（通信与信息系统专业论文）tdlte系统中最大doppler频偏估计及doppler分集算法的研究.pdf

u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y o fc h i n a ad i s s e r t a t i o nf o rm a s t e r sd e g r e e r e s e a r c ho nm a x i mum d o p p l e r s h i f te s t i m a t i o na n dd o p p l e r d i v e r s i t ya l g o r i t h m i nt d i l t e a u t h o r sn a m e ：l i a n g c h e n s p e c i a l i t y ： c o m m u n i c a t i o n sa n di n f o r m a t i o ns y s t e m s s u p e r v i s o r ：p r o f x i a o w e n l i a n g f i n i s h e dt i m e ：m a y , 2 0 12 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作者签名：懈签字日期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 ， 仞公开口保密( 年) 作者签名：堕圭 签字日期： 型兰：坚：! 兰 导师签名： 疮玺 签字日期：逝丝：垒：丞 摘要 摘要 近年来，随着无线通信技术的迅速发展，在高速移动环境下获得高数据传 输率的要求迫在眉睫；同时，随着第四代无线通信系统t d l t e 的标准化及 t d l t e 系统中m i m o o f d m 技术的使用，这一要求的实现成为可能。但是， 由于高移动性产生的多普勒频偏及多普勒扩展问题没能够得到很好的解决，因 此t d l t e 系统中最大多普勒频偏估计技术和多普勒分集技术成为了目前研究 的热点问题。 本文首先对近年来最大多普勒频偏估计技术和多普勒分集技术的相关文献 进行了总结、分析，给出了各种经典的最大多普勒频偏估计算法及多普勒分集 算法的性能比较。 其次，本文详细研究了最大多普勒频偏估计问题，对现有的自相关最大多 普勒频偏估计算法进行了改进，使得自相关最大多普勒频偏估计算法适用于 m i m o o f d m 系统。根据改进结果，本文针对t d l t e 系统提出了一种联合的 最大多普勒频偏估计算法。本算法首先利用归一化接收功率标准差对最大多普 勒频偏进行粗估计，然后根据粗估计值选择不同的自相关最大多普勒频偏估计 算法进行精确的最大多普勒频偏估计( 时域自相关最大多普勒频偏估计算法或 频域自相关最大多普勒频偏估计算法) 。仿真结果表明，相比于单一的自相关最 大多普勒频偏估计算法，使用联合的最大多普勒频偏估计算法可以使得最大多 普勒频偏的估计精度有较大的提升。 再次，本文针对t d l t e 系统，提出了一种方阵范德蒙预编码算法来获得 系统的多普勒分集增益。该算法与传统的多普勒分集算法不同，它并没有改变 发射机或者接收机的结构，但节约了系统的成本。同时，本文给出了方阵范德 蒙预编码方式获得最大多普勒分集增益的条件，并以最大化编码增益为前提给 出了方阵范德蒙预编码的具体形式。仿真结果表明，本文提出的方阵范德蒙预 编码方式不仅降低了系统的冗余性，并且比传统多普勒预编码方式获得了更多 的编码增益。 最后，为了进一步提高3 i ) - l t e 系统的性能，论文提出了一种冗余编码映 射的策略。由于t d l t e 系统采用了t u r b o 冗余编码，所以码字中含有校验比 特，这些校验比特与原始比特含有相同的信息。基于这一点，本文通过一定的 映射原则，使得码字中相关的比特映射到不同的资源块上，从而达到进一步提 高系统性能的目的。 关键词：t d l t e 系统，最大多普勒频偏，多普勒预编码，冗余编码映射 摘要 i i a b s ，i b a c t a b s t b a c t n o w a d a y s ，谢mt h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m t m i c a t i o nt e c h n o l o g y , h i 曲e rd a t ar a t ai sr e q u i r e du r g e n t l yi nf a s tm o v i n ge n v i r o n m e n t a tt h es a m et i m e ， a