（通信与信息系统专业论文）lte下行链路高速铁路应用场景中的抗多普勒技术.pdf

摘要 filflr l l l l r l l l f lrl i i f l llllllrllfrl r f r l r l l l p 19 5 8 5 3 1 与其它运输方式相比，高速铁路以其明显的优势，近年来得到了快速的发展。 然而，速度的提高对铁路移动通信系统提出了更高的要求，研究与其相适应的通 信技术成为一个重要课题。将m 下行应用于高速铁路环境时，由于列车高速移 动所产生的多普勒频移和多普勒扩展会导致o f d m 符号严重的子载波间干扰，从 而造成系统性能恶化，本文将研究l t e 下行高速铁路应用场景中的抗多普勒技术。 首先论述了l t e 的关键技术和下行物理层与抗多普勒相关的协议规范，用 m a t l a b 软件搭建了l t e 下行系统仿真平台。 在了解无线信道传输特性的基础上，接下来重点对高速铁路信道特点和建模方 法进行了研究，用m a t l a b 建立了高速铁路信道仿真模型，仿真表明，所建模型 统计特性与理论特性吻合地很好。 由于多普勒效应造成接收信号载波频率偏移，接收端需要进行载波同步来补 偿。在高速铁路环境下，由于信道呈现莱斯衰落，其直射径多普勒频移可认为在 l m s 内不变，若载波频率同步在一子帧内完成，则可以跟踪直射径多普勒频偏的变 化。先利用c p 进行多普勒频偏的快速粗捕获，再利用导频进行进一步的精估计， 频偏估计的均方误差曲线表明利用导频能达到更高的估计精度。 另方面，为了消除接收信号的多普勒扩展，文中使用了快速时变信道的估计 的方法，包含两个步骤。先利用l t e 下行的插入导频完成含导频符号持续时间中 心点的信道冲击响应估计，主要有l s 和m m s e 算法及其简化，从仿真结果看出， 在单径信道下简化算法的性能相同。为了跟踪信道变化，再利用信道的基扩展模 型对所有时间点的信道响应进行插值，把估计随时间变化的信道响应转化为估计 模型的系数常量。传统模型有c e b e m 模型及其修正模型。但这两个模型在莱斯 信道直射径多普勒频偏较大情况下应用时，由于之前的频偏恢复改变了所需估计 的信道特性，会引起原有的建模有失准确，于是提出了进一步的修正模型，使其 与频偏恢复后的信道特性相一致，从而使性能得到提高。得到信道响应矩阵后， 用迫零均衡或m m s e 均衡就可以恢复出发送信号。最后给出并分析了各种基扩展 模型信道估计性能的仿真结果和均衡后的误比特率仿真结果。 关键词：高速铁路多普勒频移多普勒扩展3 g p p 长期演进莱斯衰落快 速时变信道估计基扩展模型 a b s t r a c t a b s t r a c t c o m p a r e dw i t h o t h e r t r a n s p o r t a t i o nm o d e s ，h i g h - s p e e dr a i l w a y h a sb e e n d e v e l o p i n gr a p i d l yi nr e c e n ty e a r sf o ri t so b v i o u sa d v a n t a g e s h o w e v e r , i n c r e a s i n gt h e s p e e dp u t sf o r w a r dah i g h e rr e q u i r e m e n tt or a i l w a ym o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m c o n s e q u e n t l y , r e s e a r c h i n g s u i t a b l ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s h a sb e c o m ea n i m p o r t a n ti s s u e w h e na p p l y i n gl t ed o w n l i n kt oh i g h - s p e e dr a i l w a ye n v i r o n m e n t ，t h e d o p p l e rf r e q u e n c ys h i ra n dd o p p l e rs p r e a dg e n e r a t e db yt h eh i g hm o v i n gs p e e dm a y c a u s es e v e r ei c it oo f d ms y m b o l sa n dd e t e r i o r a t es y s t e mp e r f o r m a n c e t h et h e s i s f o c u s e so nt h ea n t i d o p p l e rt e c h n o l o g yo fl t ed o w n l i n ks y s t e mi nh i g h s p e e dr a i l w a y s c e n a r i o f i r s to fa l l ，t h ek e yt e c h n