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任光亮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，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（errorfloor）。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2.1信道模型西安电子科技大学通信工程学院3GPPTSG-RANWG4(Radio)Meeting#41R4-061161Riga,Estonia,6thNovember–10thNovember,2006ParameterDeploymentscenarioOpenArea[A]Tunnel:leakycable[B]Tunnel:multi-antennas[C]Frequencyband2GHz2GHz2GHzUEspeed350km/hr300km/hr300km/hrIntersitedistance(ISD)1000mN/A300mBS-railtrackdistance50m2m2mChannelmodelAWGNSingletapRicefading[1]AWGNMaxDopplershiftatBS1340Hz1150Hz1150HzULpowercontrolOFFOFFOFFParametersforhighspeedtraindeploymentscenariosforBSrequirementsEricsson2.1信道模型(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0510150510152000.511.5符号序号子载波序号幅度2.2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。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: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。补偿西安电子科技大学通信工程学院4%–5%ofthesubcarrierdistance不能忽略.3.1多普勒频移引入的时变载波频率偏移(续)Errorfloorinperformance西安电子科技大学通信工程学院3.1多普勒频移引入的时变载波频率偏移(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0.020.030.040.050.060.070.080.090.13032343638404244464850归一化的频偏值εSINR(dB)k=9k=18350km/h350km/h500km/h500km/h05001000150001020304050607080fd(Hz)SINR(dB)一个符号内多普勒频移和载干波变化曲线k=9k=18西安电子科技大学通信工程学院051015202510-210-1100SNR（dB）FER一帧中符号内信道不变16QAMK=9一帧中符号内信道变化16QAMK=9一帧中符号内信道不变16QAMK=18一帧中符号内信道变化16QAMK=18（1）符号内部产生子载波间干扰3.2时变信道(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05101520253010-410-310-210-1100Es/No（dB）FER符号间信道变化对误帧率性能的影响子帧内信道不变（k=9）子帧内信道不变（k=18）符号间信道变化（k=9）符号间信道变化（k=18）3.2时变信道(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3.2时变信道(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；3.3需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/h时，在一个时隙或子帧内，列车移动距离大约在0.05—0.1m，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)西安电子科技大学通信工程学院0510152025303510-610-510-410-310-2SNR(dB)MSECPk=9CPk=18DDk=9DDk=18pilotk=9pilotk=18051015202510-410-310-210-1100SNR(dB)FER理想k=9理想k=18CPk=9CPk=18DDk=9DDk=18pilotk=9pilotk=184.1多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。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。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4.1多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。4.1多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0510152025303510-510-410-310-2SNR（dB）MSECPK=9RSK=9DDK=9DDK=18RSK=18CPK=180510152025303510-610-510-410-310-210-1100SNR（dB）BERCPK=9RSK=9DDK=9IdealK=9CPK=18RSK=18DDK=18IdealK=184.1多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。4.1多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4.2多普勒频移引入时变频偏跟踪()cos()dftft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。50m500m2~3kmkm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（1ms）为测量单位，在此采用AR模型进行跟踪，其表达式为11'1nnn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)西安电子科技大学通信工程学院车速为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10002000300040005000600070008000900010000-0.06-0.04-0.0200.020.040.06Times(ms)NormaltedDopplerShift利用AR模型后的频偏值实际频偏值10002000300040005000600070008000900010000-0.06-0.04-0.0200.020.040.06Times(ms)NormaltedDopplerShift利用AR模型后的频偏值实际频偏值4.2多普勒频移引入时变频偏跟踪(续)K=9K=18西安电子科技大学通信工程学院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,即上行链路估计与补偿,利用TDDLTE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。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。4.4需要进一步研究的问题西安电子科技大学