高速移动通信环境下无线通信面临的问题

1000
1500
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
归一归一归归信ε
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3.2 时变信道(续) 时变信道(
（1）符号内部产生子载波间干扰
10
0
一一一一一内一一一一 一一一一一内一一一归 一一一一一内一一一一 一一一一一内一一一归
16QAM 16QAM 16QAM 16QAM
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四、多普勒频移估计、补偿与跟踪(续) 多普勒频移估计、补偿与跟踪(
多普勒频移引入时变频偏跟踪是在估计的方案基础上，列车在小区内 多普勒频移引入时变频偏跟踪是在估计的方案基础上， 运行时，可通常采用AR模型或卡尔曼滤波等方法进行时变频偏的跟踪。 AR模型或卡尔曼滤波等方法进行时变频偏的跟踪 运行时，可通常采用AR模型或卡尔曼滤波等方法进行时变频偏的跟踪。 多普勒频移引入时变频偏补偿的方案有两种， 多普勒频移引入时变频偏补偿的方案有两种，一种是上下行链路分别补 第二种是预补偿，利用上行链路估计结果，对下行链路进行预补偿。 偿；第二种是预补偿，利用上行链路估计结果，对下行链路进行预补偿。
补偿
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3.1多普勒频移引入的时变载波频率偏移(续) 3.1多普勒频移引入的时变载波频率偏移 多普勒频移引入的时变载波频率偏移(
4%–5% of the subcarrier distance 不能忽略. 不能忽略.
Error floor in performance
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Deployment scenario
Tunnel: leaky cable [B] 2 GHz 300 km/hr N/A 2m Tunnel: multi-antennas [C] 2 GHz 300 km/hr 300 m 2m
Single tap Rice fading [1] AWGN 1150 Hz 1150 Hz OFF OFF
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4.1 多普勒频移引入时变频偏估计(续) 多普勒频移引入时变频偏估计(
10
-2
10
0
10
-3
CP k=9 CP k=18 DD k=9 DD k=18 pilot k=9 pilot k=18
10
-1
MSE
FER
10
-4
10
-2
理理 k=9 理理 k=18
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一、概述(续) 概述(
移动速度在120km/h以内，基本上可以达到性能指标要求。 移动速度在120km/h以内，基本上可以达到性能指标要求。但随着速度 以内 的进一步增加， 的进一步增加，高码率和高阶调制组合的高速率传输方案逐渐达不到性 能指标要求，且存在差错基底（ floor）。 能指标要求，且存在差错基底（error floor）。
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二、信道的时变特性
2.1 信道模型
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2.1 信道模型(续) 信道模型(
3GPP TSG-RAN WG4 (Radio) Meeting #41 Riga, Estonia, 6th November – 10th November, 2006 R4-061161
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四、多普勒频移估计、补偿与跟踪 多普勒频移估计、
为了克服多普勒频移的影响，我们将抗多普勒频移分成：时变频偏估计 为了克服多普勒频移的影响，我们将抗多普勒频移分成： 、跟踪与补偿三个阶段。 跟踪与补偿三个阶段。 跟踪与补偿三个阶段 多普勒频移引入时变频偏估计的方案有两种 两种；第一种是上下行链路利用 两种 上下行链路利用 接收信号的特征进行估计；在移动速度达到350km/h时，在一个时隙或子帧 接收信号的特征进行估计 内，列车移动距离大约在0.05—0.1m，时变的频偏可以近似为不变，通常以 时隙或子帧为单位进行时变频偏估计；第二种是利用列车传感器给出的速度 利用列车传感器给出的速度 和相对于基站的位置信息，实时计算出由于移动引入的多普勒频移。 和相对于基站的位置信息，实时计算出由于移动引入的多普勒频移
