高速移动环境下LTE下行关键技术研究

摘要

大多普勒频移和快速时变信道使高速移动场景下的多载波系统通信质量大打折扣。多普勒频移导致正交频分复用(OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing)系统中符号内载波频率偏移(CFO,Carrier Frequency Offset)，进而导致子载波间干扰(ICI,Inter-Carrier Interference)。信道在一个OFDM符号内的时变也会破坏子载波的正交性而引入ICI，使信道估计和均衡变得更加复杂和困难。
　　同时，作为未来移动通信标准的3GPP(3rd Generation Partnership Project)长期演进(LTE，Long Term Evolution)标准采用OFDM和多输入多输出(MIMO， Multiple Input Multiple Output)关键技术，较以往通信系统具有更低的传输时延、较高的数据传输速率和较大的容量和覆盖范围，将其应用于高速移动场景下可以给通信质量带来较大改善。因此，LTE-R(Long Term Evolution for Railway)系统应运而生，它将应用于铁路专网建设，改善高铁通信质量。本文重点研究了高速移动场景下LTE下行链路中的多普勒频偏和时变信道估计问题，主要工作如下：
　　首先，本文对高速移动场景下快速时变信道进行建模。这里推导了快变信道的一般表达式，重点分析了直射(LOS, Light of Sight)分量中多普勒频移的时变性；进而对统计型信道模型和WINNER II信道模型进行改进，使之更契合高速移动信道特性，并给出了改进后信道模型的时频特性仿真曲线。
　　其次，本文研究了高速移动场景下的多普勒频偏估计和时变信道估计问题。这里分别分析了多普勒频偏和时变信道引入的ICI的特性，给出了适用于LTE下行的频偏估计方法，并将其用到高速移动场景的频偏估计中；针对LTE下行系统的特点，这里对传统信道估计算法和新型时变信道估计算法改进并应用到LTE下行链路；信道均衡常涉及矩阵求逆运算，复杂度极高，这里给出简化的频域均衡算法，这在宽带LTE系统中优势明显。最终给出了仿真验证结果。
　　再次，本文研究了高铁场景下采用射频拉远单元(RRU，Radio Remote Units)链式覆盖的LTE-R下行系统ICI消除问题。基于两RRU重叠覆盖区域的特殊场景，本文提出了多载波频偏(MCFO，Multi-CFO)的估计和补偿方案，同时为了充分利用分布式 RRU多天线的优势，这里采用了两种发射分集方案，最终结合前述信道估计方法，对误码率(BER，BitError Rate)性能进行仿真分析，验证了设计方案在高速移动场景下的有效性。
　　最后，对全文内容进行了总结，并探讨了未来高速移动场景下关键通信技术的研究方向。

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缩略词表

数学符号表

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 LTE物理层下行概述

1.4 主要贡献及章节安排

第二章 高速移动场景下的信道建模

2.1 引言

2.2 高速移动场景信号传播环境

2.3 高速移动信道建模

2.4 本章小结

第三章 高速移动场景下频偏估计与信道估计技术

3.1 引言

3.2 LTE下行链路离散时变信道中信号模型

3.3 频偏估计

3.4 信道估计

3.5 信道均衡

3.6 本章小结

第四章 高铁场景下分布式LTE-R系统ICI消除

4.1 引言

4.2 分布式LTE-R系统通信场景描述

4.3 频偏预补偿方案

4.4 基于C-CDD技术的ICI消除

4.5 基于DSFBC技术的ICI消除

4.6 仿真结果

4.7 本章小结

第五章 全文总结

5.1 本文贡献

5.2 未来研究方向

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间参加的科研项目及研究成果

个人简历