o l o g i e so fl t ea n dt h ed o w n l i n kp h y s i c a ll a y e rp r o t o c o l r e l a t e dt o a n t i - d o p p l e ra l g o r i t h m s a r ee x p a t i a t e d ，a n dt h e nl t ed o w n l i n ks y s t e m s i m u l a t i o np l a t f o r mi sb u i l tb ym a t l a bs o f t w a r e o nt h eb a s i so fr e s e a r c h e so nw i r e l e s sp r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ep a p e rl a y s s t r e s so nt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h em o d e l i n gm e t h o d so fh i g h s p e e dr a i l w a yc h a n n e l n e x t t h es i m u l a t i o nm o d e li sb u i l tb ym a t l a ba n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t a t i s t i c a l p r o p e r t i e so ft h em o d e lc a nf i tt h et h e o r e t i c a lc h a r a c t e r i s t i c sv e r yw e l l d u et ot h ec a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e to ft h er e c e i v e ds i g n a lc a u s e db yt h ed o p p l e r e f f e c t , t h er e c e i v e rm u s tp e r f o r mc a r r i e rf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nt or e s t o r et h e f r e q u e n c y i nh i g h s p e e dr a i l w a ys c e n a r i o ，s i n c et h ec h a n n e lp r e s e n t sr i c i a nf a d i n ga n d d o p p l e rf r e q u e n c ys h i f to ft h el o sp a t h c a l lb ec o n s i d e r e dc o n s t a n tw i t h i nlm s ，i f f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nc a nb ec o m p l e t e di nas u b - f r a m e ，i ti sp o s s i b l et ot r a c kt h e v a r i a t i o no ft h el o s p a t hd o p p l e rf r e q u e n c y c p i su t i l i z e dt oc a p t u r ed o p p l e rf r e q u e n c y s h i f tc o a r s e l yf i r s t ，a n dt h e np i l o t sa r eu s e dt oe s t i m a t ef u r t h e r t h em e a ns q u a r ee r r o r c u r v e so ff r e q u e n c ye s t i m a t i o ns h o wt h a tt h ep i l o tb a s e dm e t h o dc a na c h i e v eh i g h e r e s t i m a t i o na c c u r a c y o nt h eo t h e rh a n d ，i no r d e rt oe l i m i n a t ed o p p l e rs p r e a do ft h er e c e i v e ds i g n a l ，f a s t f a d i n gt i m e v a r y i n gc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d sw h i c hc o n t a i nt w os t e p sa r ea d o p t e d i nt h ef i r s ts