2s c f d m a 技术的发展 o f d m 是一种典型的多载波调制技术，它具有很强的抗多径衰落能力和高的 频谱利用率以及低的系统复杂度等优点，但是它对系统定时误差和载波同步非常 敏感，较高的p a p r 限制了它在无线移动通信中的应用。 2 高速移动环境下的s c f d m a 上行链路关键技术研究 为了解决这些问题，人们提出了s c f d e 方案，如图1 2 所示。s c f d e 技术 借鉴了o f d m 技术使用频域均衡方法对抗频率选择性衰落的优点，同时保留了单 载波调制p a p r 低的优势，具有以下三个优点： ( 1 )与o f d m 相比，降低了对相位噪声的敏感性和p a p r ，从而降低了接 收端调谐器的精度要求，也降低了功率放大器等模拟器件的成本，可 以利用成熟的单载波射频技术； ( 2 )与时域均衡单载波相比，抗多径衰落能力增强，而均衡的计算复杂大 大降低； ( 3 )与o f d m 在系统结构上相似，可以与o f d m 共存。 总的来说s c f d e 融合了o f d m 调制和单载波调制的优点，又克服了两者的 不足。使s c f d e 技术不仅可以对抗信道的频率选择性衰落，实现高速信息传输， 而且可以避免单载波时域均衡复杂度太高和o f d m 技术p a p r 太高的不足，所以 s c f d e 技术非常适合在功率受限和大多经时延扩展无线通信系统中应用。 频 _ 检圈 域 ；羹。 符 o 脉多 1 捅去 号1 o 冲 径 ，- 调 斗1- 呈 入 除 均 圈 测 1 调成信 霉 衡制 制 c p j 道 c p 型 一一一一一一一一塑一一一一一一一一一j 一一一一一一一堡坚竺一一一一一一一一一一一一 图1 2s c f d e 通信系统框图 s c f d m a 技术，作为s c f d e 技术的一种多址接入方案，已经被作为l t e 上行链路通信标准，发送端框图如图1 3 所示。 捌二 a 1 一oo ，r攀鬈蠹鬻 7 i 一 a 2 一ooo r d f tj加 d v l ：- - y - 循 串 并 ，p 环 转 载 波 i f f t 刖 换 缀 l 1 髓臻露要曩l ! 囊映 d1-l圜 ， 射 。一 士缓酗 一 i 二 一 r 卜- ，rr b 2 一 一 d 盯 ! ： b m r 图1 3s c f d m a 通信系统发送端原理框图 第一章绪论3 1 3 高速移动环境下的通信需求和挑战 当今社会发展日新月异，人们的活动范围越来越大，所以迫切需要安全，高 效，快速的交通工具，这种迫切需求促使了一批高速交通网络的建立，如高速铁 路的诞生。高速铁路技术不断的成熟，最高时速不断被刷新，给人们出行带来了 极大的方便，基本满足了人们安全、高效的交通需求。同时，人们发现在高速运 转的列车导致通信信道的时延扩展加长、多普勒频移加大、频繁的小区切换，从 而难以保证高质量的通信，如语音通信、信息通信和网络通信等。 为了高速列车上的解决通信问题，满足未来高速铁路智能化和高速数据传输 业务发展的需求，欧洲铁路提出构建基于g s m r ( g s mf o rr a i l w a y ) 无线移动通信 平台，并确定为新一代铁路综合无线通信系统标准( e i r e n e ) 。目前，我国铁路系统 正在搭建基于z g 技术的g s m r 通信平台，但g s m r 通信系统仅能支持速率为 9 6 k b s 的话音传输，无法满足未来对高速数据传输的需求。至今还没有适用于高 速铁路移动环境下宽带移动通信系统的解决方案，但是l t e 技术给人们带了希望。 在无线移动环境中，l t e 技术可以提供高速数据传输业务。 然而，高速列车的最高设计时速都已经超过了3 5 0 k m h ，甚至达到了4 5 0 k m h ， 当载波频率为2 3 g h z 时，列车高速移动引起的多普勒频移高达约1 0 0 0 h z ，较高 的多普勒频移不仅引起信道的快速时变性，而且导致载波偏移，快速时变信道的 信道估计，较大的载波偏移的估计都给提高高速铁路环境下通信系统的性能提出 了挑战。 