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.pdf

1、作為國民經濟增長的重要支撐，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，我國在無線通信領域也取得了重大突破，我國主導的第4代(4G)移動通信標準時分雙工-長期演進(TD-LTE)已經開始大規(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(ICT)支撐，滿

2、足列車調度控制等信息傳輸需求;而隨著移動數據流量和海量設備連接爆炸性增長、各類新業(yè)務和應用場景不斷涌現，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，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絡，可基本滿足列車調度控制等通信需求。然而，面對旅客寬帶無線通信以及車載無線傳感網絡大數據傳輸需求，現有無線通信仍存在技術瓶頸

3、?；诖?，本文研究高速移動場景下寬帶無線傳輸技術面臨的重要挑戰(zhàn)，即發(fā)送接收機相對運動引起的多普勒效應。多普勒效應引起無線信道快速衰落，嚴重影響信道估計和符號檢測的準確性，造成系統(tǒng)性能急劇惡化。本文利用多普勒分集傳輸技術對抗多普勒效應，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，包括對經典多普勒分集預編碼算法的分析與改進，非完備信道估計條件下多普勒分集傳輸的方案設計，以及多普勒分集傳輸的理論極限和系統(tǒng)實現。
　　首先

4、，傳統(tǒng)的多普勒分集技術通常采取發(fā)送接收聯合設計，即發(fā)送端進行預編碼、接收端分離合并以獲得最大多普勒分集。經典的多普勒分集預編碼方案需要根據不同移動速度引入冗余，既降低頻譜效率，又增加實現復雜度，同時對移動速度的適配性也不佳。本文基于實現最大多普勒分集的設計準則，提煉實現最大多普勒分集傳輸的本質，提出預編碼方案的改進策略，并從理論上驗證了DDM等高譜效預編碼器可實現最大多普勒分集。改進的預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，將數據符號復用至多普勒域發(fā)送;在接收端進行干擾消除和分集合并，以獲取最大多普勒分集。相對經典的預編碼器，不必隨移動速度或多普勒擴展變化做出調整，可直接應用于任意調制方式、任意移動速度的無線通信系統(tǒng)。同時，改進的預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系，本文分析并設計了存在信道估計誤差的多普勒分集傳輸系統(tǒng)。本文基于導頻輔助傳輸系統(tǒng)，對快時變信道進行估計，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系。研究表明，系統(tǒng)誤碼率是多普勒擴展的擬凸函數且隨導頻比例上升單調降低。當導

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，作者進一步研究了非完備信道條件下多普勒分集傳輸所能達到的理論極限。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的系統(tǒng)性能，主要與導頻所占比例、數據和導頻符合之間的能量分配相關。在獲得最優(yōu)多普勒分集接收機理論誤碼率的基礎上，利用漸近分析

8、的數學方法，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，當導頻比例足夠高且導頻與數據傳輸能量呈線性關系時，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，進一步對功率

9、進行優(yōu)化可以將性能損耗降到最低。
　　最后，論文提出了根據關于信道估計誤差、多普勒分集階、SNR損耗的三項設計準則，設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預編碼算法以提升頻譜效率，采用先進的能效算法對數據和導頻符合的能量分配進行優(yōu)化;在接收端，結合信道估計信息設計次優(yōu)的低復雜度高性能接收機，即塊判決均衡反饋算法，并推