t e p ，p i l o t si n s e r t e di nl t ed o w n l i n ks i g n a l sa r eu s e dt oe s t i m a t ec h a n n e l i m p u l s er e s p o n s ea tt h ec e n t e rt i m ep o i n to ft h ep i l o t sc o n t a i n i n go f d ms y m b o l d u r a t i o n t h e r ea r el sa n dm m s ea l g o r i t h m sa n dt h e i rs i m p l i f i c a t i o n s i m u l a t i o n r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep e r f o r m a n c e so fs i m p l i f i e da l g o r i t h m sa r et h es a m ei nas i n g l e a b s t r a c t p a t hc h a n n e l i nt h es e c o n ds t e p ，f o rt h ep u r p o s eo ft r a c k i n gt h ev a r y i n gc h a n n e l ，b a s i s e x p a n s i o nm o d e l sf i r eu s e dt oi n t e r p o l a t ec h a n n e li m p u l s er e s p o n s ef o re v e r yt i m ep o i n t ， c o n v e r t i n ge s t i m a t i o no f t h et i m ev a r y i n gc h a n n e lr e s p o n s ei n t ot h ec o n s t a n tc o e f f i c i e n t o ft h em o d e l t r a d i t i o n a im o d e l sa r ec e b e mm o d e ia n di t sm o d i f i c a t i o n h o w e v e r , w h e nt h et w om o d e l sa r ea p p l i e du n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h er i c i a nc h a n n e il o s p a t h h a sal a r g ed o p p l e rf r e q u e n c y , b e c a u s ec a r r i e rf r e q u e n c yr e c o v e r yp r e v i o u s l yw i l l c h a n g es p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec h a n n e lt ob ee s t i m a t e d ，m o d e l i n gm a yb e i n a c c u r a t e a n o t h e rf u r t h e rm o d i f i e dm o d e li sp r o p o s e d ，s ot h a tm o d e l i n gi sc o n s i s t e n t w i t ht h ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c sa f t e rf r e q u e n c yr e c o v e r ya n dt h ep e r f o r m a n c ei s i m p r o v e d a sl o n ga st h ec h a n n e lr e s p o n s em a t r i xb e i n go b t a i n e d ，z e r of o r c i n go r m m s ee q u a l i z a t i o ni su s e dt or e s t o r et h et r a n s m i t t e ds i g n a l f i n a l l y , m a t l a b s i m u l a t i o nr e s u l t so fc h a n n e le s t i m a t i o np e r f o r m a n c e su s i n gd i f f e r e n tb e m sa n db i t e r r o rr a t er e s u l t sa f t e re q u a l i z a t i o na r eg i v e na n da n a l y z e d k e y w o r d s ：h i g h - s p e e dr a i l w a yd o p p l e rf r e q u e n c ys h i f t d o p p l e rs p r e a d 3 g p pl t er i c i a nf a d i n gf a s tf a d i n gt i m e v a r y i n gc h a n n e le s t i m a t i o n b a s i se x p a n s i o nm o d e l 第一章绪论 第一章绪论 自从1 8 9 5 年马可尼首次成功进行无线传输以来，无线通信以其特有的灵活性， 给人们的工作和生活带来了极大的方便。