1 4 论文的主要研究内容 根据前面几节的介绍，本文的主要以h s t 为例研究了高速移动环境下 s c f d m a 上行链路中的关键技术。详细的研究内容主要包括两部分内容： t d d l t e 系统s c f d m a 上行链路快速时变信道的信道估计算法和载波偏移的估 计算法。详细可以分为以下几个方面： ( 1 ) t d d l t e 系统s c f d m a 上行链路快速时变信道的信道估计算法 快速时变信道导致信道时域和频域的相关性很弱，如何利用导频符号上的信 道传输参数获得数据符号上的信道传输系数是一个很大的挑战。 ( 2 ) t d d l t e 系统s c f d m a 上行链路载波偏移的估计算法 根据t d d l t e 系统s c f d m a 上行链路的帧结构及导频插入方式，研究如何 提高载波偏移估计的精度和范围。 本文的章节安排如下：第三章主要研究了t d d l t e 上行链路s c f d m a 系统 快速时变信道的信道估计算法。首先对现有的一些信道估计算法进行了介绍和计 4高速移动环境下的s c f d m a 上行链路关键技术研究 算机仿真，并且分析了现有算法使用的局限性，不适应高速时变信道的信道估计， 最后提出一种高精度信道估计算法，并给出了仿真结果。 第四章主要研究载波偏移的估计算法。首先介绍了一些现有载波频偏估计算 法，并分析了现有算法不适合高速移动环境下s c f d m a 上行链路，然后提出了 一种扩大载波频偏估计范围的改进载波频偏估计算法，最终给出了对比的仿真结 果。 第五章对上述章节进行了总结，并对今后该领域进一步的研究进行了探讨。 第二章高速铁路通信系统模型 5 第二章高速铁路通信系统模型 2 1 高速铁路通信环境信道模型 2 1 1 高速铁路传播信道模型 文献 1 2 】中给出了3 g p p 合作组织针对高速铁路环境采用的信道模型，共分 为三种场景，第一种场景是开阔环境下，文献中采用了带有多普勒频移的静态信 道模型；第二种场景是使用泄漏电缆的隧道模型，文献中采用了单抽头的赖斯信 道，并且给出了莱斯因子为1 0 ；第三种场景是使用多天线技术的隧道模型，文献 中同样采用了带有多普勒频移的静态信道模型。 图2 1 给出了三种场景下的示意图。开阔环境一般指平原地区的乡村环境，反 射物较少，可以近似认为信道为静态不变信道，但是由于列车和基站的相对运动 导致的多普勒效应会引入多普勒频移。隧道中给出了两种解决方案，即泄露电缆 和多天线模型，主要应用于隧道环境或者封闭桥梁的通信环境中，其中采用泄露 电缆的隧道场景信道建模为单径莱斯信道，而采用多天线的隧道场景的信道近似 认为与开阔环境相同。此高速铁路传播信道模型适合于平原地区或者隧道，但是 在有些丘陵地区或者城市郊区等，反射物较多，收发两端除了直射径( l i n eo f s i g h t ， l o s ) 以外，非直射径( n o tl i n eo f s i g h t ，n l o s ) 增多，导致信道称为多径衰落， 这是一般将信道模型建模为含有多径衰落的莱斯信道( 下面称多径莱斯信道) 。 对于莱斯信道模型，不同的通信环境下，莱斯因子选取也是不同的，实现是 根据实际环境进行测量获得，本文中为了讨论方便，采用了两种莱斯因子，即9 或者5 。 