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1、 西安电子科技大学 通信工程学院高速移动环境下无线通信面临的问高速移动环境下无线通信面临的问题探讨题探讨任光亮任光亮 西安电子科技大学西安电子科技大学 通信工程学院通信工程学院 西安电子科技大学 通信工程学院目目 录录一、概述一、概述二、信道的时变特性二、信道的时变特性三、影响无线通信系统传输性能因素分析三、影响无线通信系统传输性能因素分析四、多普勒频移估计、补偿与跟踪四、多普勒频移估计、补偿与跟踪五、时变信道估计方法五、时变信道估计方法六、克服信道变化方法六、克服信道变化方法七、总结七、总结 西安电子科技大学 通信工程学院一、概述一、概述高速铁路和高速公路的开通和应用,使未来移动通信系统面临
2、高速移动环境。在高速移动环境下，无线通信系统会产生大的多普勒频移，信道会发生快速变化，这些变化会严重地降低移动通信系统的性能。 西安电子科技大学 通信工程学院一、一、概述概述( (续续) )针对高速移动环境下的移动通信系统，TDD-LTE在物理层中，从帧、时隙和OFDM符号长度的选择、上下行链路的切换参数，子帧中导频/前导插入频率等方面进行考虑。 西安电子科技大学 通信工程学院移动速度在移动速度在120km/h120km/h以内，基本上可以达到性能指标要求。但随着速度以内，基本上可以达到性能指标要求。但随着速度的进一步增加，高码率和高阶调制组合的高速率传输方案逐渐达不到性的进一步增加，高码率和
3、高阶调制组合的高速率传输方案逐渐达不到性能指标要求，且存在差错基底（能指标要求，且存在差错基底（error floorerror floor）。）。一、概述一、概述( (续续) ) 西安电子科技大学 通信工程学院二、信道的时变特性二、信道的时变特性2.1 2.1 信道模型信道模型 西安电子科技大学 通信工程学院3GPP TSG-RAN WG4 (Radio) Meeting #41 R4-061161Riga, Estonia, 6th November 10th November, 2006 ParameterDeployment scenarioOpen Area ATunnel: lea
4、ky cable BTunnel: multi-antennas CFrequency band2 GHz2 GHz2 GHzUE speed350 km/hr300 km/hr300 km/hrInter site distance (ISD)1000 mN/A300 mBS-rail track distance50 m2 m2 mChannel modelAWGNSingle tap Rice fading 1AWGNMax Doppler shift at BS1340 Hz1150 Hz1150 HzUL power controlOFFOFFOFFParameters for hi
5、gh speed train deployment scenarios for BS requirementsEricsson2.1 2.1 信道模型信道模型( (续续) ) 西安电子科技大学 通信工程学院2.22.2信道时频变化图信道时频变化图K=0K=9K=18 西安电子科技大学 通信工程学院2.3 2.3 信道多普勒谱信道多普勒谱理想实际实际实际信道的多普勒谱将引起系统实际信道的多普勒谱将引起系统产生产生时变的载波频率偏移时变的载波频率偏移。 西安电子科技大学 通信工程学院三、三、影响无线系统影响无线系统传输性能因素分析传输性能因素分析 同同低速移动通信系统低速移动通信系统相比相比, ,