在短短的几十年中，无线通信技术迅猛 发展，无线通信系统经历了第一代第二代，完成了从模拟向数字的转变，当前第 三代( 3 g ) 系统已经大规模应用【1 1 。为了实现更高的通信速率，第三代合作伙伴计划 组织( 3 r ag e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ，3 g p p ) 在十几年超3 g ( b e y o n d3 g ) 技术储备 的基础上进行通用移动通信系统长期演进( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) 项目的研究 与标准化工作，该项目已经具备第四代( 4 g ) 通信技术的特征1 2 】。 近年来，高速铁路快速发展，由于铁路运输的传输要求以及为了实现真正意义 上的任何时间( a n y t i m e ) 、任何地点( a n y w h e r e ) 、向任何人( a n y b o d y ) 提供快速可靠 的通信服务，人们对高速可靠的无线传输的需要日益迫切。目前，高速铁路移动 通信已经成为各国竞相研究的课题。 l t e 系统具有较高的数据率、业务质量、灵活性、安全性、智能性，其下行链 路采用正交频分复用( 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 ，o f d m ) 作为关键 技术，非常适合高数据速率的传输要求。然而，在高速铁路移动环境下，多普勒 频移和多普勒扩展使o f d m 系统子载波间的正交性遭到破坏，进而导致系统误码 性能严重恶化。因此，本文研究l t e 下行链路抗多普勒技术，消除多普勒频移和 多普勒扩展造成的影响，是将l t e 系统应用于高速铁路移动环境下的关键，具有 很大的实用价值。 1 1 高速铁路的优势及发展 铁路运输作为主要的大陆运输方式，以其经济、大运量的优势，为我国经济生 活做出了重大贡献。然而近年来，铁路运输不能适应国家经济持续快速发展的需 求，成为制约我国国民经济快速发展的瓶颈。加之全球一体化不可逆转的趋势， 人们对铁路运输的速度要求也越来越高。面对航空和公路的严峻挑战，我国铁路 进行运输手段上的技术创新势在必行。针对我国铁路运量大、运能小、效率低的 现状，自1 9 9 7 年以来，我国铁道部多次进行铁路全面提速，铁路高速化应运而生。 国际铁路联盟规定，高速铁路是指通过改造原有线路使营运速率达到2 0 0 k m h 以上，或者专门修建新的专线，使营运速率达到2 5 0 k m h 以上的铁路系统。与其它 运输方式相比，高速铁路具有明显的优势。( 1 ) 速度快：高速铁路的试验速度已超 过5 0 0 k m h ，实际运行时速已超过3 0 0 k m h ，堪称陆地飞行；( 2 ) 输送能力大：一条 l t e 下行链路高速铁路应用场景中的抗多普勒技术 高速公路一年最大客运量不超过1 0 0 0 万人次，日本的一条高速铁路一年客运量已 达1 6 5 亿人；( 3 ) 安全性好：高速铁路由于在全封闭环境中自动化运行，又有一系 列完善的安全保障系统，所以其安全程度是任何交通工具无法比拟的；( 4 ) 受气候 变化影响小，正点率高：高速铁路采用计算机控制运行，可以全天候运营，并可 以做到旅客列车极高的正点率；( 5 ) 能耗低：高速列车利用电力牵引，不消耗宝贵 的石油等液体燃料，可利用多种形式的能源：( 6 ) 污染轻：没有粉尘、煤烟和其他 废气污染，噪音比公路小5 1 0 分贝；( 7 ) 占地少：用地仅有高速公路的一半；( 8 ) 舒适：高速列车运行规律，车内工作、生活设施齐全，运行非常平稳；( 9 ) 经济效 益好：日本东海道新干线开通后仅7 年就收回了全部建设资金，自1 9 8 5 年后，每 年纯利润达2 0 0 0 亿日元。法国t g v 年纯利润达1 9 4 4 亿法郎。 正因为如此，在我国加快高速铁路建设，是科学发展的要求。2 0 0 3 年l o 月1 2 日，中国建设的第一条高速客运铁路线秦沈客运专线正式开通，标志着我国 从此迈入了高速铁路时代。不仅如此，我国自行设计制造了“中华之星”高速列车， 其以每小时2 5 0 公里的试验速度更是迈出了中国高速铁路建设的重要一步。2 0 0 8 年，中国拥有了第一条时速超过3 0 0 公里的高速铁路京津城际铁路。2 0 0 9 年， 中国又拥有了世界上一次建成里程最长、运营速度最高的高速铁路武广客运 专线。