張建偉,展雪梅

(中國(guó)電子科技集團(tuán)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(duì)移動(dòng)寬帶無線通信業(yè)務(wù)需求的不斷增長(zhǎng),高速列車上的寬帶無線通信問題已成為亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。OFDM由于可以支持高速數(shù)據(jù)傳輸,而且可以很好地抵抗多徑傳輸?shù)母蓴_,因而受到廣泛關(guān)注。但是對(duì)于高速鐵路的應(yīng)用環(huán)境,當(dāng)列車以250～500 km/h的速度行駛時(shí),信道呈快衰落特性,多普勒擴(kuò)展破壞了OFDM系統(tǒng)子載波間的正交性,給系統(tǒng)帶來較明顯的子載波間干擾。另外,OFDM技術(shù)的峰均功率比較高,使OFDM系統(tǒng)的功率效率受到比較嚴(yán)重的限制。與OFDM相比,SC-FDE對(duì)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(dòng)下的信道特性分析

高速運(yùn)動(dòng)造成的多普勒頻移、信道的快衰落特性對(duì)高速率信息傳輸帶來極大的威脅。當(dāng)無線傳輸中心頻率為2.4GHz、運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到360 km/h時(shí),多普勒頻偏將達(dá)到800 Hz,信道呈快速時(shí)變特性。另外,對(duì)于時(shí)分雙工(TDD)的通信系統(tǒng),如果基站主載頻為f0,由于高速移動(dòng),移動(dòng)終端接收到的信號(hào)頻偏為Δf,則終端鎖定基站的接收信號(hào)頻率為f0+Δf,并將該頻率作為參考基準(zhǔn)進(jìn)行上行信號(hào)發(fā)射;同樣由于高速移動(dòng),終端的上行信號(hào)到達(dá)基站天線時(shí),其頻率為f0+Δf+Δf=f0+2Δf,導(dǎo)致上行鏈路頻偏是下行鏈路頻偏的2倍,這樣導(dǎo)致基站難以解調(diào)終端發(fā)射信號(hào)。所以,高速移動(dòng)帶來的多普勒頻偏,嚴(yán)重影響通信系統(tǒng)性能。由于通信基站與鐵道的距離較近(約20～50 m),當(dāng)列車高速駛過通信基站時(shí),多普勒頻偏將從最大(最正)快速變化到最小(最負(fù))。這種多普勒頻偏的快速變化對(duì)系統(tǒng)的影響與單純得近乎恒定的多普勒頻偏對(duì)系統(tǒng)的影響不同。

無線信道惡劣的傳輸環(huán)境對(duì)于通信系統(tǒng)性能的影響很大,尤其是對(duì)于高速傳輸?shù)囊苿?dòng)通信系統(tǒng)就更為明顯。信號(hào)的多徑傳播導(dǎo)致信號(hào)衰落。多徑衰落是影響無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钪饕囊蛩?體現(xiàn)在以下3個(gè)方面:①信號(hào)強(qiáng)度在很小的傳播距離或是很小的時(shí)間間隔內(nèi)快速變化;②不同路徑信號(hào)多普勒頻移的變化引起隨機(jī)頻率調(diào)制;③多徑傳播延遲引起時(shí)間彌散。

多徑引起的時(shí)間彌散使發(fā)射信號(hào)經(jīng)歷平坦衰落或頻率選擇性衰落,而移動(dòng)引起的多普勒擴(kuò)展使發(fā)射信號(hào)經(jīng)歷慢衰落或快衰落。當(dāng)發(fā)射信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)小于信道相干帶寬,或者發(fā)射信號(hào)的信號(hào)周期遠(yuǎn)大于信道的均方根延遲擴(kuò)展時(shí),多徑信號(hào)經(jīng)歷平坦衰落;當(dāng)發(fā)射信號(hào)的帶寬大于信道相干帶寬,或者發(fā)射信號(hào)的信號(hào)周期小于信道的均方根延遲擴(kuò)展時(shí),多徑信號(hào)經(jīng)歷頻率選擇性衰落。當(dāng)發(fā)射信號(hào)的信號(hào)周期大于信道的相干時(shí)間,多徑信號(hào)經(jīng)歷快衰落,信號(hào)失真隨發(fā)送信號(hào)經(jīng)歷的多普勒擴(kuò)展的增加而加劇;當(dāng)發(fā)射信號(hào)的信號(hào)周期遠(yuǎn)小于信道的相干時(shí)間,多徑信號(hào)經(jīng)歷慢衰落。