sar e s u l to ft h es t a n d a r d i z a t i o no ft d l t es y s t e ma n dt h ea p p l i c a t i o no f m i m o - o f d mt e c h n o l o g y , i ti sp o s s i b l et os a t i s f yt h i sr e q u i r e m e n t h o w e v e r , t h e p r o b l e m so fd o p p l e rs h i f ta n dd o p p l e rs p r e a dp r o d u c e db yf a s tm o v i n gh a v en o t b e e nr e s o l v e dp e r f e c f l y f , s ot h em a x i m u md o p p l e rs h i f te s t i m a t i o nt e c h n o l o g ya n d t h ed o p p l e rd i v e r s i t yt e c h n o l o g yh a v eb e e nt h eh o t s p o ti nt d - l t es y s t e mn o w f i r s t l y , l o t so fl i t e r a t u r e sa b o u tt h em a x i m u md o p p l e rs h i f te s t i m a t i o n t e c h n o l o g ya n dt h ed o p p l e rd i v e r s i t yt e c h n o l o g ya r es u m m a r i z e da n da n a l y z e d ，t h e n t h er e s u l t so ft h ec o m p a r i s o na b o u ta d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fc l a s s i c m a x i m u m d o p p l e rs h i f te s t i m a t i o na l g o r i t h m sa n dd o p p l e rd i v e r s i t ya l g o r i t h m sa r e g i v e n s e c o n d l y , t h ee s t i m a t i o na l g o r i t h m so fm a x i m u md o p p l e rs h i f ta r es t u d i e di n t h i st h e s i sc o m p l e t e l y i no r d e rt ob eu s e di nm i m o o f d ms y s t e m ，t h ee x i s t i n g a u t o c o r r e l a t i o nm a x i m u md o p p l e rs h i f te s t i m a t i o na l g o r i t h mh a sb e e ni m p r o v e d t h e n ，a c c o r d i n gt ot h e f e a t u r e so ft d l t es y s t e ma n dt h er e s u l t so fi m p r o v e d a l g o r i t h m ，ac o m b i n e dm a x i m u md o p p l e rs h i f te s t i m a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e d i n t h i sn o v e la l g o r i t h m , t h en o r m a l i z e ds t a n d a r dd e v i a t i o no fr e c e i v e ds i g n a lp o w e ri s u s e dt og e tt h er o u g hv a l u eo fm a x i m u md o p p l e rs h i f ta n dm e nb a s e do nt h er o u g h v a l u e , t h ed i f f e r e n ta u t o c