适应高速移动的一种无线传输技术分析

张建伟,展雪梅

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

随着高速列车速度的不断提高以及旅客对移动宽带无线通信业务需求的不断增长,高速列车上的宽带无线通信问题已成为亟待解决的关键技术问题。OFDM由于可以支持高速数据传输,而且可以很好地抵抗多径传输的干扰,因而受到广泛关注。但是对于高速铁路的应用环境,当列车以250～500 km/h的速度行驶时,信道呈快衰落特性,多普勒扩展破坏了OFDM系统子载波间的正交性,给系统带来较明显的子载波间干扰。另外,OFDM技术的峰均功率比较高,使OFDM系统的功率效率受到比较严重的限制。与OFDM相比,SC-FDE对频移敏感度要低,峰均功率比也大大降低,却有着与OFDM类似的抗衰落性能。

1 高速移动下的信道特性分析

高速运动造成的多普勒频移、信道的快衰落特性对高速率信息传输带来极大的威胁。当无线传输中心频率为2.4GHz、运动速度达到360 km/h时,多普勒频偏将达到800 Hz,信道呈快速时变特性。另外,对于时分双工(TDD)的通信系统,如果基站主载频为f0,由于高速移动,移动终端接收到的信号频偏为Δf,则终端锁定基站的接收信号频率为f0+Δf,并将该频率作为参考基准进行上行信号发射;同样由于高速移动,终端的上行信号到达基站天线时,其频率为f0+Δf+Δf=f0+2Δf,导致上行链路频偏是下行链路频偏的2倍,这样导致基站难以解调终端发射信号。所以,高速移动带来的多普勒频偏,严重影响通信系统性能。由于通信基站与铁道的距离较近(约20～50 m),当列车高速驶过通信基站时,多普勒频偏将从最大(最正)快速变化到最小(最负)。这种多普勒频偏的快速变化对系统的影响与单纯得近乎恒定的多普勒频偏对系统的影响不同。

无线信道恶劣的传输环境对于通信系统性能的影响很大,尤其是对于高速传输的移动通信系统就更为明显。信号的多径传播导致信号衰落。多径衰落是影响无线数据传输的最主要的因素,体现在以下3个方面:①信号强度在很小的传播距离或是很小的时间间隔内快速变化;②不同路径信号多普勒频移的变化引起随机频率调制;③多径传播延迟引起时间弥散。

多径引起的时间弥散使发射信号经历平坦衰落或频率选择性衰落,而移动引起的多普勒扩展使发射信号经历慢衰落或快衰落。当发射信号的带宽远小于信道相干带宽,或者发射信号的信号周期远大于信道的均方根延迟扩展时,多径信号经历平坦衰落;当发射信号的带宽大于信道相干带宽,或者发射信号的信号周期小于信道的均方根延迟扩展时,多径信号经历频率选择性衰落。当发射信号的信号周期大于信道的相干时间,多径信号经历快衰落,信号失真随发送信号经历的多普勒扩展的增加而加剧;当发射信号的信号周期远小于信道的相干时间,多径信号经历慢衰落。

很显然,宽带通信中的信道多径传播会产生严重的频率选择性衰落,而超高速移动会产生大的多普勒频移,同时使无线信道产生快速变化,因此,必须及时对快速变化的信道时域冲击响应和频域响应进行估计并实时跟踪信道的变化,这样才有可能通过均衡器正确地去除信道频率选择性衰落对接收无线信号的影响。因此,快速时变信道均衡方法和算法是及时、正确地去除信道频率选择性衰落的关键。

2 SC-FDE的系统结构

为了克服OFDM技术峰均功率比比较高的缺点和提高单载波调制系统的抗多径串扰能力,人们提出了SC-FDE的概念。SC-FDE技术将OFDM技术在发射机端的IFFT模块“移植”到接收机端的FFT模块之后,在接收机的FFT模块和IFFT模块之间进行频域均衡。

SC-FDE借鉴了OFDM技术发射端加循环前缀CP和接收端在频域进行均衡两大技术关键,在保持单载波调制较低峰均功率比的前提下大大降低了用来对抗衰落的均衡器的实现复杂度。