6、在在高速移动环境高速移动环境下，影响移动通信系下，影响移动通信系统传输性能的主要因素有两个统传输性能的主要因素有两个: :1.1.由于多普勒频移引入的由于多普勒频移引入的时变载波频率偏移时变载波频率偏移, ,载波频率偏移使采用载波频率偏移使采用多载波技术体制的上下行链路符号内产生子载波间干扰多载波技术体制的上下行链路符号内产生子载波间干扰(ICI)(ICI)和用和用户间产生多用户间干扰户间产生多用户间干扰(MAI),(MAI),降低系统性能。降低系统性能。2.2.信道的快速变化，对于多载波技术传输体制信道的快速变化，对于多载波技术传输体制OFDMAOFDMA和和SC-FDMASC-FDMA而而
7、言，言，快速变化的信道是多载波符号内部产生子载波间干扰快速变化的信道是多载波符号内部产生子载波间干扰，不同不同的多载波符号间产生时间选择性衰落。的多载波符号间产生时间选择性衰落。由于插入导频密度的限制由于插入导频密度的限制，快速变化的信道还使信道估计性能性能恶化，快速变化的信道还使信道估计性能性能恶化，从而降低整个系从而降低整个系统的性能。统的性能。 西安电子科技大学 通信工程学院3.13.1多普勒频移引入的时变载波频率偏移多普勒频移引入的时变载波频率偏移例如高速列车时速高达350km，接近100m/s，载波频率考虑2.3GHz，其最高多普勒频率为746Hz,根据LTE-TDD传输标准中的子载
8、波间隔为15KHz，用子载波间隔归一化后为0.049。考虑上下行链路之间的关系和系统特点，系统可能面临的归一化最高多普勒频率为0.1左右。补偿 西安电子科技大学 通信工程学院4%5% of the subcarrier distance of the subcarrier distance 不能忽略不能忽略. .3.13.1多普勒频移引入的时变载波频率偏移多普勒频移引入的时变载波频率偏移( (续续) )Error floor in performanceError floor in performance 西安电子科技大学 通信工程学院3.13.1多普勒频移引入的时变载波频率偏移多普勒频移引入
9、的时变载波频率偏移( (续续) )校正后的多普勒谱校正后的多普勒谱接收到的多普勒谱接收到的多普勒谱 西安电子科技大学 通信工程学院3.2 3.2 时变信道时变信道快速变化的信道对于多载波体制的通信系统的影响可以分为三个方面：快速变化的信道对于多载波体制的通信系统的影响可以分为三个方面：（1）符号内部产生子载波间干扰符号内部产生子载波间干扰，（2）符号间选择性衰落，符号间选择性衰落，（3）恶化恶化信道估计性能。信道估计性能。（1）符号内部产生子载波间干扰符号内部产生子载波间干扰 西安电子科技大学 通信工程学院（1）符号内部产生子载波间干扰符号内部产生子载波间干扰3.2 3.2 时变信道时变信道(
10、 (续续) ) 西安电子科技大学 通信工程学院（2 2）符号间选择性衰落）符号间选择性衰落3.2 3.2 时变信道时变信道( (续续) ) 西安电子科技大学 通信工程学院（3 3）信道估计性能的恶化）信道估计性能的恶化3.2 3.2 时变信道时变信道( (续续) ) 西安电子科技大学 通信工程学院在在高速移动环境高速移动环境下，要进一步提高移动通信系统传输性能需下，要进一步提高移动通信系统传输性能需要解决的主要问题有：要解决的主要问题有：（1 1）下行）下行多普勒频移引入的时变载波频率偏移的估计、多普勒频移引入的时变载波频率偏移的估计、跟踪与校正；上行多用户时变载波频率偏移的估计、跟踪跟踪与校
11、正；上行多用户时变载波频率偏移的估计、跟踪与校正；与校正；（4 4）克服符号间信道变化引起的时间选择性衰落问题；）克服符号间信道变化引起的时间选择性衰落问题；（2 2）上下行链路快速时变信道的精确估计问题（不改变导频）上下行链路快速时变信道的精确估计问题（不改变导频插入格式），是系统进行均衡、干扰抵消和分集处理的基础。插入格式），是系统进行均衡、干扰抵消和分集处理的基础。（3 3）上）上下行链路多载波符号内部下行链路多载波符号内部子载波干扰消除问题；子载波干扰消除问题；3.3 3.3 需要需要解决的问题解决的问题 西安电子科技大学 通信工程学院 为了克服多普勒频移的影响，我们将抗多普勒频移分成