表2 1 高速铁路传播信道模型 场景场景1 开阔场景2 场景3 环境隧道( 泄漏电缆)隧道( 多天线技术) 模型s t a t i cw i t h s i n g l et a pr i c a i n s t a t i cw i t hd o p p l e r d o p p l e rs h i f t f a d i n g s h i f t i s d 1 0 0 0 m i n f i n i t y 3 0 0 m 基站距铁路的5 0 m 2 垂直距离 莱斯因子1 0 列车速度3 5 0 k m h3 0 0 k m h3 0 0 k m h 6 高速移动环境下的s c f d m a 上行链路关键技术研究 图2 1 高速铁路两种通信环境( 上：开阔环境；下：隧道环境) 2 1 2 高速铁路环境的多普勒效应 虽然本文研究的高速铁路的环境考虑了莱斯信道，但是由于高速列车的峰值 速度达到4 5 0 k m h 以上，这就会在收发两端引入较强的多普勒效应，给通信系统 带来较大的多普勒频移，图2 2 给出了多普勒效应的示意图。 图2 2 多普勒效应示意图 ，墨融铂x。，)(，；恩心 ， 第二章高速铁路通信系统模型 7 在通信系统中，多普勒效应的表现就是多普勒频移，导致通信信道的变化和 载波偏移。表征多普勒频移的参数有两个，一是最大多普勒频移，二是相对运动 速度的方向和收发两端连线之间的夹角。 在载波频率为一定时，最大多普勒频移是关于收发两端相对移动速度的函数 以一= f 。v c ( 2 - 1 ) 其中，c 表示光速。 当基站到铁轨的垂直距离以和列车速度1 ，已知时，如图2 3 所示，相对运动速 度的方向和收发两端连线之间的夹角0 ( t ) 的余弦值是关于时间的函数， c o s p ( f 1 ：1 童垒 ( 2 2 ) 如2 + ( 一v t ) 2 图2 3 高速列车在一个小区多普勒计算示意图 则瞬时多普勒频移是关于最大多普勒频移和到达角的函数 f d ( t ) = 力一c o s 0 ( t ) ( 2 3 ) 图2 4 高速列车在一个小区内和小区间运行示意图 另外，在列车行进过程中要穿过很多不同基站的覆盖区( 简称为小区) ，如 图2 4 所示。在列车行进过程列车不断的离开一个小区进入另一个小区，为了正常 通信，列车不得不在切换区进行基站切换。对于s c f d m a 上行链路，在小区间 切换前后，与其连接的基站不同，多普勒频移也不同，即在不同小区内多普勒频 8高速移动环境下的s c f d m a 上行链路关键技术研究 移变化不是连续的。在一个切换区切换前，列车远离基站，多普勒频移为负值( 在 此称为负多普勒频移) ，而切换后接近下一个基站，多普勒频移为正值( 在此称 为正多普勒频移) ，图2 5 给出了开阔场景和隧道场景下，几个连续小区的多普勒 变化情况。 餐 餐 舞 图2 5 给出了高速列车在运行过程中多普勒频移变化情况 2 2 高速铁路通信环境s c f d m a 上行链路系统模型 s c f d m a 上行链路是一个多用户系统，它的实现方式是一种d f t 扩展的 o f d m a 系统( 称为d f t s o f d m a ) ，如图2 6 所示。每个用户根据当前信道质 量选取合适的编码方式和调制方式对消息比特数据进行处理，然后将调制之后的 数据先通过一个d f t 转换到频域，而后将这些频域数据映射到系统分配给该用户 的频带上，再通过一个大的f f t 将数据重新转换到时域，最后加上循环前缀，串 并变换后送入信道。在信道中，用户信号将会受到多径的衰落和多普勒效应引起 的载波偏移及叠加高斯噪声，最后达到接收端。 2 2 1s c f d m a 上行链路物理层标准 根据文献【3 】，l t e 支持两种类型的无线帧结构，类型1 为f d d 帧结构模式( 如 图2 7 所示) ，类型2 为t d d 帧结构模式( 如图2 8 所示) 。f d d 帧结构模式没 有采用含有特殊时隙的帧结构，而t d d 帧结构模式是在t d s c d m a 帧结构的基 础上改进而来的，因此与t d s c d m a 帧结构一样包含着d w p t s 、g p 和u p p t s 三个特殊时隙。下面将详细的论述第二种帧结构。 第二章高速铁路通信系统模型9 图2 6 多用户s c f d m a 上行链路系统模型 t d d l t e 帧结构模式是在t d s c d m a 帧结构的基础上改进而来的，保留了 t d s c d m a 帧结构中的三个特殊时隙：下行导频时隙d w p t s ，保护间隔( g p ) 和上行导频时隙( u p p t s ) ，而且子帧的长度同样采用了1 m s ，如图2 8 所示。