適應高速移動的一種無線傳輸技術分析

張建偉,展雪梅

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

隨著高速列車速度的不斷提高以及旅客對移動寬帶無線通信業務需求的不斷增長,高速列車上的寬帶無線通信問題已成為亟待解決的關鍵技術問題。OFDM由于可以支持高速數據傳輸,而且可以很好地抵抗多徑傳輸的干擾,因而受到廣泛關注。但是對于高速鐵路的應用環境,當列車以250～500 km/h的速度行駛時,信道呈快衰落特性,多普勒擴展破壞了OFDM系統子載波間的正交性,給系統帶來較明顯的子載波間干擾。另外,OFDM技術的峰均功率比較高,使OFDM系統的功率效率受到比較嚴重的限制。與OFDM相比,SC-FDE對頻移敏感度要低,峰均功率比也大大降低,卻有著與OFDM類似的抗衰落性能。

1 高速移動下的信道特性分析

高速運動造成的多普勒頻移、信道的快衰落特性對高速率信息傳輸帶來極大的威脅。當無線傳輸中心頻率為2.4GHz、運動速度達到360 km/h時,多普勒頻偏將達到800 Hz,信道呈快速時變特性。另外,對于時分雙工(TDD)的通信系統,如果基站主載頻為f0,由于高速移動,移動終端接收到的信號頻偏為Δf,則終端鎖定基站的接收信號頻率為f0+Δf,并將該頻率作為參考基準進行上行信號發射;同樣由于高速移動,終端的上行信號到達基站天線時,其頻率為f0+Δf+Δf=f0+2Δf,導致上行鏈路頻偏是下行鏈路頻偏的2倍,這樣導致基站難以解調終端發射信號。所以,高速移動帶來的多普勒頻偏,嚴重影響通信系統性能。由于通信基站與鐵道的距離較近(約20～50 m),當列車高速駛過通信基站時,多普勒頻偏將從最大(最正)快速變化到最小(最負)。這種多普勒頻偏的快速變化對系統的影響與單純得近乎恒定的多普勒頻偏對系統的影響不同。

無線信道惡劣的傳輸環境對于通信系統性能的影響很大,尤其是對于高速傳輸的移動通信系統就更為明顯。信號的多徑傳播導致信號衰落。多徑衰落是影響無線數據傳輸的最主要的因素,體現在以下3個方面:①信號強度在很小的傳播距離或是很小的時間間隔內快速變化;②不同路徑信號多普勒頻移的變化引起隨機頻率調制;③多徑傳播延遲引起時間彌散。

多徑引起的時間彌散使發射信號經歷平坦衰落或頻率選擇性衰落,而移動引起的多普勒擴展使發射信號經歷慢衰落或快衰落。當發射信號的帶寬遠小于信道相干帶寬,或者發射信號的信號周期遠大于信道的均方根延遲擴展時,多徑信號經歷平坦衰落;當發射信號的帶寬大于信道相干帶寬,或者發射信號的信號周期小于信道的均方根延遲擴展時,多徑信號經歷頻率選擇性衰落。當發射信號的信號周期大于信道的相干時間,多徑信號經歷快衰落,信號失真隨發送信號經歷的多普勒擴展的增加而加劇;當發射信號的信號周期遠小于信道的相干時間,多徑信號經歷慢衰落。

很顯然,寬帶通信中的信道多徑傳播會產生嚴重的頻率選擇性衰落,而超高速移動會產生大的多普勒頻移,同時使無線信道產生快速變化,因此,必須及時對快速變化的信道時域沖擊響應和頻域響應進行估計并實時跟蹤信道的變化,這樣才有可能通過均衡器正確地去除信道頻率選擇性衰落對接收無線信號的影響。因此,快速時變信道均衡方法和算法是及時、正確地去除信道頻率選擇性衰落的關鍵。

2 SC-FDE的系統結構

為了克服OFDM技術峰均功率比比較高的缺點和提高單載波調制系統的抗多徑串擾能力,人們提出了SC-FDE的概念。SC-FDE技術將OFDM技術在發射機端的IFFT模塊“移植”到接收機端的FFT模塊之后,在接收機的FFT模塊和IFFT模塊之間進行頻域均衡。

SC-FDE借鑒了OFDM技術發射端加循環前綴CP和接收端在頻域進行均衡兩大技術關鍵,在保持單載波調制較低峰均功率比的前提下大大降低了用來對抗衰落的均衡器的實現復雜度。

