非完備信道估計(jì)條件下高移動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信多普勒分集傳輸技術(shù).pdf

1、作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要支撐，近年來(lái)我國(guó)交通和無(wú)線(xiàn)通信事業(yè)發(fā)展迅猛。截至2015年底，我國(guó)高速鐵路(HSR)營(yíng)業(yè)里程將達(dá)到1.9萬(wàn)公里，占世界的60％以上;另一方面，我國(guó)在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域也取得了重大突破，我國(guó)主導(dǎo)的第4代(4G)移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)時(shí)分雙工-長(zhǎng)期演進(jìn)(TD-LTE)已經(jīng)開(kāi)始大規(guī)模商用。交通和無(wú)線(xiàn)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(chē)（特別是高速列車(chē)）平穩(wěn)、安全、高效運(yùn)營(yíng)，需要利用通信和信息處理技術(shù)(ICT)支撐，滿(mǎn)

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

3、?；诖耍疚难芯扛咚僖苿?dòng)場(chǎng)景下寬帶無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)面臨的重要挑戰(zhàn)，即發(fā)送接收機(jī)相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)引起無(wú)線(xiàn)信道快速衰落，嚴(yán)重影響信道估計(jì)和符號(hào)檢測(cè)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(duì)抗多普勒效應(yīng)，重點(diǎn)研究非完備信道估計(jì)條件(CSI)下的多普勒分集傳輸技術(shù)，包括對(duì)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(jì)條件下多普勒分集傳輸?shù)姆桨冈O(shè)計(jì)，以及多普勒分集傳輸?shù)睦碚摌O限和系統(tǒng)實(shí)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(jì)，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(dòng)速度引入冗余，既降低頻譜效率，又增加實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，同時(shí)對(duì)移動(dòng)速度的適配性也不佳。本文基于實(shí)現(xiàn)最大多普勒分集的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，提煉實(shí)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(yàn)證了DDM等高譜效預(yù)編碼器可實(shí)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(duì)時(shí)域信號(hào)編碼，將數(shù)據(jù)符號(hào)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(duì)經(jīng)典的預(yù)編碼器，不必隨移動(dòng)速度或多普勒擴(kuò)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(dòng)速度的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。同時(shí)，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(jì)，然而在高移動(dòng)場(chǎng)景下往往不能獲得精確及時(shí)的信道估計(jì)。因而，研究非完備信道估計(jì)條件下的多

6、普勒分集傳輸更具挑戰(zhàn)與實(shí)際意義。為了弄清多普勒分集與信道估計(jì)誤差之間的相互關(guān)系，本文分析并設(shè)計(jì)了存在信道估計(jì)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(duì)快時(shí)變信道進(jìn)行估計(jì)，通過(guò)分析估計(jì)信道及其誤差的統(tǒng)計(jì)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(duì)系統(tǒng)性能的影響，給出了多普勒分集增益和信道估計(jì)誤差的折衷關(guān)系。研究表明，系統(tǒng)誤碼率是多普勒擴(kuò)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(jì)時(shí)，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(guò)低，信道估計(jì)誤差較大，與完備信道估計(jì)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(jì)誤差的折衷決定了非完備信道估計(jì)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(jī)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(duì)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(jì)假定和非完備信道估計(jì)時(shí)所能獲得的最大多普勒分集階，以及信道估計(jì)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(xiàn)性關(guān)系時(shí)，信道估計(jì)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(jì)條件下的多普勒分集系統(tǒng)可達(dá)到完備信道估計(jì)假定時(shí)一致的最大分集階，即二倍最大多普勒頻偏（按單位時(shí)間歸一化）;但前者相對(duì)后者存在不可消除的性能損失，進(jìn)一步對(duì)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(jì)誤差、多普勒分集階、SNR損耗的三項(xiàng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)了一種實(shí)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(jì)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(duì)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(jì)信息設(shè)計(jì)次優(yōu)的低復(fù)雜度高性能接收機(jī)，即塊判決均衡反饋算法，并推