K=9 K=9 K=18 K=18
10
-1
FER 10
-2
0
5
10 SNR（ dB）
15
20
25
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1.5
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1.5
信信
信信
0.5
3.2 时变信道(续) 时变信道(
（2）符号间选择性衰落
10
0
1
1
0.5
0 20
0 20 15 10 5 5 0 0 10 15
15 10 5 5 0 0 10
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3.1多普勒频移引入的时变载波频率偏移(续) 3.1多普勒频移引入的时变载波频率偏移 多普勒频移引入的时变载波频率偏移( 接收到的多普勒谱
校正后的多普勒谱
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3.2 时变信道
快速变化的信道对于多载波体制的通信系统的影响可以分为三个方面： 快速变化的信道对于多载波体制的通信系统的影响可以分为三个方面： （1）符号内部产生子载波间干扰 符号内部产生子载波间干扰，（2）符号间选择性衰落，（3）恶 符号间选择性衰落， 符号内部产生子载波间干扰 符号间选择性衰落 恶 化信道估计性能。 化信道估计性能。 （1）符号内部产生子载波间干扰 符号内部产生子载波间干扰
一子子符一
0
wk.baidu.com
0
一一符一
0.5
0 15 10 10 5 5 0 0 15
一子子符一
时符符一
一子子符一
一一符一
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2.3 信道多普勒谱
实际信道的多普勒谱将引起系统 产生时变的载波频率偏移 时变的载波频率偏移。 产生时变的载波频率偏移。
理想
实际
实际
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三、影响无线系统传输性能因素分析
3.2 时变信道(续) 时变信道(
（3）信道估计性能的恶化
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3.3 需要解决的问题
在高速移动环境下，要进一步提高移动通信系统传输性能需 在高速移动环境下， 要解决的主要问题有： 要解决的主要问题有： （1）下行多普勒频移引入的时变载波频率偏移的估计、 下行多普勒频移引入的时变载波频率偏移的估计 多普勒频移引入的时变载波频率偏移的估计、 跟踪与校正；上行多用户时变载波频率偏移的估计、 跟踪与校正；上行多用户时变载波频率偏移的估计、跟踪 与校正； 与校正； （2）上下行链路快速时变信道的精确估计问题（不改变导频 上下行链路快速时变信道的精确估计问题（ 插入格式），是系统进行均衡、干扰抵消和分集处理的基础。 ），是系统进行均衡 插入格式），是系统进行均衡、干扰抵消和分集处理的基础。 （3）上下行链路多载波符号内部子载波干扰消除问题； 上下行链路多载波符号内部子载波干扰消除问题； （4）克服符号间信道变化引起的时间选择性衰落问题； 克服符号间信道变化引起的时间选择性衰落问题；
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高速移动环境下无线通信面临的 问题探讨
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目录
一、概述 二、信道的时变特性 三、影响无线通信系统传输性能因素分析 四、多普勒频移估计、补偿与跟踪 多普勒频移估计、 五、时变信道估计方法 六、克服信道变化方法 七、总结
Parameters for high speed train deployment scenarios for BS requirements
Parameter
Open Area [A] Frequency band UE speed Inter site distance (ISD) BS-rail track distance Channel model Max Doppler shift at BS UL power control 2 GHz 350 km/hr 1000 m 50 m AWGN 1340 Hz OFF
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一、概述