2 0 1 0 年1 2 月3 日，在京沪高铁枣庄至蚌埠段进行综合试验的和谐号 c r h 3 8 0 a 新一代高速动车组试车最高时速达4 8 6 1 公里，大大超过此前沪杭高铁 4 1 6 6 公里的纪录。目前，中国已投入运营的高速铁路营业里程达到7 5 3 1 公里， 居世界第一。到2 0 1 2 年，我国铁路营业里程将达到l l 万公里以上，其中新建高 速铁路将达到1 3 万公里。邻近省会城市将形成1 至2 小时交通圈、省会与周边城 市形成半小时至l 小时交通圈。北京到全国绝大部分省会城市将形成8 小时以内 交通圈。到2 0 2 0 年，我国铁路营业里程将达到1 2 万公里以上，新建高速铁路将 达到1 6 万公里以上，加上其他新建铁路和既有线提速线路，我国铁路快速客运网 将达到5 万公里以上，连接所有省会城市和5 0 万人口以上城市，覆盖全国9 0 以 上人口，“人便其行、货畅其流”的目标将成为现实。 1 2 高速铁路移动通信系统 高速铁路对移动通信的需求是多方面的，主要有以下几点。重要铁路应用的要 求：包括列车自动定位，列车自动控制等；次重要铁路应用的要求：包括列车无 线通信，调度与司机间的调度通信，道边维护通信，故障诊断，紧急呼叫，遥控， 车站及货场地区的本地通信等：旅客通信的要求：当今时代几乎每人都拥有手机， 他们很希望在高速列车上也能使用，包括语音、传真及移动数据业务等。 针对高速铁路的特殊场景，高速铁路移动通信系统必须能够满足：( 1 ) 系统在网 第一章绪论 3 络结构、硬件设备、软件算法等方面都要适应列车高速运行的要求。要求在时速 3 0 0 k m h 的条件下，系统能够满足无线数据传输的实时和可靠性：( 2 ) 在频率资源有 限的情况下，须尽可能满足生产和发展的要求，提高频谱利用率；( 3 ) 无线移动通 信系统要能够实现移动闭塞制式的列车运行自动控制；( 4 ) 高速铁路无线移动通信 网沿着高速铁路线建设，小区呈链状分布【3 】，系统必须具有快速越区切换的功能； ( 5 ) 能够适应不同地形环境。 当前，国际上普遍采用基于2 g 的欧洲铁路综合调度移动通信系统g s m r ( g s m f o ri 1 w a y ) 作为铁路移动通信系统的解决方案【4 1 。然而，由于高速铁路的传播环 境及列车较高的行驶速度，造成了传输信道的复杂多变性，主要表现在传播损耗、 慢衰落、快衰落、时间选择性衰落、频率选择性衰落、空间选择性衰落，同时易 受远近效应、小区内干扰、小区间干扰、同频干扰等严重干扰，使高速铁路无线 移动通信系统的性能受到影响。g s m i 通信系统仅能支持速率为9 6 k b s 的话音传 输，在高速环境下频繁的越区切换易造成通信中断，频谱利用率也不高，并且针 对多普勒造成的误码率升高，需要采用复杂的均衡技术，无法满足对高速数据传 输的需求。因此，如何进行高速铁路的通信已经成为现在通信领域需要解决的难 题，而且速度越快，对技术的要求越高。研究高速铁路适用的新一代移动通信系 统已成为实现铁路通信技术现代化的关键。 在现有的研究成果中，l t e 作为准4 g 通信技术，可以支持高速数据传输，其 下行采用的o f d m 技术具有很高的频谱利用率，抗频率选择性衰落能力较强，将 l t e 系统应用于高速铁路场景受到了人们的广泛关注，已成为未来高速铁路通信 系统的发展趋势。 1 3 抗多普勒技术的国内外研究动态 在高速铁路通信系统中，列车快速移动使接收信号产生多普勒频移和多普勒扩 展，成为造成系统性能恶化的关键因素，并且速度越快，影响越大。对于l t e 系 统下行链路，在高速移动环境下，多普勒频移和多普勒扩展会导致o f d m 子载波 间的正交性遭到破坏，产生子载波间干扰。研究高速移动场景的抗多普勒技术， 是高速铁路通信系统亟待解决的首要问题。 对于高速移动环境下的抗多普勒技术，国内外已有多种解决办法。 针对多普勒频移的最大值，由于它能够反映信道衰落速率，并在导频信道测量、 资源分配策略和功率控制等领域有着重要应用，乃是用于优化自适应接收机的最 为重要的参数。且最大多普勒频移与移动速度成正比，估计出最大多普勒频移进 而也就能计算出移动台速度，也可应用于小区分配策略的选择和小区切换判决p j 。 目前国内外已经出现的最大多普勒频移估计( 速度估计) 算法比较典型的有：自相关 4 l t e 下行链路高速铁路应用场景中的抗多普勒技术 法1 6 】【7 1 、电平交叉率法【8 1 、分集交换率【9 】法等。自相关法首先需要获得正确的信道 时域冲激响应信息，其估计精度受信道估计结果影响较大。也有一些基于相关的 算法利用接收信号的统计特性【l o 】、循环前缀( c y c l i cp r e f 1 ) 【, c p ) 时域自相关【1 1 】、导 频符号频域自相关【1 2 】、导频信号变换域估训1 3 l 等，其估计算法取决于信道特性， 瑞利信道和莱斯信道由于信道统计特性不同，估计算法也有很大不同。电平交叉 率法是一种简便的方法，但由于平均功率的测量受到传播过程中引起的路径损失、 阴影衰落以及噪声等各种因素的影响，在低信噪比下这种方法并不理想。对于分 集交换率法，算法的复杂度较大而且精度也不理想。这些算法主要针对最大多普 勒频移估计，并不能估计出来瞬时多普勒频偏值，而且算法大多是针对瑞利信道 设计。 