常 规子帧包含两个0 5 m s 的时隙，每个时隙包含7 个s c f d m a 符号，如图2 9 所示。 特殊子帧包含d w p t s ，g p 和u p p t s ，也占用1 m s 。这个特殊子帧不同于常规子 帧，d w p t s 为一个下行时隙；u p p t s 为一个上行时隙；g p 不传送任何信号，为 上下行之间提供保护，避免上下行之间出现交叉干扰。 图2 7l t e 帧结构类型1 一帧1 0 m = 三：冀芝= = 。1 0! ! ! 丝圣一一 型f f d w p i 葛o p l l p p t s d w p t so l a u p p t s 图2 8l t e 帧结构类型2 根据这个特殊子帧出现的频率，帧结构2 可以分成5 m s 周期和1 0 m s 周期两种 帧结构类型。5 m s 周期的帧结构类型，将一个1 0 m s 无线帧分成5 m s 的半帧，这两 个半帧具有完全相同的结构与相同的上下行子帧比例，特殊子帧位于每半帧的第 二个子帧，即l 号子帧和6 号子帧。1 0 m s 周期的帧结构与5 m s 周期的帧结构的区 10 高速移动环境下的s c f d m a 上行链路关键技术研究 别是，1 0 m s 的帧结构只包括一个特殊子帧，位于1 号子帧，其它的子帧均为常规 子帧。 卜 2 群 端阂骝 6 嚣7 t 8 嚣9 群 t 硼黼，勰j t 辩 1 4 7 j 图2 9 一个s c f d m a 子帧 图2 9 同时也给出s c f d m a 上行链路一个子帧中所包含的两个参考符号( 训 练序列符号或导频符号) 的结构和位置，即两个参考符号位于第四个和第十一个 符号处，并且和数据符号长度相同。 s c - f d m a 上行链路是一个多用户接入通信系统，用户之间的资源的分配是怎 样的呢? 在假设一个用户占用一个资源块的情况下，图2 1 0 给出了两个用户情况 下一个子帧的时频资源分配图，可以看出不同用户的参考符号在时域上所占用的 时间间隔是相同的，但不同用户间的参考符号在频域上是占用不同的子载波，这 说明s c f d m a 上行链路用户之间采用了频分多址接入的方式。并且每个用户的 参考符号占用的子载波与该用户数据符号占用的子载波是相同的，占用的时隙是 不同的，也就是说不同用户问的参考符号和数据符号在时域上是时分复用的，在 频域上是正交的。 f 秽月 t jl u s r1 数据匿翻u s r1 参考信号u s r2 数据 j - u s r2 参考信号 ： ： ji l 2 - 个 子 吱 _ 一 z ，f 1 r 、，、 u s e r2 ( 1 3 2 4 - 子载波) 7 f u s e r1 ( 1 - 1 2 子载波) 图2 1 0 上行链路参考信号的时频位置 第二章高速铁路通信系统模型 2 2 2 多用户s c f d m a 系统接收信号模型 根据对s c f d m a 系统的分析，可以得到s c f d m a 系统的信号模型。若第u 个用户的第m 个已调数据块符号的第，个子载波上的复数据为d 细( 朋，) ，其中 1 ”虬，0 zs m 。经过d f t 变换后，其对应的频域信号可以表示为 1 0 一l ( m ，七) = 寺d 扣( 掰，i ) e x p ( - j 2 z r k i n a ) ( 2 - 4 ) v 川d j - - - 0 式中0 k 虬一1 。然后进行子载波映射，即将用户u 的频域数据对应移到对应 子频带( 或对应子载波) 上，再进行n d 点的i f f t ，则得到时域s c f d m a 符号， n d 一1 了扣( 所，刀) = 寺s 似( m ，k ) e x p ( j 2 7 r k n n o ) ( 2 5 ) v 川di ：型 2 然后，1 4 个这样的数据s c f d m a 符号( 包含1 2 个数据符号好2 个导频符号) 加 上循环前缀，再经过并串转换后，构成一个上行子帧。 