o r r e l a t i o nm a x i m u md o p p l e rs h i f te s t i m a t i o na l g o r i t h m s a r es e l e c t e dt oo b t a i nt h ep r e c i s em a x i m u md o p p l e rs h i f t ( t h et i m ed o m a i n a u t o - c o r r e l a t i o nm a x i m u md o p p l e rs h i re s t i m a t i o na l g o r i t h mo rt h ef r e q u e n c y d o m a i na u t o c o r r e l a t i o nm a x i m u md o p p l e rs h i f te s t i m a t i o n a l g o r i t h m ) t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m b i n e dm a x i m u md o p p l e rs h i f te s t i m a t i o n a l g o r i t h mh a sab e t t e re s t i m a t i o na c c u r a c yc o m p a r e d 、7 i r i mt h es i n g l ea u t o - c o r r e l a t i o n m a x i m u md o p p l e rs h i f te s t i m a t i o na l g o r i t h m t h i r d l y , f o rt d l t es y s t e m ，w ep r o p o s eas q u a r ev a n d e r m o n d ep r e c o d i n g a l g o r i t h mt oo b t a i nt h es y s t e m sd o p p l e rd i v e r s i t yg a i n t h i sa l g o r i t h mi sd i f f e r e n t f r o mt h et r a d i t i o n a ld o p p l e rd i v e r s i t ya l g o r i t h m i td o e sn o tc h a n g et h es t r u c t u r eo f t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r , r e d u c i n gt h es y s t e mc o s t a tt h es a m et i m e ，f o rt h es q u a r e v a n d e r m o n d ep r e e o d i n g , w eg i v et h ec o n d i t i o nf o rm a x i m u md i v e r s i t yg a i 玛a n dt h e t t t a b s 。n a c t s p e c i f i cf o r mo fs q u a r ev a n d e r m o n d ep r e c e d i n gi sd e t e r m i n e db ym a x i m i z i n gt h e c o d i n gg a i n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ed o p p l e rp r e c e d i n ga l g o r i t h mw e p r o p o s e dr e d u c e st h es y s t e mr e d u n d a n c y a l s oc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ld o p p l e r p r e c e d i n ga l g o r i t h m s ，t h ed o p p l e rp r e c e d i n ga l g o r i t h mw ep r o p o s e dc a no b t a i n m u c hm o r ec o d i n gg a i n f i n a l l y , w ep r o p o s ear e