5g-nr毫米波hsr上行多用户系统中多普勒频偏估计方法
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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｔｈｅ５ＧＮＲｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒｗａｖｅｍｕｌｔｉｕｓｅｒｕｐｌｉｎｋｓｙｓｔｅｍｉｎｔｈｅｈｉｇｈｓｐｅｅｄｔｒａｉｎｓｃｅｎａｒｉｏ，ａｎｏ ｖｅｌＤｏｐｐｌｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｆｓｅｔｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｍａｐａｎｄｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎｐｉｌｏｔｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｉｎｔｈｅｍｅｔｈｏｄ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｇｕｌａｒｉｔｙａｎｄｐｒｅｄｉｃｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｈｉｇｈｓｐｅｅｄｔｒａｉｎｄｒｉｖｉｎｇｒｏｕｔｅ， ａｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｍａｐｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＤｏｐｐｌｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｆｓｅｔ．Ｔｏ ｆｕｒｔｈｅｒｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｅｎｌａｒｇｅｔｈｅｒａｎｇｅｏｆｔｈｅＤｏｐｐｌｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｆｓｅｔｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅｍａｘｉ ｍｕｍ ｐｏｓｔｅｒｉｏｒｉｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｐｉｌｏｔｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎｉｓａｄｏｐｔｅｄ．Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｕｓｅｓｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌｅｓｔｉｍａｔｅｏｆｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｍａｐａｓａｐｒｉｏｒｉｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｕｓｅｓｔｈｅｐｉｌｏｔｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｔｏ ｏｂｔａｉｎｔｈｅｍａｘｉｍｕｍａｐｏｓｔｅｒｉｏｒｉｅｓｔｉｍａｔｅ．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄ ｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｌａｒｇｅＤｏｐｐｌｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｆｓｅｔｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｆｏｒ５ＧＮＲｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒｗａｖｅｓｙｓｔｅｍ ｉｎｔｈｅｈｉｇｈｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙｓｃｅｎａｒｉｏ，ａｎｄｉｔｓｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｍｅｔｈ ｏｄｓ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｈａｓａｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｌｏｗｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：５ＧＮＲ；ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒｗａｖｅ；ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙ；ｍｕｌｔｉｕｓｅｒｕｐｌｉｎｋｓｙｓｔｅｍ；ｐｉｌｏｔ；ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍａｐ；ｍａｘｉｍｕｍ ａｐｏｓｔｅｒｉｏｒｉｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｅｓｔｉｍａｔｅ
