高鐵場景下高頻頻段的多普勒頻偏估計算法.pdf

1、目前，鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)(Global System for Mobile communications for Railway,GSM-R)是國內(nèi)高速鐵路最廣泛應(yīng)用的無線通信系統(tǒng)。然而，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，列車乘客對移動通信的要求已逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l電話、網(wǎng)絡(luò)多媒體等高寬帶服務(wù)的形式，GSM-R的窄帶特性難以滿足列車乘客的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求。因此，新一代高速鐵路無線通信系統(tǒng)應(yīng)運而生。由于3GPP提出的長期演進(Long Term Evoluti

2、on，LTE)，相對于第三代移動技術(shù)(3rd Generation，3G)，具有傳輸速率高、延遲降低、廣域覆蓋和向下兼容等性能優(yōu)勢。于是，國際鐵路聯(lián)盟擬在GSM-R系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入LTE技術(shù)加以改進，使其最終演進成LTE-R(LTE-Railway)。
　　一般情況下，普通列車和基站之間的相對運動速度為120km/h，而高鐵場景能夠高達360km/h，由此導(dǎo)致用戶通信伴隨著極為嚴重的多普勒頻移現(xiàn)象。LTE下行鏈路采用正交頻分復(fù)用(

3、Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術(shù)，多普勒頻偏會破壞子載波間的正交性，引發(fā)嚴重的載波間干擾，進而影響OFDM的系統(tǒng)性能。另外，毫米波是近幾年的一大研究熱點，能夠支持比低頻電磁波更高數(shù)量級的帶寬和容量。若將毫米波應(yīng)用到高鐵場景，必然產(chǎn)生更為嚴重的多普勒頻偏。因此，如何解決多普勒頻偏的估計與校正問題對LTE-R的發(fā)展和毫米波的推廣均具有重大意義。
　　在接收端和發(fā)送端相

4、干解調(diào)的前提下，多普勒頻偏模型與載波頻偏模型相似。本文考慮到載波頻偏估計技術(shù)已經(jīng)非常成熟，因此將載波頻偏估計算法結(jié)合LTE運用到了多普勒頻偏估計中。文中總結(jié)并仿真分析了四種經(jīng)典的載波頻偏估計算法:最大似然估計算法、基于循環(huán)前綴的估計算法、Moose算法和SC算法。
　　本文在萊斯信道模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)多普勒頻偏的引入方式，對高鐵場景分析了兩種類型的信道建模。我們假設(shè)萊斯信道各分徑的到達角相同，從運算時間、估計范圍、估計性能三方面對

5、比分析了四種算法在LTE系統(tǒng)的應(yīng)用性能，探究了高架橋、路塹、隧道三種場景下的性能差異，給出Moose算法在三種場景中估計性能最好且其性能與具體場景無關(guān)的結(jié)論。最后，我們針對強LOS場景的信道建模，充分挖掘高鐵場景下列車在不同時刻經(jīng)過同一地點的參數(shù)之間具有相關(guān)性的特征，對Moose算法做了進一步改進。由于強LOS場景下高鐵信道只有主徑引入多普勒頻偏，我們首先通過信道估計提取出接收信號的LOS徑信息，然后以歷史測量數(shù)據(jù)作為先驗信息提出了一種