针对主径瞬时多普勒频偏的估计，根据高速铁路的信道特性，瞬时多普勒频偏 变化足够缓慢，在一定时间内可以近似认为是不变的，可以利用频率同步的方法 进行矫正跟踪【1 4 】【1 5 】。但是，由于只能够估计出一个直射径的多普勒频偏值，并不 能消除多普勒扩展带来的影响。针对多普勒扩展，可以通过后续的快速时变信道 估计和均衡消除。具体的方法和信号的调制方式、帧结构等有关。对于o f d m 系统， 主要是利用插入导频的方法，导频插入方式在很大程度上决定了方法的选择【1 6 】1 1 7 1 。 以上方法都是把多普勒效应看作一个不利因素，主要目的是补偿或减弱其带来 的负面影响。近几年有人提出把频域的多普勒扩展看作一种可以利用的资源，采 用多普勒分集技术，通过增强信号能量的方式来改善系统性能。针对o f d m 系统， k i mb y u n g c h u l 提出了频域多普勒分集技术【1 引。对接收到的o f d m 符号首先进行 频移，生成不同的分集支路信号，再对每个分集支路上的子载波进行快速傅立叶 变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，f f t ) 。来自不同分集支路的相同的子载波上的信号根 据子载波间干扰( i n t e rc a r d e ri n t e r f e r e n c e ，i c i ) 能量进行不同的加权，匹配滤波，然 后合并，从而消除衰落，增强目标信号能量。但这种多普勒分集接收机没有进行 最优配置，计算复杂，且接收端需要知道信道的频响函数。在高速移动环境下， 采用的算法需具有较好的实时性，所以在实际的通信系统中，上述算法较难实现。 为了简化计算，提高算法的实时性，北京交通大学王欣提出了o f d m 系统简化多普 勒分集技术【l9 1 。简化多普勒分集接收机在对o f d m 信号进行频移后，直接合并， 然后进行f f t 解调，减少了各支路分别进行f f t 运算的环节。此外，接收端不需要 知道信道频响函数，实用性得到提高。 1 4 本文的主要工作和结构 本文研究高速铁路应用场景下的抗多普勒技术，主要针对具有很大发展前景的 l t e 系统，研究其下行链路。通过对已有研究成果的分析看出，多普勒分集技术虽 第一章绪论 然近年来受到广泛的关注，但其对误码性能的改善往往是在多普勒扩展较大时才 比较明显。在文献【1 8 】中，用子载波间隔对多普勒扩展进行归一化，在误比特率降 低一个数量级时，该技术要求归一化值达到o 3 。然而在高速铁路环境下，假设列 车时速达到5 0 0 k m h ，l t e 下行应用在2 g h z 频段，o f d m 载波间隔为1 5 k h z ，计 算出的归一化多普勒扩展只有0 0 6 2 。因此，若在l t e 下行链路高速铁路应用场景 下用多普勒分集来抗多普勒，效果并不明显。鉴于以上，本文采用了多普勒频率 估计和补偿，快速时变信道估计和均衡的方法来对抗高速运动带来的多普勒效应， 主要工作有以下几点： ( 1 ) 学习3 g p p 长期演进( l t e ) 技术原理，针对下行链路，分析其帧结构和同步 系列、参考序列的特殊性； ( 2 ) 分析高速铁路信道特性，研究莱斯信道的建模仿真方法，用m a t l a b 建立 高速铁路信道模型； ( 3 ) 针对高速铁路场景下直射径瞬时多普勒频移，研究针对l t e 系统下行的频 率同步算法，给出可行解决方案。 ( 4 ) 针对多普勒扩展，采用快速时变信道估计和均衡的方法消除。现有信道基扩 展模型应用于莱斯信道估计时，由于同步模块会使信号同步到直射径，其建模会 有失偏差，性能受到影响。本文对现有基扩展模型进行改进，使其估计性能不受 同步的影响。 根据研究内容，本文分为六章，各章节安排如下： 第一章，绪论。分析了本课题的目的和意义，简介高速铁路的优势和我国高铁 的发展趋势，以及高速铁路通信系统的要求和发展，概述了抗多普勒技术的国内 外研究动态，给出本文的工作和结构安排。 第二章，简要介绍了l t e 下行链路的关键技术，并对下行帧格式，参考序列 等与本文抗多普勒算法相关的协议规范进行描述。 第三章，介绍了无线信道中存在的衰落类型，重点介绍小尺度衰落。介绍平坦 衰落信道的建模仿真方法，分析仿真性能，以及在此基础上的频率选择性衰落信 道的建模仿真方法，建立高速铁路移动信道的仿真模型。 第四章，根据高速铁路通信的莱斯信道特点，分析直射径多普勒频移的变化规 律，研究其估计和补偿的方法，分为基于c p 的频偏粗捕获和基于导频的频偏细估 计两个方面，并分析估计性能。 第五章，对于高速铁路中的多普勒扩展，利用快速时变信道估计和均衡的方法 进行消除。根据l t e 下行导频结构，首先对含有导频的o f d m 符号信道冲击响应 进行估计，然后利用信道基扩展模型对每个采样点进行插值，并对现有的基扩展 模型进行修正。给出了估计性能分析及均衡后的误比特率结果。 第六章，结束语部分对全文的研究内容进行总结，并指出今后有待改进的不足 6 l t e 下行链路高速铁路应用场景中的抗多普勒技术 之处。 第二章l t e 下行关键技术简介及协议概述 7 第二章l t e 下行关键技术简介及协议概述 第三代移动通信( 3 g ) 技术是当前主流的无线通信技术之一，在诸多的3 g 技术 标准中，又以3 g p p 制定的标准最具影响力。