12、：为了克服多普勒频移的影响，我们将抗多普勒频移分成：时变频偏估计时变频偏估计、跟踪跟踪与补偿与补偿三个阶段。三个阶段。 多普勒频移引入时变频偏估计的方案有两种两种；第一种是上下行链路利用上下行链路利用接收信号的特征进行估计接收信号的特征进行估计；在移动速度达到350km/h时，在一个时隙或子帧内，列车移动距离大约在0.050.1m，时变的频偏可以近似为不变，通常以时隙或子帧为单位进行时变频偏估计；第二种是利用列车传感器给出的速度利用列车传感器给出的速度和相对于基站的位置信息，实时计算出由于移动引入的多普勒频移和相对于基站的位置信息，实时计算出由于移动引入的多普勒频移。四、多普勒频移估计、补偿与
13、跟踪四、多普勒频移估计、补偿与跟踪 西安电子科技大学 通信工程学院 多普勒频移引入时变频偏跟踪是在估计的方案基础上，列车在小区内多普勒频移引入时变频偏跟踪是在估计的方案基础上，列车在小区内运行时，可通常采用运行时，可通常采用ARAR模型或卡尔曼滤波等方法进行时变频偏的跟踪。模型或卡尔曼滤波等方法进行时变频偏的跟踪。 多普勒频移引入时变频偏补偿的方案有两种，一种是上下行链路分别补多普勒频移引入时变频偏补偿的方案有两种，一种是上下行链路分别补偿；第二种是预补偿，利用上行链路估计结果，对下行链路进行预补偿。偿；第二种是预补偿，利用上行链路估计结果，对下行链路进行预补偿。4.1 4.1 多普勒频移引入
14、时变频偏估计多普勒频移引入时变频偏估计 多普勒频移引入时变频偏估计中，我们研究了第一种利用接收信号的第一种利用接收信号的特征的估计方案特征的估计方案。频偏在上行和下行链路中都使接收信号产生时变的相移。多普勒频移引入时变频偏的特性类似系统存在的剩余载波频率偏移，通多普勒频移引入时变频偏的特性类似系统存在的剩余载波频率偏移，通过估计相移得到频偏。过估计相移得到频偏。可以使用的算法有基于基于CPCP的估计方法、导频辅助的估计方法（的估计方法、导频辅助的估计方法（PTAPTA）、）、判决数据辅助的估计方法（判决数据辅助的估计方法（DDDD）。四、多普勒频移估计、补偿与跟踪四、多普勒频移估计、补偿与跟踪
15、( (续续) ) 西安电子科技大学 通信工程学院4.1 4.1 多普勒频移引入时变频偏估计多普勒频移引入时变频偏估计( (续续) ) 西安电子科技大学 通信工程学院 在用户从一个小区软切换到另外一个小区时，由于两个小区给用户在用户从一个小区软切换到另外一个小区时，由于两个小区给用户发相同的数据，两个小区的多普勒频移符号相反，这些方法的估计性能发相同的数据，两个小区的多普勒频移符号相反，这些方法的估计性能恶化。恶化。4.1 4.1 多普勒频移引入时变频偏估计多普勒频移引入时变频偏估计( (续续) )在这种情况下，需要采用同步信道数据进行多普勒频移引入时变频偏估计在这种情况下，需要采用同步信道数据
16、进行多普勒频移引入时变频偏估计。 西安电子科技大学 通信工程学院采用同步信道数据互相关处理进行多普勒频移引入时变频偏估计采用同步信道数据互相关处理进行多普勒频移引入时变频偏估计4.1 4.1 多普勒频移引入时变频偏估计多普勒频移引入时变频偏估计( (续续) ) 西安电子科技大学 通信工程学院由于多个用户信号的混合，在多普由于多个用户信号的混合，在多普勒频移引入时变频偏估计中，需要勒频移引入时变频偏估计中，需要对各个用户信号进行分离。分离可对各个用户信号进行分离。分离可采用时域或频域滤波的方法。采用时域或频域滤波的方法。4.1 4.1 多普勒频移引入时变频偏估计多普勒频移引入时变频偏估计( (续续) ) 西安电子科技大学 通信工程学院4.1 4.1 多普勒频移引入时变频偏估计多普勒频移引入时变频偏估计( (续续) ) 西安电子科技大学 通信工程学院 影响上行链路多普勒频移引影响上行链路多普勒频移引入时变频偏估计性能主要因素是入时变频偏估计性能主要因素是多用户干扰，使系统性能产生差多用户干扰，使系统性能产生差错基底。要消除差错基底需要开错基底。要消除差错基底需要开展多用户信号分离和用户间干