很顯然,寬帶通信中的信道多徑傳播會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的頻率選擇性衰落,而超高速移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大的多普勒頻移,同時(shí)使無線信道產(chǎn)生快速變化,因此,必須及時(shí)對(duì)快速變化的信道時(shí)域沖擊響應(yīng)和頻域響應(yīng)進(jìn)行估計(jì)并實(shí)時(shí)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(duì)接收無線信號(hào)的影響。因此,快速時(shí)變信道均衡方法和算法是及時(shí)、正確地去除信道頻率選擇性衰落的關(guān)鍵。

2 SC-FDE的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了克服OFDM技術(shù)峰均功率比比較高的缺點(diǎn)和提高單載波調(diào)制系統(tǒng)的抗多徑串?dāng)_能力,人們提出了SC-FDE的概念。SC-FDE技術(shù)將OFDM技術(shù)在發(fā)射機(jī)端的IFFT模塊“移植”到接收機(jī)端的FFT模塊之后,在接收機(jī)的FFT模塊和IFFT模塊之間進(jìn)行頻域均衡。

SC-FDE借鑒了OFDM技術(shù)發(fā)射端加循環(huán)前綴CP和接收端在頻域進(jìn)行均衡兩大技術(shù)關(guān)鍵,在保持單載波調(diào)制較低峰均功率比的前提下大大降低了用來對(duì)抗衰落的均衡器的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

SC-FDE可以使用獨(dú)特字(Unique Word,UW)作為塊(Block)與塊之間的保護(hù)間隔。UW為一段已知的序列,代替了OFDM中的循環(huán)前綴。UW的時(shí)間長(zhǎng)度大于信道脈沖響應(yīng)的長(zhǎng)度,所以2個(gè)連續(xù)的Block之間不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)符號(hào)的干擾。SC-FDE系統(tǒng)的基帶傳輸部分如圖1所示。

圖1 SC-FDE系統(tǒng)的基帶傳輸部分

3 分析與仿真

3.1 合理插入U(xiǎn)W進(jìn)行信道估計(jì)

將分組中的訓(xùn)練序列設(shè)計(jì)為相同的2段,并且保證每一段的長(zhǎng)度大于信道的最大多徑時(shí)延,則可以通過UW來進(jìn)行信道估計(jì)。合理設(shè)計(jì)訓(xùn)練序列可以減小信道估計(jì)誤差對(duì)均衡性能的影響。用于信道估計(jì)的分組結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 用于信道估計(jì)的分組結(jié)構(gòu)

在2個(gè)相鄰的UW中,前邊的一個(gè)UW作為后邊一個(gè)UW的循環(huán)前綴,能夠保證收端提取出的UW(后邊一個(gè))可以進(jìn)行正確的信道估計(jì);同時(shí)后一個(gè)UW又作為了之后2塊連續(xù)UW的其中前一個(gè)的循環(huán)前綴。從理論上來講,如果信道的多徑時(shí)延擴(kuò)展不超過此長(zhǎng)度,均不會(huì)造成數(shù)據(jù)分組之間的干擾,假定信道估計(jì)為理想的話,那么信道時(shí)延擴(kuò)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(jìn)一步對(duì)抗衰落