3 g p p 长期演进技术( l t e ) 也是近年来 3 g p p 启动的最大的新技术研发项目，该项目采用正交频分复用( o f d m ) 、多输入 多输出( m u i t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 等先进的无线传输技术。本章则对这 些技术进行介绍，并对下行链路与抗多普勒相关的物理层协议规范进行描述。 2 1 l t e 演进及特点 为了应对全球微波接入互操作( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ， w i m a x ) 标准的市场竞争，实现移动通信与宽带无线接入( b r o a d b a n dw i r e l e s s ，b w a ) 技术的融合，3 g p p 组织于2 0 0 4 年底启动了l t e 研究项目，该项目被通俗的称为 3 9 g ，被视作从3 g 向4 g 演进的主流技术。l t e 一方面可以在几年内保持3 g p p 标准相对其它移动通信标准的持续竞争优势，另一方面也为3 g p p 标准向先进国际 移动通信( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s a d v a n c e d ，i m t - a d v a n c e d ) 阶段 演进打下了坚实的基础。 3 g p p 对l t e 项目的工作大体分为两个时间段：2 0 0 5 年4 到2 0 0 6 年6 月为研究 阶段( s t u d yi t e m ，s 1 ) ，完成可行性研究报告；2 0 0 6 年6 月到2 0 0 7 年6 月为工作阶 段( w b r ki t e m ，w o ，完成核心技术的规范工作。但事实上，工作量远远超过了预期， 经过3 g p p 组织的努力，终于2 0 0 8 年9 月完成了除终端外的所有规范的测试工作。 目前，l 1 吧系统已经在全球开始逐步实现商用。 3 g p pl t e 是一个高数据率、低时延和基于全分组的移动通信系统，具有如下 技术特，征【2 0 】：( 1 ) 频谱带宽配置灵活：支持1 2 5 m h z 、1 6 m h z 、2 5 m h z 、5 m h z 、 1 0 m h z 、1 5 m h z 和2 0 m h z 多个带宽设置，并且支持对称和不对称的频谱分配方式， 从技术上保证3 g p pl t e 系统可使用第3 代移动通信系统的频谱，也为未来的频谱 配置提供了灵活性。( 2 ) 提高了小区边缘传输速率，增强了系统覆盖性能，主要通 过频分多址和小区间干扰抑制技术实现。( 3 ) 数据速率和频谱利用率大幅提升。 2 0 m h z 带宽下，下行峰值速率1 0 0 m b i t s ，上行峰值速率5 0 m b i t s 。下行频谱利用 率5 b i t h z ，为r 6 高速下行分组接x , ( h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ，h s d p a ) 的3 4 倍，上行为2 5 b i t h z ，为r 6h s d p a 的2 3 倍。( 4 ) 更低的系统延迟。使用 户平面内部单向传输时延低于5 m s ，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于 l t e 下行链路高速铁路应用场景中的抗多普勒技术 5 0 m s ，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于l o o m s ，以增强对实时业务的支持。 ( 5 ) 增强对多媒体广播和多播业务的支持，满足广播业务、多播业务和单播业务融 合的需求。( 6 ) 系统基于全分组的包交换，不再使用电路交换。( 7 ) 良好的向下兼容 性，实现与已有3 g 系统和其它非3 g p p 协议系统的共存。 l t e 系统结构主要可分为接入网体系结构和空口协议结构两个部分。l t e 的无 线接口分为三层：层l 对应物理层，其规范在t s3 6 2 0 0 系列中描述，层2 对应媒 体接入控制层，层3 对应无线资源控制层，这两层由t s3 6 3 0 0 系列协议描述。物 理层主要是完成传输信道的向前纠错( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ，f e c ) 编解码、编码 速率匹配、资源映射、物理信道功率加权、调制解调、频率和时间同步、射频特 性测量、m i m o 天线处理、传输分集、波束赋形等功能。本文的研究集中在物理 口 废o 2 2 l t e 下行物理层关键技术 为了支持成对频谱和不成对频谱，l t e 支持频分双工( f r e q u e n c yd i v i s i o n d u p l e x ，f d d ) 和时分双t ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ，t d d ) 两种模式。