d u n d a n tc o d i n gm a p p i n gs t r a t e g y i nt d l t es y s t e m ， t l l r b oc o d i n gi su s e dw h i c hc o n t a i n sp a r i t yb i t s t h ep a r i t yb i t sc o n t a i nt h es a m f i i n f o r m a t i o na so r i g i n a lb i t s ，s ot h ec o r r e l a t i v eb i t sc a nb em a p p e di n t od i f f e r e n t r e s o u r c eb l o c k st oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo ft d l t es y s t e m k e yw o r d s ：t d l t es y s t e m ，m a x i m u md o p p l e rs h i f t ，d o p p l e rp r e c e d i n g ， r e d u n d a n tc o d i n gm a p p i n g 目录 目录 摘要，i a b s t b a c t i 目录v 第一章绪论1 1 1 移动通信技术及t d l t e 系统发展历史1 1 2 研究背景及研究内容2 1 3 国内外研究情况和发展趋势3 1 4 英文缩写及符号说明5 1 5 论文结构一5 第二章t d l t e 系统中的关键技术7 2 1 时分双工技术7 2 2o f d m 技术9 2 2 1 子载波调制9 2 2 2 循环前缀1 0 2 2 3o f d m 技术的优缺点1 l 2 2 4o f d m 在t d l t e 系统中的应用1 2 2 3m i m o 多天线技术1 2 2 3 1 传输分集一1 3 2 3 2 空分复用1 3 2 4 小结一1 4 第三章t d l t e 系统中最大多普勒频偏估计算法1 5 3 1 多普勒频偏的定义及其影响1 5 3 2 最大多普勒频偏的估计方法1 6 3 2 1 电平通过率法1 6 v 目录 3 2 2 协方差法1 7 3 2 3 自相关法1 8 3 3 t d l y e 系统中最大多普勒频偏估计算法1 9 3 3 1 系统模型1 9 3 3 2t d - l t e 系统下的时域自相关法2 0 3 3 3t d - l t e 系统下的频域自相关法2 2 3 3 4t d - l t e 系统下的联合估计算法2 4 3 3 5 算法性能分析2 6 3 4 小结2 9 第四章t d l t e 系统中多普勒分集算法3 1 4 1 多普勒分集算法分类3 1 4 1 1 基于发射机结构的多普勒分集技术3 1 4 1 2 基于接收机结构的多普勒分集技术3 3 4 1 3 基于预编码的多普勒分集技术3 6 4 2 多普勒预编码矩阵的分类3 7 4 2 1 高范德蒙预编码矩阵3 7 4 2 2 方阵范德蒙预编码矩阵3 8 4 3 t d l t e 系统下基于预编码的多普勒分集技术3 9 4 。3 。1 系统模型3 9 4 3 2 最大多普勒分集增益获得条件4 l 4 3 3 非冗余多普勒预编码的形式4 2 4 3 4 算法性能分析4 5 4 4 t d l t e 系统下的冗余编码映射策略4 6 4 5 小结4 8 第五章结束语j 4 9 5 1 本文工作总结4 9 5 2 未来工作展望一5 0 参考文献。5 1 致谢5 5 v i 目录 在读期间发表的学术论文与取得的其他科研成果5 7 v l l 目录 v i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 移动通信技术及t d l t e 系统发展历史 在马可尼发明了无线电，并且使用电磁波进行无线通信的实验获得成功之 后，人类社会正式步入了移动通信的时代。到目前为止，移动通信系统经历了 四代的发展，系统类型由模拟系统转变到了数字系统，承载的业务也从语音业 务发展到了数据业务。 第一代蜂窝移动通信系统产生于集成电路大规模迅速发展的背景下，采用 了模拟调制技术及频分多址技术。对于第一代的蜂窝移动通信系统，其最大的 缺点就是进行通信的范围受到限制，不能实现跨地域通信。另一方面，第一代 蜂窝移动通信系统在保证个人服务的私密性方面存在较大的缺陷。 不同于第一代蜂窝移动通信系统的模拟调制技术，第二代蜂窝移动通信系 统采用了数字调制技术。