发送信号经过信道时，引入了多普勒频移和多径衰落，假定收发两端完全同 步，则第g 个接收天线收到的信号为 札1 ( j d ) = 砸p 磅( j d ，“( p c j l ) + q ( j i d ) ( 2 6 ) u = l1 = 0 其中，p = m n o + 蒯吒一d + ，z 表示一个上行s c - f d m a 子帧中，第m 个 s c f d m a 的第玎个数据中的序号；绣”( p ，d 表示第u 用户与基站第g 个天线之间 多径信道第，径在用户一个s c f d m a 子帧中第m 个符号第n 个采用时刻的信道系 数；s 。，为归一化多普勒频移，可根据式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 计算多普勒频移，然后 再利用系统采用频率进行归一化处理得到；z 表示第，径的信道延迟。 对接收到的信号进行采样和多用户分离后，省略用户指示参数u 后可以表示为 r q ( p ) = e 7 2 砷7 d ( j d ，1 ) s ( j c i 一刃) + ( j d ) ( 2 - 7 ) 1 2 高速移动环境下的s c f d m a 上行链路关键技术研究 第三章s c f d m a 上行链路快速时变信道估计 1 3 第三章s c f d m a 上行链路快速时变信道估计 3 1 高速移动环境下快速时变信道特性 根据2 1 2 节的分析可以得到，由于高速铁路环境中收发机之间的相对快速移 动，引入了很强的多普勒频移，当相对速度为4 5 0 k m h ，载波为2 3 g h z 时，多普 勒频移高达9 5 8 3 h z ，如此大的多普勒频移会导致信道随时间的快速变化，下面针 对莱斯因子为5 和9 时对信道进行了仿真。 如图3 1 所示，第一行的两个图是单径莱斯信道下，对比这两个图可以看出， 当信道的莱斯因子k = 9 时，一个符号内的信道虽有明显变化但相对比较缓慢，符 号问的信道变化也相对较为缓慢；而当莱斯因子k = 5 时，则符号内的信道变化也 较为缓慢，但是符号间的信道变化都相对剧烈。第二行的两个图是多径莱斯信道 下，对比这两个图可以看出，也可以看出当莱斯因子较大为k = 9 时，一个符号内 和符号间的信道变化都相对较为缓慢，而当莱斯因子较小为k = 5 时，一个符号内 的信道变化变化仍较为缓慢，但是符号间信道变化相对较为剧烈。 将图3 1 中第一行两个图与第二行两个图，可以看出单径莱斯信道下，一个符 号内的信道变化较为缓慢，可以近似认为一个符号内信道是不变的；而在多径莱 斯信道下，信道不仅在符号间变化剧烈，而且一个符号内信道变化也较为剧烈， 一个符号内的信道不能再认为在一个符号内是不变的了，而要认为是变化的。 通过前面的分析可得较高的多普勒频移引起信道快速时变特性，多径衰落引 起了频率选择选择性，这给提高信道估计的精度带来了很大挑战。 粤篝孽蓐爨每j甥霉 14 高速移动环境下的s c f d m a 上行链路关键技术研究 3 2s c f d m a 上行链路信号模型及快变信道影响 发送信号经过信道的衰落，在接收端下变频后首先进行多用户分离，然后针 对每一个用户进行频偏估计及补偿，在去循环保护前缀，将收到的个采样分别进 行f f t 变换到频域，并且可以选择在频域对信道进行估计及信号均衡( 如图3 2 蓝 色框中所示) ，然后数据经过并串变换、解调和差错译码，恢复出发送的比特， 最后送至信宿。 为了研究信道估计性能，假设接收端已知信道引入多普勒频移接收端可 以完全消除多普勒频移带来的载波频偏，所以消除载波频偏后接收信号可以表示 为 型 _ ( p ) = ( p ，o s ( p 一西) + ( | 1 9 ) ( 3 _ 1 ) 广_ ，翻f o ”f r _ 。”