高速移动通信环境下无线通信面临的问题

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题探讨 西安电子科技大学 通信工程学院 西安电子科技大学 通信工程学院 目 录 一、概述 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 四、多普勒频移估计、补偿与跟踪 五、时变信道估计方法 六、克服信道变化方法 七、总结 西安电子科技大学 通信工程学院 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、概述 (续 ) 针对高速移动环境下的移动通信系统， 帧、时隙和 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 120km/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能指标要求，且存在差错基底（ 一、概述 (续 ) 西安电子科技大学 通信工程学院 二、信道的时变特性 道模型 西安电子科技大学 通信工程学院 341 6 102006 A B C E 50 km/00 km/00 km/1000 m N/A 300 m 0 m 2 m 2 m 1 S 1340 150 150 L S 道模型 (续 ) 西安电子科技大学 通信工程学院 05101505101500 . 511 . 52时间序号子载波序号幅度0510150510150 . 20 . 40 . 60 . 811 . 2符号序号子载波序号幅度0510150510152000 . 511 . 5符号序号子载波序号幅度0510150510152000 . 511 . K=0 K=9 K=18 西安电子科技大学 通信工程学院 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产生 时变的载波频率偏移 。 西安电子科技大学 通信工程学院 三、影响无线系统传输性能因素分析 同 低速移动通信系统 相比 ,在高速移动环境下，影响移动通信系统传输性能的主要因素有两个 : 变载波频率偏移 ,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 (用户间产生多用户间干扰 (降低系统性能。 于多载波技术传输体制 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，快速变化的信道还使信道估计性能性能恶化， 从而降低整个系统的性能。 西安电子科技大学 通信工程学院 例如高速列车时速高达 350接近 100m/s， 载波频率考虑 最高多普勒频率为 746据 用 子载波间隔归一化后为 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 补偿 西安电子科技大学 通信工程学院 4%5% of 能忽略 . 续 ) in 西安电子科技大学 通信工程学院 续 ) 校正后的多普勒谱 接收到的多普勒谱 西安电子科技大学 通信工程学院 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：（ 1） 符号内部产生子载波间干扰 ，（ 2） 符号间选择性衰落， （ 3） 恶化信道估计性能。 （ 1） 符号内部产生子载波间干扰 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 13032343638404244464850归一化的频偏值 dB)k = 9k = 1 83 5 0 k m / 0 k m / 0 k m / 0 k m / 00 1000 150001020304050607080f d ( H z )个符号内多普勒频移和载干波变化曲线k = 9k = 1 8 西安电子科技大学 通信工程学院 0 5 10 15 20 2510 R （ 1 6 Q A M K = 9一帧中符号内信道变化 1 6 Q A M K = 9一帧中符号内信道不变 1 6 Q A M K = 1 8一帧中符号内信道变化 1 6 Q A M K = 1 8（ 1） 符号内部产生子载波间干扰 变信道 (续 ) 西安电子科技大学 通信工程学院 （ 2）符号间选择性衰落 0510150510152000 . 511 . 5符号序号子载波序号幅度0510150510152000 . 511 . 5符号序号子载波序号幅度0 5 10 15 20 25 3010s / N o （ k = 9 ）子帧内信道不变（ k = 1 8 ）符号间信道变化（ k = 9 ）符号间信道变化（ k = 1 8 ）变信道 (续 ) 西安电子科技大学 通信工程学院 （ 3）信道估计性能的恶化 变信道 (续 ) 西安电子科技大学 通信工程学院 在高速移动环境下，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： （ 1）下行 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、跟踪与校正； （ 4）克服符号间信道变化引起的时间选择性衰落问题； （ 2）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。 （ 3）上下行链路多载波符号内部子载波干扰消除问题； 要解决的问题 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： 时变频偏估计、 跟踪 与补偿 三个阶段。 