对于第二代蜂窝移动通信系统，目前商用最成功的两 个系统分别为欧洲的采用时分多址技术( t d m a ) 的g s m 系统( g l o b a ls y s t e m f o rm o b f i ec o m m u n i c a t i o n s ) 和美国的采用码分多址技术( c d m a ) 的i s 9 5 系 统。同时，到了第二代蜂窝移动通信系统发展的中后期，为了满足人们对数据 业务的需求，提出了g p r s 技术( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 。但是对于包含 g p r s 技术的第二代蜂窝移动通信系统，其缺点为在同一时刻不能够同时传输 数据业务和语音业务。 第三代蜂窝移动通信系统在多址技术方面都采用了c d m a 码分多址技术。 目前已经标准化的技术有：w c d m a 技术、c d m a 2 0 0 0 技术及t d s c d m a 技 术。第三代蜂窝移动通信系统与第二代蜂窝移动通信系统的区别在于它提供了 更高的语音及数据速率，更好地实现了全球范围内的移动通信。另一方面，由 于都采用了码分多址技术，使得第三代蜂窝移动通信技术之间有较好的兼容性。 目前，以3 g p p 标准化组织提出的l t e 技术在第四代移动通信系统已经成 为了移动通信的研究主流方向。 2 0 0 4 年，在多伦多举行的r a n 未来演进研讨会上，3 g p p 提出了启动l t e 工作的决议【2 j 。目前，l t e 物理层协议已经基本完成，高层、接口协议也已经 成形。在物理层协议制定过程中，正交频分复用技术( o f d m ) 、多输入多输出 技术( m i m o ) 、高阶调制技术( 6 4 q a m ) 都受到了广泛的关注。 同时，3 g p p 为了实现与t d d 技术的融合，衍生出了t d l t e 技术，也是 l t e 中唯一采取t d d 的技术，在t d l t e 帧结构的制定过程中，3 g p p 融合了 第一章绪论 我国提出的t d s c d m a 的帧结构【l 】。 在t d l t e 商用的过程中，我国也做出了卓越的贡献。在上海、杭州、南 京、广州、深圳、厦门六城市设置的核心网和无线网已经基本建成，各类基于 t d l t e 的应用发展也非常迅速，由中国移动建设的t d l t e 系统在上海世博会 和广州亚运会上得到了广泛的关注，基于t d l t e 的各项通信技术大量运用到 了大运会的电视直播上【2 】。 可以看出，不管是从技术层面上还是社会发展需求的层面上看，t d l t e 成为当代无线通信的主流技术已经是不争的事实，解决t d l t e 技术中的一些 热点问题也成为了目前学术界的研究重点。 1 2 研究背景及研究内容 由于t d l t e 系统要满足高数据速率及高速移动性的要求，所以t d l t e 系统中多普勒问题的研究至关重要。如图1 1 所示，当基站和移动台有相对运 动时，就会首先产生多普勒频偏；同时由于无线信道的多径特性，多普勒频偏 被展宽形成一段频谱，产生多普勒扩展。由于t d l t e 系统中的o f d m 技术对 频偏敏感，因此，如何获得准确的最大多普勒频偏、改善系统中存在的多普勒 扩展现象成为了本文研究的焦点。 多 普 勒 效 应 厂一! 三一一 多普勒频移h 多普勒频移估计 多普勒扩展 多普勒分集 冗余编码映射 图1 1 有关多普勒效应的研究内容 虽然t d - l t e 系统已经成为第四代无线通信的标准，但是针对该系统所 使用的m i m o o f d m 技术的最大多普勒频偏测量方法并不丰富。现有的大多 数多普勒频偏测量技术都是针对单天线系统的，不能直接应用于t d - l t e 多 天线系统，因此需要对这些方法进行改进，使其适用于t d l t e 系统。同时， 改进的最大多普勒频偏测量技术还必须满足低复杂度、高估计精度、可实现 2 垂 iilii 第一章绪论 性等要求。 另一方面，在解决多普勒扩展问题的研究中，传统方法的主流方向是通 过改变发射机或者接收机结构来解决多普勒扩展问题，实现的复杂度比较高。 近年来，一种新兴的多普勒分集技术被提出，该方法旨在通过预编码技术， 将多普勒扩展作为频域分集资源加以利用，将不利因素变为有利因素，同时 提高了系统的性能。在此基础上，为了进一步利用由多普勒扩展带来的频域 资源，本文对现有的t d l t e 系统的冗余编码方案、资源映射规则进行了改 进，以获得更高的系统性能。因此，在t d l t e 系统中，获得最大多普勒分 集增益的条件、多普勒预编码矩阵具体的表示形式以及冗余编码映射策略是 本文的研究重点之一。 1 3 国内外研究情况和发展趋势 在最大多普勒频偏估计算法的研究中，目前比较经典的算法包括电平通 过率法( l c r ) 、协方差法( c o y ) 和自相关法( a f c ) 。 