６１６７１２５１，６１７７１２５５）资助项目 作者简介：王增浩，男，硕士研究生；杨丽花（通讯作者），女，博士，副教授，ｙａｎｇｌｈ＠ｎｊｕｐｔ．ｅｄｕ．ｃｎ 引用本文：王增浩，杨丽花，程露，等．５ＧＮＲ毫米波 ＨＳＲ上行多用户系统中多普勒频偏估计方法［Ｊ］．南京邮电大学学报（自然科学版），２０１９，
３９（６）：２８－３４．
第 ６期
王增浩，等：５ＧＮＲ毫米波 ＨＳＲ上行多用户系统中多普勒频偏估计方法
２９
近年来，随着科学技术的不断进步和经济的快 速发展，高速铁路 （ＨｉｇｈＳｐｅｅｄＲａｉｌｗａｙ，ＨＳＲ）发展 迅速。随着 ＨＳＲ的大规模部署，ＨＳＲ环境下的无线 通信 在 全 球 已 引 起 了 越 来 越 多 的 关 注［１－２］，并 且 ＨＳＲ已被作 为 第 五 代 新 无 线 电 （５ＧＮＲ）通 信 网 络 的重要使用场景之一，预计在 ５ＧＮＲ系统下可以实 现高达 ５００ｋｍ／ｈ的移动速度。然而，当前大多数无 线通信系统是用于具有低等或中等移动性的用户， 并且高移动性显著地限制了覆盖区域和传输速率。 因此，需要设计可靠高效的面向 ５ＧＮＲＨＳＲ（时速 ≥５００ｋｍ／ｈ）场景的通信系统［３］。
当列车经过某一位置x时可以获得列车的实时速度此时首先利用多普勒频移的计算公式fdfcvccos和数据库中保存的前一次列车在此位置的历史相关信息可以估计得到当前列车在此位置产生的多普勒频移为fdestxtvtrainxtvremxt1fdremxt15其中fc为载波频率v是列车与基站的相对运动速度单位为msc为光速单位为ms是列车移动方向与收发端连线之间的夹角下标t代表当前时刻t1代表列车上一次经过该位置的时刻03南京邮电大学学报自然科学版2019年vtrainxt代表当前时刻在位置x时的列车速度vremxt1代表地图中保存的列车上一次经过位置x时的速度fdremxt1代表地图所存的列车上一次经过位置x时估计的多普勒频偏
５ＧＮＲ毫米波 ＨＳＲ上行多用户系统中 多普勒频偏估计方法
王增浩，杨丽花，程 露，杨龙祥，梁 彦
( 南京邮电大学 江苏省无线通信重点实验室，江苏 南京 ２１０００３)
摘要：针对 ５ＧＮＲ毫米波高速铁路多用户上行通信系统，文中提出了一种新型的联合环境地图与 导频分段的多普勒频偏估计方法。该方法基于高速铁路行驶路线的规律性和可预测性，首先利用 环境地图方法获取多普勒频偏的初始估计；为了提高频偏估计精度与满足该场景下大频偏估计范 围的需求，采用了基于导频分段的最大后验概率估计方法，该方法将环境地图的初始估计作为先验 信息并利用导频分段方法获取最大后验估计。理论分析与计算机仿真结果表明，该方法的估计范 围和精度可以满足 ５ＧＮＲ毫米波高速铁路场景大频偏的估计要求，其估计性能远远优于现有方 法，且具有较低的计算复杂度。 关键词：５ＧＮＲ；毫米波；高速铁路；多用户上行系统；导频；环境地图；最大后验概率估计 中图分类号：ＴＮ９２９．５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３５４３９（２０１９）０６００２８０７
第 ３９卷第 ６期 ２０１９年 １２月
南 京 邮 电 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｏｓｔｓａｎｄＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）
Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．６ Ｄｅｃ２０１９
ｄｏｉ：１０．１４１３２／ｊ．ｃｎｋｉ．１６７３５４３９．２０１９．０６．００５
收稿日期：２０１９０５１４；修回日期：２０１９０６１８ 本刊网址：ｈｔｔｐ：∥ｎｙｚｒ．ｎｊｕｐｔ．ｅｄｕ．ｃｎ 基金项目：江苏 省 高 等 学 校 自 然 科 学 研 究 项 目 （１８ＫＪ１３５１００３４）、中 国 博 士 后 科 学 基 金 （２０１８Ｔ１１０５３０）和 国 家 自 然 科 学 基 金 （６１４０１２３２，
ＤｏｐｐｌｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｆｓｅｔｅｓｔｅｔｅｒｗａｖｅＨＳＲ ｕｐｌｉｎｋｍｕｌｔｉｕｓｅｒｓｙｓｔｅｍ
ＷＡＮＧＺｅｎｇｈａｏ，ＹＡＮＧＬｉｈｕａ，ＣＨＥＮＧＬｕ，ＹＡＮＧＬｏｎｇｘｉａｎｇ，ＬＩＡＮＧＹａｎ
( ＪｉａｎｇｓｕＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｏｓｔｓａｎｄＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１０００３，Ｃｈｉｎａ)
６１６７１２５１，６１７７１２５５）资助项目 作者简介：王增浩，男，硕士研究生；杨丽花（通讯作者），女，博士，副教授，ｙａｎｇｌｈ＠ｎｊｕｐｔ．ｅｄｕ．ｃｎ 引用本文：王增浩，杨丽花，程露，等．５ＧＮＲ毫米波 ＨＳＲ上行多用户系统中多普勒频偏估计方法［Ｊ］．南京邮电大学学报（自然科学版），２０１９，
３９（６）：２８－３４．
第 ６期
王增浩，等：５ＧＮＲ毫米波 ＨＳＲ上行多用户系统中多普勒频偏估计方法
２９
近年来，随着科学技术的不断进步和经济的快 速发展，高速铁路 （ＨｉｇｈＳｐｅｅｄＲａｉｌｗａｙ，ＨＳＲ）发展 迅速。随着 ＨＳＲ的大规模部署，ＨＳＲ环境下的无线 通信 在 全 球 已 引 起 了 越 来 越 多 的 关 注［１－２］，并 且 ＨＳＲ已被作 为 第 五 代 新 无 线 电 （５ＧＮＲ）通 信 网 络 的重要使用场景之一，预计在 ５ＧＮＲ系统下可以实 现高达 ５００ｋｍ／ｈ的移动速度。然而，当前大多数无 线通信系统是用于具有低等或中等移动性的用户， 并且高移动性显著地限制了覆盖区域和传输速率。 因此，需要设计可靠高效的面向 ５ＧＮＲＨＳＲ（时速 ≥５００ｋｍ／ｈ）场景的通信系统［３］。
当列车经过某一位置x时可以获得列车的实时速度此时首先利用多普勒频移的计算公式fdfcvccos和数据库中保存的前一次列车在此位置的历史相关信息可以估计得到当前列车在此位置产生的多普勒频移为fdestxtvtrainxtvremxt1fdremxt15其中fc为载波频率v是列车与基站的相对运动速度单位为msc为光速单位为ms是列车移动方向与收发端连线之间的夹角下标t代表当前时刻t1代表列车上一次经过该位置的时刻03南京邮电大学学报自然科学版2019年vtrainxt代表当前时刻在位置x时的列车速度vremxt1代表地图中保存的列车上一次经过位置x时的速度fdremxt1代表地图所存的列车上一次经过位置x时估计的多普勒频偏
５ＧＮＲ毫米波 ＨＳＲ上行多用户系统中 多普勒频偏估计方法
王增浩，杨丽花，程 露，杨龙祥，梁 彦
( 南京邮电大学 江苏省无线通信重点实验室，江苏 南京 ２１０００３)
摘要：针对 ５ＧＮＲ毫米波高速铁路多用户上行通信系统，文中提出了一种新型的联合环境地图与 导频分段的多普勒频偏估计方法。该方法基于高速铁路行驶路线的规律性和可预测性，首先利用 环境地图方法获取多普勒频偏的初始估计；为了提高频偏估计精度与满足该场景下大频偏估计范 围的需求，采用了基于导频分段的最大后验概率估计方法，该方法将环境地图的初始估计作为先验 信息并利用导频分段方法获取最大后验估计。理论分析与计算机仿真结果表明，该方法的估计范 围和精度可以满足 ５ＧＮＲ毫米波高速铁路场景大频偏的估计要求，其估计性能远远优于现有方 法，且具有较低的计算复杂度。 关键词：５ＧＮＲ；毫米波；高速铁路；多用户上行系统；导频；环境地图；最大后验概率估计 中图分类号：ＴＮ９２９．５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３５４３９（２０１９）０６００２８０７
第 ３９卷第 ６期 ２０１９年 １２月
南 京 邮 电 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｏｓｔｓａｎｄＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）
Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．６ Ｄｅｃ２０１９
ｄｏｉ：１０．１４１３２／ｊ．ｃｎｋｉ．１６７３５４３９．２０１９．０６．００５
收稿日期：２０１９０５１４；修回日期：２０１９０６１８ 本刊网址：ｈｔｔｐ：∥ｎｙｚｒ．ｎｊｕｐｔ．ｅｄｕ．ｃｎ 基金项目：江苏 省 高 等 学 校 自 然 科 学 研 究 项 目 （１８ＫＪ１３５１００３４）、中 国 博 士 后 科 学 基 金 （２０１８Ｔ１１０５３０）和 国 家 自 然 科 学 基 金 （６１４０１２３２，
ＤｏｐｐｌｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｆｓｅｔｅｓｔｅｔｅｒｗａｖｅＨＳＲ ｕｐｌｉｎｋｍｕｌｔｉｕｓｅｒｓｙｓｔｅｍ
ＷＡＮＧＺｅｎｇｈａｏ，ＹＡＮＧＬｉｈｕａ，ＣＨＥＮＧＬｕ，ＹＡＮＧＬｏｎｇｘｉａｎｇ，ＬＩＡＮＧＹａｎ
( ＪｉａｎｇｓｕＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｏｓｔｓａｎｄＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１０００３，Ｃｈｉｎａ)