快时变衰落信道下OFDM系统移动自适应技术

摘要

截止到2015年底，我国高速铁路(HSR)营运里程达到了1.9万公里，占世界高铁营运的60％以上;我国主导的第四代(4G)移动通信标准时分双工-长期演进(TD-LTE)也已经开始大规模的商用。高铁的迅猛发展，对高速列车调度与控制以及乘客宽带无线通信服务提出了更高的要求。在高速移动环境下，多普勒效应（频率偏移）导致无线信道快时变衰落，高铁密闭车体又使得信号损耗严重，从而严重影响系统性能。本文利用自适应传输技术来对抗由此带来的系统性能严重恶化，重点研究快时变场景下基于信道状态信息(CSI)的传统自适应技术，超高速移动场景下基于速度信息的移动自适应技术和中速场景下基于速度和信道信息的增强型移动自适应技术。在高移动环境下，由于难以得到完备CSI，因此针对传统自适应技术和增强型移动自适应技术，本文重点研究了非完备CSI的情况。
　　首先，传统的自适应技术通常基于信道信息来完成系统参数的自适应调整，即根据信道信息来完成系统参数的配置。本文提出了三种基于信道信息的传统自适应方案。第一种是在存在载波频率偏移(CFO)场景下，提出基于完备和非完备信道条件的功率和比特自适应方案。所提出的最优功率分配方案使用M进制正交幅度调制(MQAM)，满足平均功率和误比特率(BER)限制，可最大化正交频分复用(OFDM)系统的平均频谱效率(ASE)，并得到系统ASE的闭合表达式。第两种是基于快时变场景下，提出了完备和非完备信道信息的功率和比特自适应方案。所提算法在最大化ASE的目标下，使每个子载波满足BER约束条件，实现了最优功率和比特分配，推导给出了自适应系统ASE的闭合表达式，并分析了信道估计误差和时延的影响。第三种是高移动环境下基于完备和非完备信道信息的比特和子载波带宽自适应(RSBA)方案。所提算法在最大化ASE的目标下，完成自适应子载波带宽和比特分配，给出了ASE的闭合表达式，并分析了信道估计误差和时延的影响。通过利用信道信息自适应调整系统参数，上述方案减小了频偏或者速度对系统性能的影响，有效地提高了系统的频谱效率。
　　其次，在超高速移动环境下，由于接收端信道估计误差的存在和信道信息反传时延的影响，发射端很难获得准确信道信息。但发射端获得速度信息却相对较容易。据此，本文提出了仅仅基于速度信息来完成系统参数的自适应调整方法（不需要信道信息），即移动自适应技术。本文提出了两种移动自适应方案。分析和仿真表明，所提的仅基于速度信息的比特和子载波带宽移动自适应方案在快时变信道环境下，可以有效地提升系统性能。对于基于速度统计信息的功率和比特移动自适应方案，可实现ASE的最大化。通过自适应地调整系统参数，减小了速度对系统性能的影响，与非自适应技术相比性能提升明显，特别是当速度变化较明显时性能提升更大。
　　接着，提出了基于速度和信道信息的增强型移动自适应技术。因为在实际的系统中，估计信道信息虽然不够准确，若联合较为准确的估计速度信息也可以进一步提升系统性能。针对中速移动环境，提出了基于完备和非完备信道信息并联合速度信息的功率和比特自适应方案。所提算法以最大化ASE为目标，通过不同速度和信道信息条件，给出最优功率和比特分配方案。非完备信道信息是利用最小均方误差(MMSE)准则获得存在误差的估计信道，同时考虑反馈时延的影响。仿真结果表明，与基于信道信息的传统自适应方法和基于速度信息的移动自适应方法相比，所提的增强型移动自适应技术方案性能更佳。
　　最后，针对变速度移动通信系统，提出了综合移动自适应方案。在低速移动时，由于可以获得较为准确的信道估计信息，应采用传统自适应方案;对于中等移动速度，尽管信道估计误差较大，但仍然可用，故采用上述基于信道估计信息和速度信息的增强型移动自适应技术方案;当移动速度很高时，由于所获得的信道估计信息误差极大且很容易过时，因而应放弃信道估计，使系统切换到仅依赖于速度信息的移动自适应方案。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 研究背景及意义

1．2 多普勒效应与车体电波穿透损耗及其影响

1．2．1 电波高穿透损耗问题

1．2．2 快速切换问题

1．2．3 多普勒效应问题

1．3 无线通信自适应技术与研究现状

1．3．1 无线通信自适应技术基本原理

1．3．2 无线通信自适应技术研究现状

1．4 快时变信道条件下的自适应技术研究现状及挑战

1．4．1 快时变信道条件下传统自适应通信系统性能分析与优化

1．4．2 快时变信道条件下移动自适应通信系统性能分析与优化

1．4．3 快时变信道条件下增强型移动自适应通信系统性能分析与优化

1．5 本文的研究思路、主要贡献及论文内容组织

第2章 基于信道信息的传统自适应技术

2．1 研究现状与思路

2．2 存在CFO的功率和比特自适应技术

2．2．1 系统模型

2．2．2 基于完备信道信息的功率和比特自适应方案

2．2．3 基于非完备信道信息的功率和比特自适应方案

2．2．4 数值仿真结果和分析

2．3 快时变信道条件下功率和比特自适应技术

2．3．1 系统模型

2．3．2 非自适应MQAM／OFDM方粟

2．3．3 完备信道信息条件功率和比特自适应方案

2．3．4 非完备信道信息条件功率和比特自适应方案

2．3．5 数值仿真结果和分析

2．4 快时变信道条件下比特和子载波带宽自适应技术

2．4．1 系统模型

2．4．2 完备信道信息条件下比特和子载波带宽自适应方案

2．4．3 非完备信道信息条件下比特和子载波带宽自适应方案

2．4．4 算法复杂度分析

2．4．5 数值仿真结果和分析

2．5 本章小结

第3章基于速度信息的移动自适应技术

3．1 研究现状与思路

3．2 系统模型

3．3 移动自适应技术方案

3．3．1 移动自适应技术：联合载波带宽和比特自适应方案

3．3．2 移动自适应技术：功率和比特自适应方案

3．4 数值仿真结果和分析

3．5 本章小结

第4章 基于速度和信道信息的增强型移动自适应技术

4．1 研究现状与思路

4．2 系统模型

4．3 基于速度和信道信息的增强型移动自适应技术方案

4．3．1 基于速度和完备信道信息的增强型移动自适应技术方案

4．3．2 基于速度和非完备信道信息的增强型移动自适应技术方案

4．4 数值仿真结果和分析

4．5 变速度移动环境下的综合移动自适应方案

4．6 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 本文工作总结

5．2 未来工作展望

附录

致谢

参考文献

攻读博士学位期间录用、完成的论文

攻读博士学位期间参与的科研项目

符号和缩略词

表格

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