高速铁路和高速公路的开通和应用,使未来移动通信系统面临高速 移动环境。在高速移动环境下，无线通信系统会产生大的多普勒 频移，信道会发生快速变化，这些变化会严重地降低移动通信系 统的性能。
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一、概述(续) 概述(
针对高速移动环境下的移动通信系统，TDD-LTE在物理层中， 从帧、时隙和OFDM符号长度的选择、上下行链路的切换参数， 子帧中导频/前导插入频率 等方面进行考虑。
50
一一一一内多一一归一一子一子一归一一
80
k=9 k=18 350km/h
48 46 44 42 SINR(dB) 40 38 36 34 32 500km/h 350km/h 500km/h
70 60 50 S IN R (d B ) 40 30 20 10 0
k=9 k=18
30 0.02
0
500 fd(Hz)
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3.1多普勒频移引入的时变载波频率偏移 3.1多普勒频移引入的时变载波频率偏移 例如高速列车时速高达350km，接近 接近100m/s，载波频率考虑 载波频率考虑2.3GHz 例如高速列车时速高达 接近
根据LTE-TDD传输标准中的子载波间隔为 ，其最高多普勒频率为746Hz,根据 其最高多普勒频率为 根据 传输标准中的子载波间隔为 15KHz，用子载波间隔归一化后为 ， 子载波间隔归一化后为0.049。考虑上下行链路之间的关系和系 。 统特点，系统可能面临的归一化最高多普勒频率为 左右。 归一化最高多普勒频率为0.1左右 统特点，系统可能面临的归一化最高多普勒频率为 左右。
Ericsson
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2.2信道时频变化图 2.2信道时频变化图
1.2 1 0.8
K=9
1.5
信信
0.6 0.4 0.2 15 10 10 5 0 0 5 15
1
一子子符一
一一符一
信信
K=18
0.5 0 20 15 15 10 5 5 10
K=0
2 1.5
1.5
1
信信
1
信信
0.5 0 20 15 15 10 5 5 0 0 10
4.1 多普勒频移引入时变频偏估计
多普勒频移引入时变频偏估计中，我们研究了第一种利用接收信号的 第一种利用接收信号的 特征的估计方案。频偏在上行和下行链路中都使接收信号产生时变的相移 特征的估计方案 。多普勒频移引入时变频偏的特性类似系统存在的剩余载波频率偏移，通 多普勒频移引入时变频偏的特性类似系统存在的剩余载波频率偏移， 多普勒频移引入时变频偏的特性类似系统存在的剩余载波频率偏移 过估计相移得到频偏。 过估计相移得到频偏。 可以使用的算法有基于CP的估计方法、导频辅助的估计方法（PTA）、 基于CP的估计方法、 基于CP的估计方法 导频辅助的估计方法（PTA）、 判决数据辅助的估计方法（DD） 判决数据辅助的估计方法（DD）。
15
一子子符一
一一符一
一子子符一
一一符一
一一符一一一归符符一符符符一符符
10
-1
FER
10
-2
10
-3
一一内一一一一（ k=9） 一一内一一一一（ k=18） 一一符一一一归（ k=9） 一一符一一一归（ k=18）
10
-4
0
5
10
15 Es/No （ dB）
20
25
30
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同低速移动通信系统相比,在高速移动环境下，影响移动通信系 低速移动通信系统相比 在高速移动环境下， 相比, 统传输性能的主要因素有两个: 统传输性能的主要因素有两个: 1.由于多普勒频移引入的时变载波频率偏移, 1.由于多普勒频移引入的时变载波频率偏移,载波频率偏移使采用 由于多普勒频移引入的时变载波频率偏移 多载波技术体制的上下行链路符号内产生子载波间干扰(ICI) (ICI)和用 多载波技术体制的上下行链路符号内产生子载波间干扰(ICI)和用 户间产生多用户间干扰(MAI),降低系统性能。 户间产生多用户间干扰(MAI),降低系统性能。 (MAI),降低系统性能 2.信道的快速变化，对于多载波技术传输体制OFDMA SC-FDMA而 2.信道的快速变化，对于多载波技术传输体制OFDMA和SC-FDMA而 OFDMA和 信道的快速变化 快速变化的信道是多载波符号内部产生子载波间干扰， 言，快速变化的信道是多载波符号内部产生子载波间干扰，不同 的多载波符号间产生时间选择性衰落。 的多载波符号间产生时间选择性衰落。由于插入导频密度的限制 ，快速变化的信道还使信道估计性能性能恶化，从而降低整个系 快速变化的信道还使信道估计性能性能恶化， 统的性能。 统的性能。