1 l 信宿k 一解调译码i _ 一i d f t l o 。一l 。，。- o j l 。j o 。_ 匝 旦咂 廖臻购廖曩妻爨瓣臻臻碉印臻l ! ! l l 卿 l 信宿 _ 解调译码j + 一i d f t 盔篮盆盔垃越d k 篮碰蔷盔目泣蕾幽盗盔盆越盆罐甾翻 信道估计及 均衡 凌圈 信道估计及 均衡 接收基带信号 三寸磊霁挈蕃藿 巨竺h 盥錾鍪 罔需冈飘 l 墓盟曼产一。，磊荔簇龇搿蕊g 蕊黼籀魁涮b 。，榔点 。3 奠磊矗甄 图3 2m u - s i i v l o - s c f d i v l a 系统模型 如果莱斯信道有三个瑞丽径和一条直射径，它的时间离散冲击响应可以表示 为 f a 办( j d ，胪惺局( p ) 6 ( p 一面) ( 3 _ 3 ) 其中，a 是直射径信道传输系数，其大小由信道莱斯因子k ：上( 其中p 是直 盯，2 射路径总功率，仃，2 为各个散射径的功率之和) 决定；局( p ) 为第，径上的衰落 系数，其服从瑞利分布，且随着最大多普勒频移力一变化而变化。 ，) = 鲫( p ) + 3 , 6 0 ) s - 4 ) + c o ( p ) ( 3 4 ) 将式( 3 - 4 ) 得到信号进行串并转换，去掉循环前缀后可以表示为 r ( m ，n ) = a s ( m ，玎) + 屏( 所，n ) s ( m ，n - d _ ，) + c o ( m ，2 ) ( 3 5 ) 然后进行f f t 变换后，第m 个符号的第k 个子载波上的信号为 第三章s c f d m a 上行链路快速时变信道估计 1 5 r n r ( m ，七) = ( 掰，k ) s ( m ，七) + 日( 掰，kg s ( m ，七弦7 2 州。w d + 罗( 所，七! ( 3 - 6 ) ：三7 等效面磊噪声 i t t 。 _ h 日月l ，_ 其中，式( 3 6 ) 式中第二项就是因为信道变化带来的i c i 。根据信道的统计特性可 以得到莱斯信道下平均i c i 功率，可以用式( 3 7 ) 计算， = 1 n o f - - 1 + 万4n 刍d - 1 c d p ) 【厶c 2 万乃p z ，坛】蒿1 c d - q ) e o s ( 每孑 c 3 忉 2 ( 日+ 胡) ( ( h + 埘) s + 形) ( 3 1 0 ) 一一2 丽1 丽p 1 1 ) 16 高速移动环境下的s c f d m a 上行链路关键技术研究 刻或子载波( 子信道) 上的信道传输系数，然后根据某种信道估计算法获得非训 练序列所在时刻或子载波上的信道传输系数。本章主要研究如何根据训练序列所 在时刻或子载波上的信道传输系数获得非训练序列所在时刻或子载波上的信道传 输系数。 图3 3i c i 功率随列车速度变化曲线 图3 4 系统信干噪比随信道变化量变化曲线 第三章s c f d m a 上行链路快速时变信道估计 17 目前国内外对常用的多载波o f d m 系统的信道估计进行了深入的研究，并且 发表大量文献资料，提出了繁多的信道估计算法，也形成了多载波信道估计算法 的基本体系，成为后续算法研究的理论基础。但是针对s c f d m a 的信道估计的 文献很少，另外已有文献针对低速通信环境下信道估计研究的较多，而对高速通 信环境下信道估计的研究很少。这里主要对常用的信道估计算法进行了研究，并 提出了适合高速移动下的s c f d m a 上行通信系统的高精度信道估计算法。 下面对已有的常用信道估计方法进行了分析仿真，考察其在高铁移动通信环 境s c f d m a 上行链路中的性能。文献【4 】- 1 2 1 对实现简单的插值信道估计算法进 行了研究；文献【1 3 】- 【1 8 】研究了基于时域频域信道相关性的二维m m s e ( 以下称 2 m m s e ) 算法；文献 1 9 】多项式拟合；文献 2 0 1 【2 2 】基于判决数据的信道估计算法。 