对于电平通过率法，文献 1 0 】给出了运用电平通过率获得最大多普勒频偏 的基本算法；文献【7 】给出了一种抑制估计过程中系统噪声的电平通过率估计 算法；文献【8 】给出了一种联合一阶自回归滤波的电平通过率估计算法；文献 f 1 1 贝j j 给出了电平通过率估计算法中的一种特殊的情况零电平通过率法 ( z c r ) ，它将参考电平设置为信号包络的均值。总的来说，l c r 算法必须进 行与传输损耗有关的信号平均功率的估计，估计起来比较困难，估计精度也 差，而其中的z c r 方法还需要进行同相分量和正交分量的相干检测【3 1 1 。 对于协方差估计算法( c o v ) ，文献【1 2 】给出了基于协方差进行估计的基 本算法，并具体分析了瑞利衰落信道和r i e i a n 衰落信道下算法的具体实现方 式；文献【1 3 】给出了恒定功率传输和闭环功率控制传输下协方差估计算法的运 用方式，并分析了各种移动速度、估计时延和信干噪比下的算法估计性能。 总的来说，这一类估计方法都对噪声敏感且实现复杂【3 1 1 。 对于自相关估计算法( a f c ) ，文献 1 4 】给出了o f d m 系统中基于循环前 缀的估计方法，并分析了第一类零阶b e s s e l 函数对估计性能的影响：文献 1 8 】 对自相关算法进行改进，使得该算法避免了对第一类零阶b e s s e l 函数的计算， 减低了算法的复杂度。总的来说，该算法主要是利用了信道的相关特性进行 最大多普勒频偏的估计，相比较于前面的方法，该方法不受系统所采用的技 术限制并且有比较高的估计精度。 另外，关于最大多普勒频偏的估计方法，还有文献 2 5 】提出的基于变换域 第一章绪论 的最大多普勒频偏估计算法，文献【2 6 】提出的基于小波变换的最大多普勒频偏 估计算法。近年来，更有人提出了基于信道高阶矩的最大多普勒频偏估计算 法【2 l 】。 在t d l t e 系统中，由于采用了m i m o o f d m 技术，使得在该系统中的 最大多普勒频偏估计技术更为复杂。在现有的最大多普勒频偏估计算法中， 由于自相关最大多普勒频偏估计算法只与信道的特性有关，将其植入到 t d l t e 系统中具有更高的可操作性。目前，自相关最大多普勒频偏估计技术 主要有以下两种：时域自相关最大多普勒频偏估计算法和频域自相关最大多 普勒频偏估计算法。对于采用o f d m 技术的系统，时域自相关最大多普勒频 偏估计算法是通过循环前缀来完成的，由于部分循环前缀受到了符号间干扰 的影响，因而会给估计带来误差；而频域自相关最大多普勒频偏估计算法在 高速移动的环境下受子载波干扰的影响严重，因此在高速环境下频域自相关 最大多普勒频偏估计算法的估计精度会受到影响。 在多普勒分集算法的研究中，目前比较经典的算法包括两大类，第一类 为基于系统结构的多普勒分集算法，第二类为基于预编码方式的多普勒分集 算法。 对于基于系统结构的多普勒分集算法，文献 3 2 】 3 3 】给出了两种基于发射 机结构的多普勒分集算法，其构建的本质在于扩大多普勒频谱来获得更多的 信道时间选择性，从而获得更好的差错分布；文献【3 4 】 3 5 】 3 9 】给出了三种用 于获得多普勒分集的接收机结构；文献【3 6 】【4 0 】对文献 3 5 】提出的接收机结构 进行了改进，简化了接收机结构。总的来说，采用基于系统结构的多普勒分 集算法会大大增加系统实现的复杂度，并且不可能获得最大的多普勒分集增 益。 对于基于预编码方式的多普勒分集算法，文献【3 7 】给出了基于预编码方式 的多普勒分集算法的系统结构、增益获得的条件及高范德蒙预编码和方阵范 德蒙预编码两种经典的预编码方式；文献 4 2 】提出了一种差分多普勒预编码的 方案；文献 蜘给出了一种联合空时预编码的多普勒编码构造方式。总的来说， 这类方法只要构建的预编码矩阵合理就能够获得最大多普勒分集增益，比第 一类方法容易实现。 在t d l t e 系统中采用两种经典的预编码方式：高范德蒙预编码和方阵 范德蒙预编码来获得最大多普勒分集增益都是可行的，但两种编码方式都存 在一定缺陷。由于高范德蒙预编码不是方阵形式，所以效率不高，会有冗余； 而方阵范德蒙预编码依赖于编码调制方式，不是所有的调制方式都能够使系 统达到最大的多普勒分集增益。因此需要提出适用于t d l t e 的高效率、简 4 第一章绪论 单的编码方式。 1 4 英文缩写及符号说明 对于本文提及的英文缩写，其对应的英文及中文全称如下表所示。 