在物理层多址方 案的选择上，l t e 在上行方向采用单载波频分多址( s i n g l ec a r r i e r - f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s ，s c f d m a ) 技术，在下行方向上采用正交频分多址 ( 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 ea c c e s s ，o f d m a ) 技术。本文研究下行链路， 其采用了o f d m 来代替以往长期使用的码分多址，且为了增加峰值速率，提高系 统容量，采用了m i m o 技术，这两项技术成为下行的关键技术。 2 2 1 o f d m 基本原理 在传统的单载波调制系统中，当系统带宽较大时，信号时域符号长度较短，极 易受到频率选择性衰落的干扰，符号之间会存在较严重的符号间干扰( i n t e rs y m b o l i n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，系统并不能有效的均衡。同时，在单载波系统中，一次衰落或者 干扰可能导致整个链路失效。为了克服高速数据在无线信道下的频率选择性衰落， 人们提出了多载波调制技术。 假设系统发送的数据率为尺，带宽为b ，若信道的相干带宽最 b ，则信号在 传输时会经历频率选择性衰落。多载波调制的基本思想是将当前传输的比特流分 成个并行的子比特流，系统总带宽b 被划分成了个子信道，每个子信道的带 宽变为最= b n ，数据率下降为胁r o 如果足够大，使得e 最，则可以认为 每个子信道上的数据经历了平坦衰落。从时域来看，子信道上的码元周期与l b , 成正比，故e 愿意味着l 尻1 e c r f ，o 为信道时延扩展，码元周期r 第二章l t e 下行关键技术简介及协议概述 将远大于时延扩展，从而使各子信道上的i s i 很小。 在早期多载波通信系统中，整个系统频带被划分为个互不混叠的子信道，考 虑到成型滤波器具有滚降因子以及保护边带占，实际每个子信道所需的频谱宽度 为( 1 + + 占) e ，因此这种方式频谱利用率较低。另外它的接收端还需要接近理想 特性的滤波器以保持子载波间互不干扰，这就增加了成本。 作为多载波调制技术的一种，正交频分复用( o f d m ) 技术采用互相正交的子载 波，允许相邻子载波信号频谱有l 2 的重叠，如图2 1 所示，不仅继承了多载波系 统抗频率选择性衰落的优势，也提高了频谱利用率，得到了广泛的应用。 ( a ) 单个o f d m 子载波频谱( b ) o f d m 信号频谱 图2 1o f d m 调制信号频谱 o f d m 的基本思想是把高速率的信息流变换成低速率的并行数据流，然后进行 p s k 或q a m 星座映射，再用相互正交的子载波调制映射后的数据符号，将调制后 的信号相加即得发射信号。 如果慷示子载波的个数，乙表示o f d m 符号的宽度，d ( k ) ( 七= 0 , 1 ，一1 ) 是分配给每个子载波经过星座映射后的数据符号，正是第0 个子载波的载波频率， 个正交的子载波频率为( 七) = z + k l ，( 七= o ，l ，n - 1 ) ，子载波间隔为1 ， r e c t ( t ) = l ，lfs 乙2 ，则从f = 岛开始的o f d m 符号复等效基带信号可以表示为1 2 1 ： m)=m)rect(f一等)expj2，rk-o毒卜枷懈+ ( 2 1 ) m l， s ( f ) = 0t + t 。 1 0l t e 下行链路高速铁路应用场景中的抗多普勒技术 图2 2o f d m 系统基本模型框图 图2 2 给出了o f d m 系统基本模型的框图。o f d m 子载波之间相互正交，如对 第m 个子载波进行解调，然后在时间长度内进行积分，即： o ( 明) ：p 广e x p ( 一2 万乒。一瓦) ) i 艺d ( d e x p ( _ ，2 万o 一) 陟 1 胛，l 1 删 8 0 删 ( 2 2 ) = e 1n 白- i m ) r e 啾伽字( 触叫m ) 根据上式可以看到，对第m 个子载波进行解调可以恢复出期望符号讲纠，而对于其 他载波来说，在积分周期内结果为零。从频域角度来看，每个子载波信号的频谱 为s i n ( x ) x 函数，并且与相邻子载波信号的频谱有l 2 的交叠，每一子载波频率的最 大值处，其他子载波的频率值为零，如图2 1 所示。因此可以在解调时从多个相互 重叠的子载波符号频谱中提取出每个子载波的符号，而不会受到其他子载波的干 扰。 令( 2 - 1 ) 式中的岛= d ，忽略矩形函数，对信号j 以采样频率z = 进行抽样， 即令t = - - 乙n ( n = o , 1 ，n - o ，并使信号功率不变，得到： s ( 疗) = s n ) = 丽l 刍n - i e x p ( 可d r n k ) ( 。刀一1 ) ( 2 - 3 ) 可以看到j 例等效为对删进行离散傅立叶逆变换( i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ，i d f t ) 运算。同样在接收端，为了恢复出原始的数据符号d 0 0 ，可以对 s a ) 进行离