但是这些现有的算法，都是根据信道时域和频域的相关性工作的，对慢时变信道 都有良好的性能，但是随着收发两端相对速度的增加，系统多普勒效应的增强， 信道变化逐渐加快，导致信道的时域和频域相关性都有所减弱，导致这些现有算 法性能恶化，不能保证通信的正常进行，所以在高速移动环境下，需要寻找新的 信道估计算法来适应快速时变信道的信道估计。 3 3 基于插值的信道算法 基于插值的算法以其计算复杂度很小、实现简单等优势，在信道估计中经常 被采用。但是基于插值的算法的性能取决于两个方面：一是导频插入的数量和方 法，一般情况下插入导频数量越多，插入导频越均匀，信道估计性能越好；二是 采用的插值方法，通常情况下插值算法阶数越高，其性能越好，文献 4 8 给出了 常数插值、线性插值、高斯插值和改进的内插方法。 3 3 1 基本插值算法 常值插值算法 4 】 7 】 8 】，即用导频符号上信道传输系数近似代替数据符号上信 道传输系数的一种方法，即数据符号上信道传输系数 ( 后) = ( 七)( 3 1 2 ) 线性插值 5 7 1 1 8 是利用前后相邻导频符号上的信道传输系数通过线性计算 来近似其中间数据符号上的信道传输系数。 ( 七) = ( 七) + a ( ( 七) 一( 砌口= r o d ( r a p l 一m p o ) ( 3 - 1 3 ) 高斯插值算法【6 【7 】 8 】，也叫二次插值法，即利用相邻的三个导频符号上的信 道传输系数经过线性组合来近似其间数据符号上的信道传输系数。 ( 后) = 口。( 七) + 卢( k ) + ) ，( 七) ) ( 3 1 4 ) 18高速移动环境下的s c f d m a 上行链路关键技术研究 根据图2 9 我们可以看到，t d d l t e 上行s c f d m a 系统采用的是与数据符号时 分复用的块状导频，并且是在一个子帧1 4 个符号的第4 个和第11 个符号插入了两个 导频符号，这就导致我们无法使用高斯插值算法。另一方面，这种导频符号放置 方法有悖于导频符号的放置原则尽量让一帧中的第一个符号和最后个符号 包含导频符号必须采用组合的插值方法，即两导频符号中间的数据符号上的 信道传输系数可有两导频符号上的信道传输系数进行线性插值得到，而两导频符 号两端的数据符号只能采用常值插值算法用距其最近的导频符号上的信道传输系 数来近似，如图3 5 所示。 参考符号1 参考符号2 一鸺c - f d m a 子帧( 1 m s ) 图3 5s c f d m a 子帧基于插值信道估计算法示意图 从上面分析，对于缓慢变化的时变信道，信道的时间相关性很强，利用插值 算法会得到很好的性能，但是在快变信道中，信道变化很快，导频序列符号上估 计的信道值在很短时间内就过期了，这就导致在s c f d m a 上行链路中信道估计精 度很差。 3 3 2 改进插值算法 文献【9 】针对基于内插算法对o f d m 信道估计技术进行了研究，并分析了时域 和频域的限制条件，并且给出了最佳传输设计。另外，文献 1 0 】 1 1 】针对频域平坦 衰落信道对插值信道估计算法进行了研究。文献【1 2 】根据文献 9 】- 1 1 】的算法，采用 内插的方法来提出一个新的频域信道估计算法，可以用于时交信道和频率选择性 衰落信道。这个新的算法采用的帧结构必须包含一个训练序列符号块和多个数据 序列符号块，如图3 6 所示。从图3 6 上可以看出，采用了块状训练序列符号，而 且训练序列符号块将用于估计训练符号块上的信道传输系数。数据块上的衰落信 道传输系数利用当前帧中的训练序列符号块和下一帧中的训练序列符号块上的信 道传输系数内插得到。另外，噪声方差在训练序列符号块中也要估计出来。信道 均衡利用估计出的信道传输系数和噪声方差在频域进行。这种估计方法和文献 1 0 11 】中时域内插方法类似，但不同的是该方法内插是在频域内进行的，而且可 以用于快速时变信道中。 文献【1 2 采用的系统模型是一个发射天线和m 个接收天线的s i m o 系统，如 图3 7 。