表1 1 英文缩写对照表 漂麓黼黧麓纛鬻鬻缀鬻瓣黼鬻鬻黉缓瀚缫鬻震缓凝蘸 l t e l o n gt e r me v o l u t i o n 长期演进系统 m i m o m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 多输2 , 2 输出 s i s 0 s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t 单输入单输出 o f d m o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 正交频分复用 t d dt i m ed i v i s i o nd u p l e 时分双工 s n r s i g n a lt on o i s er a t i o 信噪比 p e pp a i re r r o rp r o b a b i l i t y 成对差错概率 b e rb i te r r o rr a t e 误比特率 i c ii n t e rc a r r i e ri n t e r f e r e n c e 载波间干扰 在本论文中所采用的符号含义如下：矩阵和向量用粗体字母( 例如：x ) 表示，一般的变量则用斜体字母表示( 例如：x ) 。另外，本文中的一些数学运 算符号的定义如下：e ( ) 代表数学期望；厶( ) 代表第一类零阶b e s s e l 函数； p ( ) 代表概率函数；d 2 ( ) 代表欧式几何距离；，代表f r o b e n i u s 范数；代 表向量的范数；( y 代表矩阵的转置；( 丫代表矩阵的共轭；( ) 爿代表矩阵的 共轭转置；r _ ) c 表示取不小于x 的最小整数；f r ( 0 代表矩阵的迹。 1 5 论文结构 本文聚焦于由高速移动带来的多普勒效应对t d l t e 系统的影响以及相 应的改善多普勒效应的策略，提出了一种新的最大多普勒频偏测量技术、多 普勒分集技术及冗余编码映射策略。文章具体的内容安排如下： 第一章介绍了移动通信技术及t d l t e 系统发展趋势、研究背景及研究 内容、国内外研究情况和发展趋势、论文结构、文中出现的符号和英文缩写 说明。 第二章介绍了t d l t e 系统中的关键技术，包括t d d 技术、m k m o 技术 及o f d m 技术。对于t d d 技术及o f d m 技术介绍了它们的概念、优缺点及 在t d l t e 系统中的实现方式；对于m i m o 技术给出了其容量表达式，介绍 5 第一章绪论 了m i m o 技术中两种传输策略：传输分集和空分复用。 第三章首先介绍了传统单天线系统下典型的最大多普勒频偏估计算法， 然后根据t d l t e 物理层系统模型，推导出了适合多天线系统的时域自相关 最大多普勒频偏估计算法和频域自相关最大多普勒频偏估计算法，并结合 t d l t e 系统的特性，给出了一种联合的估计算法，最后对上述的最大多普勒 估计算法进行了仿真验证。 第四章首先介绍了一些包括多普勒预编码在内的典型的多普勒分集算 法，并对其优缺点进行了分析。然后根据t d - l t e 系统模型，提出了一种新 的多普勒预编码构建方法，这种预编码方式不仅不依赖编码方式，而且是非 冗余的，同时保证系统有较高的编码增益。最后对这种预编码方式进行了仿 真验证。另一方面，为了进一步提高系统性能，提出了一种冗余编码映射策 略，同样通过仿真证明了其正确性。 第五章给出了本文的结论和进行后续研究的方向，包括t d l t e 系统中利 用高阶矩进行最大多普勒频偏测量的研究和关于本文所提出的多普勒预编码方 案的进二步优化。 6 第二章t d - l t e 系统中的关键技术 第二章t d l t e 系统中的关键技术 第四代无线通信系统t d l t e 在传输速率、频谱利用率等方面都有新的更高 的要求，为了满足系统在这些方面的要求，时分双工技术、o f d m 技术及m i m o 技术等一系列技术都被应用其中。 2 1 时分双工技术 在第三代无线通信系统中，对应于频分双工和时分双工两种方式，无线频谱 资源被划分为成对频谱和非成对频谱。3 g p p 标准化组织提出的l t e 项目是对第 三代无线通信系统的长期演进，在双工方式的选择方面，l t e 系统既支持了频分 双工方式，还支持了时分双工方式，l t e 系统还考虑支持半双工频分双工方式【1 1 。 在移动通信系统中，如果上行链路和下行链路上数据的传输使用相同的频 带，而上、下行链路的数据的区别是通过时间来完成的，这种数据传输方式称为 时分双工；如果上行链路和下行链路上数据的传输使用不同的频带，同时在上、 下行频带间加入一定的保护间隔，这种数据传输方式称为频分双工。