SC-FDE可以使用獨特字(Unique Word,UW)作為塊(Block)與塊之間的保護間隔。UW為一段已知的序列,代替了OFDM中的循環前綴。UW的時間長度大于信道脈沖響應的長度,所以2個連續的Block之間不會產生數據符號的干擾。SC-FDE系統的基帶傳輸部分如圖1所示。

圖1 SC-FDE系統的基帶傳輸部分

3 分析與仿真

3.1 合理插入UW進行信道估計

將分組中的訓練序列設計為相同的2段,并且保證每一段的長度大于信道的最大多徑時延,則可以通過UW來進行信道估計。合理設計訓練序列可以減小信道估計誤差對均衡性能的影響。用于信道估計的分組結構如圖2所示。

圖2 用于信道估計的分組結構

在2個相鄰的UW中,前邊的一個UW作為后邊一個UW的循環前綴,能夠保證收端提取出的UW(后邊一個)可以進行正確的信道估計;同時后一個UW又作為了之后2塊連續UW的其中前一個的循環前綴。從理論上來講,如果信道的多徑時延擴展不超過此長度,均不會造成數據分組之間的干擾,假定信道估計為理想的話,那么信道時延擴展帶來的多徑干擾,均可以通過均衡來加以消除。

3.2 使用分集接收進一步對抗衰落

對于時變信道而言,分集接收是平滑信道衰落最為有效的手段之一。為了對抗大尺度衰落,通常使用空間分集和頻率分集。SC-FDE技術支持頻率分集和空間分集方案,可以在接收端實現最大比合并(MRC)。

設共有M個分集支路,第m個支路的接收數據用表示,相應的頻域數據用表示,估計出的信道頻域響應為,假定各支路的噪聲方差均相同,即有則接收機頻域均衡和最大比合并結構示意圖如圖3所示。

圖3 頻域均衡和最大比合并結構

常用的2種均衡算法有:迫零(ZF)和最小均方誤差(MMSE)均衡算法。最大比合并時的 ZF和MMSE均衡算法分別為:

①ZF均衡為:

②MMSE均衡為:

基于迫零均衡算法的SC-FDE系統在多徑信道下不同收發天線的誤碼性能曲線如圖4所示,其中橫坐標為符號信噪比,縱坐標為誤碼率。圖4中3條曲線分別代表單發單手SC-FDE系統,兩發一收SC-FDE系統及兩發兩收SC-FDE系統的性能曲線。

圖4 不同收發天線隨信噪比變化的誤碼性能曲線

從圖4可知,分集重數越高,誤碼性能越好,在誤碼率為為1×10-3時,兩發兩收SC-FDE系統比兩發一收SC-FDE系統和單發單收SC-FDE系統性能分別好約7 dB和13 dB。上述分析也說明了SC-FDE技術能夠有效支持分集接收,對抗高速移動帶來的信道快衰落問題。

3.3 基于信道認知的鏈路自適應技術

由于高速移動下的信道變化迅速,需要靈活地調整傳輸的符號速率、調制方式、信道編碼方式以及碼率才能夠保證通信質量。基于信道認知的鏈路自適應技術需要達到的目的就是在維持不同業務QoS的要求下,提高系統的平均頻帶利用率和傳輸速率,提高系統容量。

使用SC-FDE技術能夠在時頻兩域進行信號處理,這為信道認知帶來了便利。信道認知技術就是估計從發送天線到接收天線之間的無線信道的傳輸特性。在當前通信系統,可以通過以下2種方法獲得未來信道衰落特性:在頻分雙工(FDD)系統中,系統在接收端對信道進行估計,將獲得的信道信息通過反饋鏈路反饋給發送端,這樣發送端就可以獲得有關信道衰落的信息;在TDD系統中,利用上下行鏈路對稱的特點,發送端可以利用接收信號的信道估計結果選取合適的發送參數。自適應調制編碼(AMC)技術是目前最常用的自適應傳輸方法,廣泛應用在各種無線通信標準中。

4 結束語

以SC-FDE技術為基礎,通過合理設計幀結構對抗快速時變信道的影響,并仿真了加入空間分集和頻率分集多帶來的分集增益。采用此種技術能夠保證高速移動下的通信質量,相比OFDM可提高接入的通信距離,增大小區覆蓋范圍;并可以結合信道認知進行鏈路自適應,進一步提高通信的性能。未來可在SC-FDE的基礎之上應用MIMO技術,從而大幅度提高傳輸速率,設計基于上述技術的網絡架構,滿足小區覆蓋范圍增加后的低時延、低抖動特性。

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