多普勒频移引入时变频偏 估计的方案有 两种 ；第一种是 上下行链路利用接收信号的特征进行估计 ；在移动速度达到 350km/一个时隙或子帧内，列车移动距离大约在 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， 列车在小区内运行时，可通常采用 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。 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，通过估计相移得到频偏。 可以使用的算法有 基于 频辅助的估计方法（ 判决数据辅助的估计方法（ 。 四、多普勒频移估计、补偿与跟踪 (续 ) 西安电子科技大学 通信工程学院 0 5 10 15 20 25 30 3510 R ( d B ) k = 9C P k = 1 8D D k = 9D D k = 1 8p i l o t k = 9p i l o t k = 1 80 5 10 15 20 2510 R ( d B )k = 9理想 k = 1 8C P k = 9C P k = 1 8D D k = 9D D k = 1 8p i l o t k = 9p i l o t k = 1 普勒频移引入时变频偏估计 (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。 普勒频移引入时变频偏估计 (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。 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 普勒频移引入时变频偏估计 (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。分离可采用时域或频域滤波的方法。 普勒频移引入时变频偏估计 (续 ) 西安电子科技大学 通信工程学院 0 5 10 15 20 25 30 3510 R （ K = 9R S K = 9D D K = 9D D K = 1 8R S K = 1 8C P K = 1 80 5 10 15 20 25 30 3510 R （ K = 9R S K = 9D D K = 9I d e a l K = 9C P K = 1 8R S K = 1 8D D K = 1 8I d e a l K = 1 普勒频移引入时变频偏估计 (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扰抵消方法的研究。 上行链路多普勒引入时变频偏估计与下行链路不同，在切换时不存在下行链路的状况。 普勒频移引入时变频偏估计 (续 ) 西安电子科技大学 通信工程学院 普勒频移引入时变频偏跟踪 ( ) c o s ( )df t f t对于一个基站覆盖的小区范围内，不同位置处的多普勒频移是不同的 假设火车距离基站的最初距离为 500m，基站离铁轨的最近距离为 50m，火车移动速度为 350km/h 。 在一个基站小区范围内由多普勒引起的频移是不断变化的， 且在一个小区覆盖范围内估计得到的频偏值在实际频移值周围具有较大的波动。 50 m500 3k m k m 西安电子科技大学 通信工程学院 为了更好的跟踪实际频移变化，假设以一子帧（ 1测量单位， 在此采用 表达式为 111n n n 车速为 350km/（时间间隔 1 普勒频移引入时变频偏跟踪 (续 ) 西安电子科技大学 通信工程学院 车速为 350km/1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000- 0 . 0 6- 0 . 0 4- 0 . 0 200 . 0 20 . 0 40 . 0 6T i m e s ( m s )R 模型后的频偏值实际频偏值1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000- 0 . 0 6- 0 . 0 4- 0 . 0 200 . 0 20 . 0 40 . 0 6T i m e s ( m s )R 普勒频移引入时变频偏跟踪 (续 ) K=9 K=18 西安电子科技大学 通信工程学院 普勒频移引入时变频偏补偿 多普勒频移引入时变频偏的补偿方案可以采用两种 ,第一种是直接补偿，即上下行链路分别补偿 ,第二种是预补偿方案 ,即上行链路估计与补偿 ,利用 对下行链路进行预补偿 ,可以简化用户终端的复杂度。 西安电子科技大学 通信工程学院 在具有多用户环境的上行链路中，多个用户具有不同多普勒引入时变载波偏移 ,多用户频偏估计、多用户频偏补偿的方法有待于进一步提高，低复杂度的用户数据分离方法和基于频偏带来干扰的频域抵消方法有待于进一步深入研究。 要进一步研究的问题 西安电子科技大学 通信工程学院 五、时变信道估计方法 在高速移动环境下，大的多普勒频移引起了信道的快速变化，若仍采用 传统的信道估计方法来估计信道，则得到的系统的性能较理想性能仍有较 大损耗。 下行链路采用 户收到的是一个 常假定信道是不变的。 当假设条件不满足时，信道会在 西安电子科技大学 通信工程学院 0 200 400 600 800 1000 115200 . 511 . 5一个符号内的采样点序列幅度莱斯因子 = 1 8莱斯因子 =90 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 13032343638404244464850归一化的频偏值 dB)k = 9k = 1 83 5 0 k m / 0 k m / 0 k m / 0 k m / 个符号内信道引入的干扰较小。因而在可以近似认为在一个符号持续时间内近似不变。 行链路 西安电子科技大学 通信工程学院 行链路 (续 ) 瑞利信道中，快速变化信道引入 西安电子科技大学 通信工程学院 但符号间的变化不可忽略。 