两种双工方 式的区别如下： 对频谱的使用方式不同：时分双工只要一个频带，频分双i n 需要使用具有 保护间隔的两个成对的频带： 采用的射频收发设备的结构不同：时分双工的收发设备要进行收发转换，且 转换次数频繁；频分双工的收发设备要添加额外的滤波器用来区分发送和接收信 号； 上、下行无线资源分配方式不同：时分双工对上、下行信道资源分配的度量 是时间间隔，频分双工对上、下行信道资源分配的度量则是频带； 信道对称性不同：时分双工技术是在同一频带内的不同时隙上进行上、下行 数据的传输，所有可以认为上、下行无线信道是可以等效的；而对于频分双工， 上、下行数据的传输使用的是具有保护间隔的两个不同的频带，所以上、下行信 道基本上是不相关的，即不对称； 物理信道连续性不同：时分双工情况下的物理传输信道被上、下行信号交替 隔开，因此物理信道不连续；而频分双工情况下的物理传输信道并没有被上、下 行信号所交替隔开，因此可以认为物理传输信道是连续的。 对于本文所采用的t d l t e 系统框架，它在双工方式上选择了时分双工。这 是因为时分双工进行数据传输时对于系统频谱的利用比较灵活，不需要使用成对 7 第二章t d l t e 系统中的关键技术 频谱【1 1 。同时，在上、下行链路无线资源的分配方面，时分双工方式可以通过简 单的改变上、下行数据所占的时隙来完成，因而时分双工技术更能适应现代移动 通信系统的业务需求。另一方面，由于时分双工技术可以认为上、下行无线信道 是等效的，因而能够更加简便的完成对于系统信号的测量、无线信道的估计等操 作。 在t d l t e 系统中，数据以帧的形式进行传输。时分双工模式的传输帧的结 构如图2 1 所示，每帧的持续时间为1 0 m s ，每个帧都包含两个半帧，由十个子 帧组成，每个子帧包含两个时隙，每个半帧都包含八个常规时隙和三个特殊时隙， 这三个特殊时隙分别为d w p t s 、g p 和u p p t s ，d w p t s 用于下行同步，u p p t s 用于上行同步，g p 是上行同步和下行同步的保护时间间隔，不能用于承载用户 数据，一个常规时隙的持续长度为0 s i n s ，d w p t s 、g p 和u p p t s 三个特殊时隙 加起来持续长度为l m s ，其中d w p t s 、u p p t s 两个时隙的持续长度是可配置的 【1 1 。 d w f r sg p u i _ f t s d w p t so p u p p t s 图2 1 时分双工模式的帧结构 t d l t e 所采用的时分双工技术具有两种上、下行子帧切换周期模式，分别 为5 m s 和l o i n s 切换周期模式。其中，子帧0 和子帧5 以及d w p t s 时隙只能用 于传输下行用户数据及控制数据，另外，在5 m s 上、下行子帧切换周期模式下， 子帧2 和子帧7 以及u p p t s 时隙只能用于传输上行用户数据及控制数据，在1 0 m s 上、下行子帧切换周期模式下，d w p t s 时隙在两个半帧中都是存在的，但是g p 时隙和u p p t s 时隙只存在于第一个半帧中，在第二个半帧中的d w p t s 时隙的 持续长度为l m s ，u p p t s 时隙和子帧2 只能用于传输上行用户数据及控制数据， 子帧7 和子帧9 只能用于传输下行用户数据及控制数据【1 1 。 基于上面的描述，t d l t e 系统采用时分双工模式时，上、下行数据在子帧 中的具体配置如表2 1 所示。 8 第二章t d - l t e 系统中的关键技术 表2 1 上下行子帧切换点配置 子帧号 配置切换周期 01234 5 6789 o5 m sdsuuu d suuu l 5 m sds uud dsuud 25 m sdsudddsu d d 31 0 m sdsuuuddddd 4 1 0 m s d s uud ddddd 51 0 m sdsud dddddd 61 0 m sdsuu udsuud 2 2o f d m 技术 o f d m 技术是传统频分复用技术的演进。传统的频分复用技术要求各个子 载波间必须保留有一定的间隔，以避免各个子载波间的相互干扰，这样一来就大 大降低了系统对于无线频谱的利用效率。为了解决这一问题，提出了o f d m 技 术。它不是通过在各个子载波间保留一定间隔来避免子载波间干扰，而是通过保 持子载波之间的正交性来避免子载波间的相互干扰。图2 2 示出了o f d m 技术 和传统频分复用技术的频带划分： 图2 2 两种复用技术的频带划分 o f d m 技术的调制是通过串并转换、子载波调制、并串转换、插入循环前 缀c p 来完成的。其中串并转换和并串转换的目的是为了更好的匹配子载波调 制过程，本文不加赘述，这里主要介绍子载波调制过程及循环前缀的插入方式。 2 2 1 子载波调制 对于o f d m 系统，假设其具有个子载波，其基带子载波可以表示为： 仍( f ) = p