非完備信道估計條件下高移動無線通信多普勒分集傳輸技術(shù).pdf

1、作為國民經(jīng)濟增長的重要支撐，近年來我國交通和無線通信事業(yè)發(fā)展迅猛。截至2015年底，我國高速鐵路(HSR)營業(yè)里程將達(dá)到1.9萬公里，占世界的60％以上;另一方面，我國在無線通信領(lǐng)域也取得了重大突破，我國主導(dǎo)的第4代(4G)移動通信標(biāo)準(zhǔn)時分雙工-長期演進(jìn)(TD-LTE)已經(jīng)開始大規(guī)模商用。交通和無線通信的高速發(fā)展衍生了兩者之間相互滲透的需求。為了確保列車（特別是高速列車）平穩(wěn)、安全、高效運營，需要利用通信和信息處理技術(shù)(ICT)支撐，滿

2、足列車調(diào)度控制等信息傳輸需求;而隨著移動數(shù)據(jù)流量和海量設(shè)備連接爆炸性增長、各類新業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景不斷涌現(xiàn)，如何在高速移動場景下提供可靠、穩(wěn)定、快速、高效的寬帶無線通信服務(wù)，是第5代(5G)移動通信以及未來無線通信系統(tǒng)面臨的重要挑戰(zhàn)。
　　基于鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)(GSM-R)，我國已初步建成一張鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)，可基本滿足列車調(diào)度控制等通信需求。然而，面對旅客寬帶無線通信以及車載無線傳感網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)傳輸需求，現(xiàn)有無線通信仍存在技術(shù)瓶頸

3、?；诖?，本文研究高速移動場景下寬帶無線傳輸技術(shù)面臨的重要挑戰(zhàn)，即發(fā)送接收機相對運動引起的多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)引起無線信道快速衰落，嚴(yán)重影響信道估計和符號檢測的準(zhǔn)確性，造成系統(tǒng)性能急劇惡化。本文利用多普勒分集傳輸技術(shù)對抗多普勒效應(yīng)，重點研究非完備信道估計條件(CSI)下的多普勒分集傳輸技術(shù)，包括對經(jīng)典多普勒分集預(yù)編碼算法的分析與改進(jìn)，非完備信道估計條件下多普勒分集傳輸?shù)姆桨冈O(shè)計，以及多普勒分集傳輸?shù)睦碚摌O限和系統(tǒng)實現(xiàn)。
　　首先

4、，傳統(tǒng)的多普勒分集技術(shù)通常采取發(fā)送接收聯(lián)合設(shè)計，即發(fā)送端進(jìn)行預(yù)編碼、接收端分離合并以獲得最大多普勒分集。經(jīng)典的多普勒分集預(yù)編碼方案需要根據(jù)不同移動速度引入冗余，既降低頻譜效率，又增加實現(xiàn)復(fù)雜度，同時對移動速度的適配性也不佳。本文基于實現(xiàn)最大多普勒分集的設(shè)計準(zhǔn)則，提煉實現(xiàn)最大多普勒分集傳輸?shù)谋举|(zhì)，提出預(yù)編碼方案的改進(jìn)策略，并從理論上驗證了DDM等高譜效預(yù)編碼器可實現(xiàn)最大多普勒分集。改進(jìn)的預(yù)編碼方案利用離散反傅立葉變換(IDFT)矩陣或其他

5、方法對時域信號編碼，將數(shù)據(jù)符號復(fù)用至多普勒域發(fā)送;在接收端進(jìn)行干擾消除和分集合并，以獲取最大多普勒分集。相對經(jīng)典的預(yù)編碼器，不必隨移動速度或多普勒擴展變化做出調(diào)整，可直接應(yīng)用于任意調(diào)制方式、任意移動速度的無線通信系統(tǒng)。同時，改進(jìn)的預(yù)編碼方案不引入額外冗余，因而有效地提高了系統(tǒng)的頻譜效率。
　　其次，傳統(tǒng)的多普勒分集傳輸通常假定可獲得完備的信道估計，然而在高移動場景下往往不能獲得精確及時的信道估計。因而，研究非完備信道估計條件下的多

6、普勒分集傳輸更具挑戰(zhàn)與實際意義。為了弄清多普勒分集與信道估計誤差之間的相互關(guān)系，本文分析并設(shè)計了存在信道估計誤差的多普勒分集傳輸系統(tǒng)。本文基于導(dǎo)頻輔助傳輸系統(tǒng)，對快時變信道進(jìn)行估計，通過分析估計信道及其誤差的統(tǒng)計信息，提出了最優(yōu)多普勒分集合并方案，并推導(dǎo)出系統(tǒng)的誤碼率(SER)，從而量化了非完備信道信息對系統(tǒng)性能的影響，給出了多普勒分集增益和信道估計誤差的折衷關(guān)系。研究表明，系統(tǒng)誤碼率是多普勒擴展的擬凸函數(shù)且隨導(dǎo)頻比例上升單調(diào)降低。當(dāng)導(dǎo)

7、頻比例足夠高，可提供良好信道估計時，誤碼性能可逼近完備信道下的多普勒分集;但若導(dǎo)頻比例過低，信道估計誤差較大，與完備信道估計下多普勒分集相比，誤碼性能有較大惡化。
　　接著，作者進(jìn)一步研究了非完備信道條件下多普勒分集傳輸所能達(dá)到的理論極限。多普勒分集與信道估計誤差的折衷決定了非完備信道估計條件下多普勒分集傳輸?shù)南到y(tǒng)性能，主要與導(dǎo)頻所占比例、數(shù)據(jù)和導(dǎo)頻符合之間的能量分配相關(guān)。在獲得最優(yōu)多普勒分集接收機理論誤碼率的基礎(chǔ)上，利用漸近分析

8、的數(shù)學(xué)方法，分析了它們對系統(tǒng)性能的影響，并給出了多普勒分集系統(tǒng)分別在完備信道估計假定和非完備信道估計時所能獲得的最大多普勒分集階，以及信道估計誤差引起的性能損失。研究表明，當(dāng)導(dǎo)頻比例足夠高且導(dǎo)頻與數(shù)據(jù)傳輸能量呈線性關(guān)系時，信道估計誤差不影響系統(tǒng)可獲得的最大多普勒分集階，非完備信道估計條件下的多普勒分集系統(tǒng)可達(dá)到完備信道估計假定時一致的最大分集階，即二倍最大多普勒頻偏（按單位時間歸一化）;但前者相對后者存在不可消除的性能損失，進(jìn)一步對功率

9、進(jìn)行優(yōu)化可以將性能損耗降到最低。
　　最后，論文提出了根據(jù)關(guān)于信道估計誤差、多普勒分集階、SNR損耗的三項設(shè)計準(zhǔn)則，設(shè)計了一種實用的多普勒分集傳輸系統(tǒng)，保證在高能效高譜效前提下，盡量逼近非完備信道估計條件下系統(tǒng)性能的理論極限。論文的主要思路為，在發(fā)送端采用高譜效的DDM預(yù)編碼算法以提升頻譜效率，采用先進(jìn)的能效算法對數(shù)據(jù)和導(dǎo)頻符合的能量分配進(jìn)行優(yōu)化;在接收端，結(jié)合信道估計信息設(shè)計次優(yōu)的低復(fù)雜度高性能接收機，即塊判決均衡反饋算法，并推