對(duì)于時(shí)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(duì)抗大尺度衰落,通常使用空間分集和頻率分集。SC-FDE技術(shù)支持頻率分集和空間分集方案,可以在接收端實(shí)現(xiàn)最大比合并(MRC)。

設(shè)共有M個(gè)分集支路,第m個(gè)支路的接收數(shù)據(jù)用表示,相應(yīng)的頻域數(shù)據(jù)用表示,估計(jì)出的信道頻域響應(yīng)為,假定各支路的噪聲方差均相同,即有則接收機(jī)頻域均衡和最大比合并結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 頻域均衡和最大比合并結(jié)構(gòu)

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(shí)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(tǒng)在多徑信道下不同收發(fā)天線的誤碼性能曲線如圖4所示,其中橫坐標(biāo)為符號(hào)信噪比,縱坐標(biāo)為誤碼率。圖4中3條曲線分別代表單發(fā)單手SC-FDE系統(tǒng),兩發(fā)一收SC-FDE系統(tǒng)及兩發(fā)兩收SC-FDE系統(tǒng)的性能曲線。

圖4 不同收發(fā)天線隨信噪比變化的誤碼性能曲線

從圖4可知,分集重?cái)?shù)越高,誤碼性能越好,在誤碼率為為1×10-3時(shí),兩發(fā)兩收SC-FDE系統(tǒng)比兩發(fā)一收SC-FDE系統(tǒng)和單發(fā)單收SC-FDE系統(tǒng)性能分別好約7 dB和13 dB。上述分析也說明了SC-FDE技術(shù)能夠有效支持分集接收,對(duì)抗高速移動(dòng)帶來的信道快衰落問題。

3.3 基于信道認(rèn)知的鏈路自適應(yīng)技術(shù)

由于高速移動(dòng)下的信道變化迅速,需要靈活地調(diào)整傳輸?shù)姆?hào)速率、調(diào)制方式、信道編碼方式以及碼率才能夠保證通信質(zhì)量?；谛诺勒J(rèn)知的鏈路自適應(yīng)技術(shù)需要達(dá)到的目的就是在維持不同業(yè)務(wù)QoS的要求下,提高系統(tǒng)的平均頻帶利用率和傳輸速率,提高系統(tǒng)容量。

使用SC-FDE技術(shù)能夠在時(shí)頻兩域進(jìn)行信號(hào)處理,這為信道認(rèn)知帶來了便利。信道認(rèn)知技術(shù)就是估計(jì)從發(fā)送天線到接收天線之間的無線信道的傳輸特性。在當(dāng)前通信系統(tǒng),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(tǒng)中,系統(tǒng)在接收端對(duì)信道進(jìn)行估計(jì),將獲得的信道信息通過反饋鏈路反饋給發(fā)送端,這樣發(fā)送端就可以獲得有關(guān)信道衰落的信息;在TDD系統(tǒng)中,利用上下行鏈路對(duì)稱的特點(diǎn),發(fā)送端可以利用接收信號(hào)的信道估計(jì)結(jié)果選取合適的發(fā)送參數(shù)。自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC)技術(shù)是目前最常用的自適應(yīng)傳輸方法,廣泛應(yīng)用在各種無線通信標(biāo)準(zhǔn)中。

4 結(jié)束語(yǔ)

以SC-FDE技術(shù)為基礎(chǔ),通過合理設(shè)計(jì)幀結(jié)構(gòu)對(duì)抗快速時(shí)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(shù)能夠保證高速移動(dòng)下的通信質(zhì)量,相比OFDM可提高接入的通信距離,增大小區(qū)覆蓋范圍;并可以結(jié)合信道認(rèn)知進(jìn)行鏈路自適應(yīng),進(jìn)一步提高通信的性能。未來可在SC-FDE的基礎(chǔ)之上應(yīng)用MIMO技術(shù),從而大幅度提高傳輸速率,設(shè)計(jì)基于上述技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),滿足小區(qū)覆蓋范圍增加后的低時(shí)延、低抖動(dòng)特性。

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