该文献给出了两种估计器，即l s 频域信道估计器和m m s e 频域信道估计 器。 第三章s c f d m a 上行链路快速时变信道估计 1 9 和导频 7 7 ， 、 、 ， 图3 6o f d m 帧结构 t 信道j l 估计i 图3 7s i m o o f d m 系统模型 1 ) l s 频域信道估计器 对于训练数据块，如果发送信号x l ( k ) 和接收信号k ，( 七) 已知，则频域信道传输 方程q 。( j | ) 可以表示为 叫) = 鬻刈聃型x l ( k ) ，2 ， ( 3 - 1 5 ) 并且文献提出可以利用最简单的方法一变换域的方法进行降噪，即将训练 符号上频域信道系数经过i f f t 转换到时域，并且将时域超出信道长度三的噪声项 强迫置零，再利用f f t 变回频域。降噪后可以表示为 宣一栌叫) + 鬻k = 1 , 2 , - - - , ( 3 - 1 6 ) 同理，下一帧降噪后，训练符号块上的信道传输系数可以表示为 瓦“) = 卅( 卅筹 h ，2 ， ( 3 - 1 7 ) 定义：p 胛( 七) = 囊。( 七) 丸“，( 七) 丁，q ，( j | i ) 为内插向量，则第p 个符号上的 内插结果为 日m ( 七) = c ( 后) i m ( 后) p = 1 ，2 ，6 ( 3 1 8 ) 其中g ，( 七) 的最佳取值为 2 0 高速移动环境下的s c f d m a 上行链路关键技术研究 q 。( 七) = s ，。( 七) 蝣( 七) 屯( 七) 掣( 七) ) - 1 = s 以，。( 七) 珥，。( 七) 扣 砟，( 七) 瓯扎。( 七) 犯艚) | 2 + 诵o 2 l s 帅( 七) q 。( 七) 2 ) m m s e 频域信j 苴估计 同理，可以得到训练符号块上信道传输系数为 嗣。c 七，= 鬻= f 熹 着当兰三了q 。c 七，+ 器 利用同样的方法降噪后可以表示为 反，。c 七，= 器= f 甚宅凳着；兰三了q ，。c 七，+ 鬻 定义k 。( 七) = e 。( 七) 瓦“。( 七) 7 ，c 一( p ，m ，七) 为内插向量，则 或。( 后) = c 删。( p ，m ，后) 丸m e ( 后) 其中，最佳的c 舢。( p ，m ，七) 可以表示为； c e ( p ，聊，七) = s ，。( 七) 或。( j j ) 卅 。( 七) 眠。e ( 七) 1 = 嚆簪舶咄) 小触) 犯胎) | 2 ) + 赫 s 扎。( 七) 反。( 七) ) 铷：器1 s 峨枷c 尼) 1 2 ) + 志i 则，最佳的内插结果为： 也。( 炉 s 以，。( 七) q 。( 七) 扣 以。( 七) 瓦扎。( | j ) 啦撕) 1 2 ) + 赢 s 月k “。( 七) e ，( 七) ) ( 3 - 1 9 ) ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) ) + 鬻 + 鬻 ( 3 2 4 ) 3 ) 简化的l s 频域估计算法 文献中指出可以证明，l s 和m m s e 的频域估计方法是等价的，但是l s 的计 算复杂度远小于m m s e 的计算复杂度。但是为了进一步简化的瑞利信道l s 频域 信道估计，文献【9 】对内插向量进行了进一步简化 。，-_ 心吖一“叫盟m 枷 一咿 研 一 日 ，【 r j 形 础 叫1一圹 皓屯一触 矿一五 m 一川 岍 一驯 。 + 日外， 、，ji? 且 p 日 第三章s c f d m a 上行链路快速时变信道估计 2 1 q ( 七) = 厶j 【2 0 石 2 石n r 。f 6 a ( p + - 。一1 ) t p b ， 瓦】 r l + 三 脱( 七) 厶( 2 t g f a n o t b ) ( 3 - 2 5 ) 肌) = 莩l 莩lq ，：o x p 丝峄螋 ( 3 - 2 6 ) 其中，石为多普勒频移，并且文献 1 0 中给出了q b 的计算方