SC-FDE可以使用独特字(Unique Word,UW)作为块(Block)与块之间的保护间隔。UW为一段已知的序列,代替了OFDM中的循环前缀。UW的时间长度大于信道脉冲响应的长度,所以2个连续的Block之间不会产生数据符号的干扰。SC-FDE系统的基带传输部分如图1所示。

图1 SC-FDE系统的基带传输部分

3 分析与仿真

3.1 合理插入UW进行信道估计

将分组中的训练序列设计为相同的2段,并且保证每一段的长度大于信道的最大多径时延,则可以通过UW来进行信道估计。合理设计训练序列可以减小信道估计误差对均衡性能的影响。用于信道估计的分组结构如图2所示。

图2 用于信道估计的分组结构

在2个相邻的UW中,前边的一个UW作为后边一个UW的循环前缀,能够保证收端提取出的UW(后边一个)可以进行正确的信道估计;同时后一个UW又作为了之后2块连续UW的其中前一个的循环前缀。从理论上来讲,如果信道的多径时延扩展不超过此长度,均不会造成数据分组之间的干扰,假定信道估计为理想的话,那么信道时延扩展带来的多径干扰,均可以通过均衡来加以消除。

3.2 使用分集接收进一步对抗衰落

对于时变信道而言,分集接收是平滑信道衰落最为有效的手段之一。为了对抗大尺度衰落,通常使用空间分集和频率分集。SC-FDE技术支持频率分集和空间分集方案,可以在接收端实现最大比合并(MRC)。

设共有M个分集支路,第m个支路的接收数据用表示,相应的频域数据用表示,估计出的信道频域响应为,假定各支路的噪声方差均相同,即有则接收机频域均衡和最大比合并结构示意图如图3所示。

图3 频域均衡和最大比合并结构

常用的2种均衡算法有:迫零(ZF)和最小均方误差(MMSE)均衡算法。最大比合并时的 ZF和MMSE均衡算法分别为:

①ZF均衡为:

②MMSE均衡为:

基于迫零均衡算法的SC-FDE系统在多径信道下不同收发天线的误码性能曲线如图4所示,其中横坐标为符号信噪比,纵坐标为误码率。图4中3条曲线分别代表单发单手SC-FDE系统,两发一收SC-FDE系统及两发两收SC-FDE系统的性能曲线。

图4 不同收发天线随信噪比变化的误码性能曲线

从图4可知,分集重数越高,误码性能越好,在误码率为为1×10-3时,两发两收SC-FDE系统比两发一收SC-FDE系统和单发单收SC-FDE系统性能分别好约7 dB和13 dB。上述分析也说明了SC-FDE技术能够有效支持分集接收,对抗高速移动带来的信道快衰落问题。

3.3 基于信道认知的链路自适应技术

由于高速移动下的信道变化迅速,需要灵活地调整传输的符号速率、调制方式、信道编码方式以及码率才能够保证通信质量。基于信道认知的链路自适应技术需要达到的目的就是在维持不同业务QoS的要求下,提高系统的平均频带利用率和传输速率,提高系统容量。

使用SC-FDE技术能够在时频两域进行信号处理,这为信道认知带来了便利。信道认知技术就是估计从发送天线到接收天线之间的无线信道的传输特性。在当前通信系统,可以通过以下2种方法获得未来信道衰落特性:在频分双工(FDD)系统中,系统在接收端对信道进行估计,将获得的信道信息通过反馈链路反馈给发送端,这样发送端就可以获得有关信道衰落的信息;在TDD系统中,利用上下行链路对称的特点,发送端可以利用接收信号的信道估计结果选取合适的发送参数。自适应调制编码(AMC)技术是目前最常用的自适应传输方法,广泛应用在各种无线通信标准中。

4 结束语

以SC-FDE技术为基础,通过合理设计帧结构对抗快速时变信道的影响,并仿真了加入空间分集和频率分集多带来的分集增益。采用此种技术能够保证高速移动下的通信质量,相比OFDM可提高接入的通信距离,增大小区覆盖范围;并可以结合信道认知进行链路自适应,进一步提高通信的性能。未来可在SC-FDE的基础之上应用MIMO技术,从而大幅度提高传输速率,设计基于上述技术的网络架构,满足小区覆盖范围增加后的低时延、低抖动特性。

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