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1、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,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,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。,一、概述(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。,移动速度在
2、120km/h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能指标要求，且存在差错基底（error floor）。,一、概述(续),二、信道的时变特性,2.1 信道模型,3GPP TSG-RAN WG4(Radio)Meeting#41 R4-061161Riga,Estonia,6th November 10th November,2006,Parameters for high speed train deployment scenarios for BS requirements,Ericsson,2.1 信道模型(续),2.2
3、信道时频变化图,K=0,K=9,K=18,2.3 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产生时变的载波频率偏移。,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:1.由于多普勒频移引入的时变载波频率偏移,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(ICI)和用户间产生多用户间干扰(MAI),降低系统性能。2.信道的快速变化，对于多载波技术传输体制OFDMA和SC-FDMA而言，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
4、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。,3.1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,4%5%of the subcarrier distance 不能忽略.,3.1多普勒频移引入的时变载波频率偏移(续),Error floor in performance,3.1多普勒频移引入的时变载
5、波频率偏移(续),校正后的多普勒谱,接收到的多普勒谱,3.2 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：（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,（1）符号内部产生子载波间干扰,3.2 时变信道(续),（2）符号间选择性衰落,3.2 时变信道(续),（3）信道估计性能的恶化,3.2 时变信道(续),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
6、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；,3.3 需要解决的问题,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/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和相对于基站的位置信
7、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,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AR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 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CP的
8、估计方法、导频辅助的估计方法（PTA）、判决数据辅助的估计方法（DD）。,四、多普勒频移估计、补偿与跟踪(续),4.1 多普勒频移引入时变频偏估计(续),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。,4.1 多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。,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 多普勒频移引入时变频偏估计(续),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
9、的方法。,4.1 多普勒频移引入时变频偏估计(续),4.1 多普勒频移引入时变频偏估计(续),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。,4.1 多普勒频移引入时变频偏估计(续),4.2 多普勒频移引入时变频偏跟踪,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
10、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。,为了更好的跟踪实际频移变化，假设以一子帧（1ms）为测量单位，在此采用AR模型进行跟踪，其表达式为,车速为350km/h时的估计出多普勒频移和实际的频移的比较图（时间间隔1ms）,4.2 多普勒频移引入时变频偏跟踪(续),车速为350km/h时利用AR模型平滑估计出多普勒频移和实际的频移的比较图,4.2 多普勒频移引入时变频偏跟踪(续),K=9,K=18,4.3 多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
11、与补偿,利用TDD LTE链路的对称性,对下行链路进行预补偿,可以简化用户终端的复杂度。,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。,4.4 需要进一步研究的问题,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OFDMA技术，用户收到的是一个OFDM符号。在OFDM符号持续时间内，通常假定信道是不变的。当假设条件
12、不满足时，信道会在OFDM符号内的各个子载波间引入子载波干扰。,在高铁条件下，一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。,5.1 下行链路,5.1 下行链路(续),瑞利信道中，快速变化信道引入ICI,但符号间的变化不可忽略。,5.1 下行链路(续),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。,5.1 下行链路(续),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
13、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。,5.1 下行链路(续),5.1 下行链路(续),提高导频上信道估计精度方法的性能,5.1 下行链路(续),5.1 下行链路(续),提高信道估计插值精度的性能,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。,5.2 上行链路,5.2 上行链路(续),信道传输系数内插、多项式拟、判决拟和效果,LTE-TDD上行传输链路中利用不同信道估计方法得到的系统MSE和 BER性能比较,5.2 上行
14、链路(续),六、克服信道变化方法,对于采用OFDMA的TDD-LTE下行链路，信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SC-FDMA的上行链路而言，如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SC-FDMA(DFTS_OFDM)符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。,6.1 克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
15、化引入的ICI不能忽略时，可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.,（1）瑞利信道中，快速变化信道引入ICI抵消技术效果,6.1 克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,6.1 克服一个符号内信道变化引起干扰的方法(续),6.1 克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,6.1 克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,多普勒分集技术方案,6.1 克服一个符号内信道变化引起干扰的方法(续),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，
16、FER下降缓慢或产生不可降低的差错基底。,6.2 克服符号间信道变化的方法,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。,（1）发射分集,发射分集：空频码和空时码,6.2 克服符号间信道变化的方法(续),21天线SFBC/STBC系统性能,6.2 克服符号间信道变化的方法(续),6.2 克服符号间信道变化的方法(续),多普勒分集,多普勒分集性能,6.2 克服符号间信道变化的方法(续),七、总结,影响性能主要因素有两个：多普勒引入的时变载波频率偏移和信道的快速变化。1、多普勒引入的时变频偏问题（1）在估计方法的研究中，上行链路需要考虑多用户分离和用户间不同多普勒频移引入的干扰问题。（
17、2）在跟踪方法研究中，采用一阶AR模型和合理的 更新因子可以实现良好的跟踪。（3）在补偿方法研究中，直接补偿适用于接收分集，预补偿适用于发射分集。上行链路的补偿还需要考虑多用户问题。,七、总结（续）,2、信道的快速变化问题（1）快速变化影响了信道估计的性能，信道估计需要充分考虑快速变化的影响，在既定的导频密度上，从提高导频信道估计精度和提高内插或拟合精度等角度提高快速变换信道的估计精度。（2）信道变化时间选择性衰落，需要从发射分集、接收分集、基于预编码的多普勒分集等方面，克服时间选择性衰落的影响，尤其是对高阶调制下的影响。（3）信道变化在一个多载波符号中引入子载波干扰，需要从干扰抵消、循环延迟分集、过采样分集等多个方面研究提高系统在高阶调制时的 性能。,谢谢！,