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 1600000 . 511 . 5一个子帧内的采样点序列幅度莱斯因子 = 1 8莱斯因子 =行链路 (续 ) 05101505101500 . 511 . 5符号序号子载波序号幅度 西安电子科技大学 通信工程学院 下行链路的信道估计采用导频辅助的信道估计方法， 一个符号内部，在频域采用内插的方法获得其它子载波上的信道传输系数。 由于信道快速随机变化，不能采用具有导频符号上的信道估计代替，必须采用时域内插方法以提高估计精度。 行链路 (续 ) 西安电子科技大学 通信工程学院 导频符号上的信道估计的精度和内插方法直接影响系统信道估计的精度 ，决定均衡后系统的性能。为此在研究中针对下行链路的特点，开展了提高导频上信道估计精度方法和提高内插精度的方法研究。 行链路 (续 ) 西安电子科技大学 通信工程学院 行链路 (续 ) 西安电子科技大学 通信工程学院 提高导频上信道估计精度方法的性能 0 5 10 15 20 25 3010 R ( d B ) 10 15 20 25 3010 R ( d B )法专利门限方法基于变换域方法新方法理想 p i l o 行链路 (续 ) 西安电子科技大学 通信工程学院 0 5 10 15 20 25 3010 r o p o s e d n e w +2 个符号一起拟合P r o p o s e d n e w +4 个符号一起拟合P r o p o s e d n e wP r o p o s e d n e w +符号间内插判决I d e a lI d e a l p i l o 10 15 20 25 3010 r o p o s e d n e w+ 2 个符号一起拟合P r o p o s e d n e w+ 4 个符号一起拟合P r o p o s e d n e wP r o p o s e d n e w +符号间内插判决I d e a lI d e a l p i l o 行链路 (续 ) 提高信道估计插值精度的性能 西安电子科技大学 通信工程学院 根据上行链路中可以利用的资源。 其信道估计采用基于块状导频的信道估计方法，利用 块状导频 估计出的信道系数，通过 内插或多项式拟和 等方法获得其它位置符号上的信道传输系数。 行链路 西安电子科技大学 通信工程学院 行链路 (续 ) 0 2 4 6 8 10 12 140 . 70 . 80 . 911 . 11 . 21 . 31 . 41 . 5符号序号信道系数幅度值内插 + 外扩多项式拟合 + 外扩多项式拟合 + 判决理想0 2 4 6 8 10 12 14- 0 . 4- 0 . 200 . 20 . 40 . 60 . 81符号序号信道系数相位值内插 + 外扩多项式拟合 + 外扩多项式拟合 + 判决理想信道传输系数内插、多项式拟、判决拟和效果 西安电子科技大学 通信工程学院 0 5 10 15 20 25 30 3510 R （ - 内插多项式拟合多项式拟合 +1 次判决多项式拟合 +2 次判决多项式拟合 +3 次判决多项式拟合 +4 次判决0 5 10 15 20 25 30 3510 R （ 1 次判决多项式拟合 +2 次判决多项式拟合 +3 次判决多项式拟合 +4 次判决 行链路 (续 ) 西安电子科技大学 通信工程学院 六、克服信道变化方法 对于采用 道变化的影响主要表现在两个方面，第一个方面是在一个符号持续时间内信道的变化主要引入子载波间干扰，第二个方面是信道变化引起时间选择性衰落。 对于采用 在接收端处理中采用频域均衡，信道变化的影响与下行链路类似，对于高铁环境下小的时延扩展，如采用时域均衡，则可以减小或消除在一个 号内频域子信道引入的干扰；使得系统性能仅受到信道变化引起的时间选择性衰落的影响。 西安电子科技大学 通信工程学院 服一个符号内信道变化引起干扰的方法 当速度进一步增加，莱斯因子进一步降低，一个符号内信道变化引入的 以采用干扰抵消的方法进行消除。 主要消除方法有判决反馈干扰消除方法、循环延迟分集和多普勒分集等 . 西安电子科技大学 通信工程学院 （ 1）瑞利信道中，快速变化信道引入 服一个符号内信道变化引起干扰的方法 (续 ) 西安电子科技大学 通信工程学院 (2)循环延迟分集 服一个符号内信道变化引起干扰的方法 (续 ) . . D M 符 号C P 1 1y 2y 1 1被 复 制 的 数 据 部 分 西安电子科技大学 通信工程学院 服一个符号内信道变化引起干扰的方法 (续 ) (2)循环延迟分集 西安电子科技大学 通信工程学院 服一个符号内信道变化引起干扰的方法 (续 ) (2)循环延迟分集 西安电子科技大学 通信工程学院 多普勒分集技术方案 服一个符号内信道变化引起干扰的方法 (续 ) 去 / S S / 12xj f 2f 10,11, f 0,1, f 1*10, f 1*11, N f *0, f *1, N f( 0 )Z( 1 )判 决判 决 西安电子科技大学 通信工程学院 符号间的信道变化不能忽略，这些变化将引起时间选择性衰落； 导致系统随着信噪比的增大， 服符号间信道变化的方法 0 5 10 15 20 2510 R （ 6 Q A M K = 9一帧中信道不变 1 6 Q A M K = 9一帧中每个符号上信道不同 1 6 Q A M K = 1 8一帧中信道不变 1 6 Q A M K = 9克服时间选择性衰落方法主要有发射分集和多普勒分集等技术。 西安电子科技大学 通信工程学院 （ 1）发射分集 发射分集：空频码和空时码 服符号间信道变化的方法 (续 ) 西安电子科技大学 通信工程学院 0 5 10 15 20 25 3010 l d f d = 7 4 6 H Zp r o p o s e d f d = 7 4 6 H Zo l d f d = 1 2 0 0 H Zp r o p o