本文關(guān)鍵詞：非完備信道估計(jì)條件下高移動無線通信多普勒分集傳輸技術(shù)　出處：《西南交通大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：作為國民經(jīng)濟(jì)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(dá)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(lǐng)域也取得了重大突破,我國主導(dǎo)的第4代(4G)移動通信標(biāo)準(zhǔn)時(shí)分雙工-長期演進(jìn)(TD-LTE)已經(jīng)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(yùn)營,需要利用通信和信息處理技術(shù)(ICT)支撐,滿足列車調(diào)度控制等信息傳輸需求；而隨著移動數(shù)據(jù)流量和海量設(shè)備連接爆炸性增長、各類新業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景不斷涌現(xiàn),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(wù),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)�；阼F路數(shù)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(wǎng)絡(luò),可基本滿足列車調(diào)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(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)傳輸需求,現(xiàn)有無線通信仍存在技術(shù)瓶頸�；诖�,本文研究高速移動場景下寬帶無線傳輸技術(shù)面臨的重要挑戰(zhàn),即發(fā)送接收機(jī)相對運(yùn)動引起的多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)引起無線信道快速衰落,嚴(yán)重影響信道估計(jì)和符號檢測的準(zhǔn)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(shù)對抗多普勒效應(yīng),重點(diǎn)研究非完備信道估計(jì)條件(CSI)下的多普勒分集傳輸技術(shù),包括對經(jīng)典多普勒分集預(yù)編碼算法的分析與改進(jìn),非完備信道估計(jì)條件下多普勒分集傳輸?shù)姆桨冈O(shè)計(jì),以及多普勒分集傳輸?shù)睦碚摌O限和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。首先,傳統(tǒng)的多普勒分集技術(shù)通常采取發(fā)送接收聯(lián)合設(shè)計(jì),即發(fā)送端進(jìn)行預(yù)編碼、接收端分離合并以獲得最大多普勒分集。經(jīng)典的多普勒分集預(yù)編碼方案需要根據(jù)不同移動速度引入冗余,既降低頻譜效率,又增加實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度,同時(shí)對移動速度的適配性也不佳。本文基于實(shí)現(xiàn)最大多普勒分集的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,提煉實(shí)現(xiàn)最大多普勒分集傳輸?shù)谋举|(zhì),提出預(yù)編碼方案的改進(jìn)策略,并從理論上驗(yàn)證了DDM等高譜效預(yù)編碼器可實(shí)現(xiàn)最大多普勒分集。改進(jìn)的預(yù)編碼方案利用離散反傅立葉變換(IDFT)矩陣或其他方法對時(shí)域信號編碼,將數(shù)據(jù)符號復(fù)用至多普勒域發(fā)送；在接收端進(jìn)行干擾消除和分集合并,以獲取最大多普勒分集。相對經(jīng)典的預(yù)編碼器,不必隨移動速度或多普勒擴(kuò)展變化做出調(diào)整,可直接應(yīng)用于任意調(diào)制方式、任意移動速度的無線通信系統(tǒng)。同時(shí),改進(jìn)的預(yù)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(jì),然而在高移動場景下往往不能獲得精確及時(shí)的信道估計(jì)。因而,研究非完備信道估計(jì)條件下的多普勒分集傳輸更具挑戰(zhàn)與實(shí)際意義。為了弄清多普勒分集與信道估計(jì)誤差之間的相互關(guān)系,本文分析并設(shè)計(jì)了存在信道估計(jì)誤差的多普勒分集傳輸系統(tǒng)。本文基于導(dǎo)頻輔助傳輸系統(tǒng),對快時(shí)變信道進(jìn)行估計(jì),通過分析估計(jì)信道及其誤差的統(tǒng)計(jì)信息,提出了最優(yōu)多普勒分集合并方案,并推導(dǎo)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(jì)誤差的折衷關(guān)系。研究表明,系統(tǒng)誤碼率是多普勒擴(kuò)展的擬凸函數(shù)且隨導(dǎo)頻比例上升單調(diào)降低。當(dāng)導(dǎo)頻比例足夠高,可提供良好信道估計(jì)時(shí),誤碼性能可逼近完備信道下的多普勒分集；但若導(dǎo)頻比例過低,信道估計(jì)誤差較大,與完備信道估計(jì)下多普勒分集相比,誤碼性能有較大惡化。接著,作者進(jìn)一步研究了非完備信道條件下多普勒分集傳輸所能達(dá)到的理論極限。多普勒分集與信道估計(jì)誤差的折衷決定了非完備信道估計(jì)條件下多普勒分集傳輸?shù)南到y(tǒng)性能,主要與導(dǎo)頻所占比例、數(shù)據(jù)和導(dǎo)頻符合之間的能量分配相關(guān)。在獲得最優(yōu)多普勒分集接收機(jī)理論誤碼率的基礎(chǔ)上,利用漸近分析的數(shù)學(xué)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(jì)假定和非完備信道估計(jì)時(shí)所能獲得的最大多普勒分集階,以及信道估計(jì)誤差引起的性能損失。研究表明,當(dāng)導(dǎo)頻比例足夠高且導(dǎo)頻與數(shù)據(jù)傳輸能量呈線性關(guān)系時(shí),信道估計(jì)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(jì)條件下的多普勒分集系統(tǒng)可達(dá)到完備信道估計(jì)假定時(shí)一致的最大分集階,即二倍最大多普勒頻偏(按單位時(shí)間歸一化)；但前者相對后者存在不可消除的性能損失,進(jìn)一步對功率進(jìn)行優(yōu)化可以將性能損耗降到最低。最后,論文提出了根據(jù)關(guān)于信道估計(jì)誤差、多普勒分集階、SNR損耗的三項(xiàng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,設(shè)計(jì)了一種實(shí)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(jì)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(yù)編碼算法以提升頻譜效率,采用先進(jìn)的能效算法對數(shù)據(jù)和導(dǎo)頻符合的能量分配進(jìn)行優(yōu)化；在接收端,結(jié)合信道估計(jì)信息設(shè)計(jì)次優(yōu)的低復(fù)雜度高性能接收機(jī),即塊判決均衡反饋算法,并推導(dǎo)其對應(yīng)的錯(cuò)誤性能。通過發(fā)送和接收的聯(lián)合設(shè)計(jì),可綜合提升多普勒分集傳輸系統(tǒng)的能效譜效。研究表明,通過合理的設(shè)計(jì),高能效高譜效多普勒分集傳輸系統(tǒng)適合在高移動場景下工作,雖然系統(tǒng)性能相對理論下界略有損失,但仍可獲得較好的分集增益,并可達(dá)到與理論極限一致的最大分集階。
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN929.5

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1330670