高鐵場景下基于LOS徑的多普勒頻偏估計研究

宋騰輝 談振輝

【摘要】 高速移動場景下，用戶與基站之間的相對速度非常高，這會產生較大的多普勒頻偏，引起OFDM系統子載波正交性。本文研究了Moose算法，并在此基礎上結合高鐵信道特征提出一種新的基于LOS徑的多普勒頻偏估計方法，仿真結果顯示估計性能較原方法有明顯的改善。

【關鍵詞】 OFDM Moose 多普勒頻偏估計 高鐵 LOS

一、引言

近年來高速鐵路的發展非常迅速，考慮到高鐵通信的復雜性，國際鐵路聯盟明確將LTE-R應用到高鐵通信中。LTE系統下行鏈路采用OFDM技術，高速移動場景下多普勒頻移會使OFDM子載波間的正交性受到破壞，惡化接收端的誤碼性能。

本文研究高鐵場景下的OFDM多普勒頻偏估計技術，具有較高的實用價值。

二、Moose多普勒頻偏估計算法

Moose算法由P.Moose[1]首度提出，它是一種基于最大似然估計進行頻偏估計的算法。設經過IFFT之后的OFDM塊可以表示為如下：

P.Moose在假定系統已經完成了精準的符號定時同步的情況下，連續發送兩個完全相同的OFDM符號來進行估計。其符號結構如下所示：

如圖1所示，在一個循環前綴CP后面跟著兩個完全相同的符號序列，長度為N，記為A，這兩個A序列就是算法中用來進行頻偏估計的序列，而兩個序列中間沒有插入循環前綴。接收機接收到的2N點序列可以表示為：

其中，fd為歸一化多普勒頻偏。

Y1n和Y2n表示受高斯噪聲影響的接收信號，則多普勒頻偏估計值如下所示：

三、高鐵多徑時變信道建模

萊斯分布為視距路徑分量很大且幅度已知，同時還存在大量獨立路徑，因此高鐵信道模型在一般情況下屬于萊斯衰落信道模型。因此高鐵信道可以用萊斯信道建模，如下式所示[2]：

其中第一項表示以均勻相位θ到達的直射路徑，第二項表示大量與θ相互獨立的反射路徑和散射路徑總和。參數K為萊斯因子，是視距路徑能量與散射路徑能量之比，K越大，信道的確定性就越強，當K選取∞時，散射徑足夠小以至可以忽略，可以表示只有直射徑的情況。

在本文高鐵多徑信道中，采用直射徑與散射徑分開加頻偏的模型，其中直射徑的頻偏模型如式5所示：

從式5和6中可以看出多普勒頻移在直射徑中表現為直接頻偏及產生時變信道，在散射徑中則沒有直接頻偏的影響，僅體現在產生時變信道上。

四、基于LOS徑的多普勒頻偏估計算法

高鐵場景下，信道中直射徑較強，散射徑較弱，接收信號以直射徑傳播的信號為主，因此可以考慮忽略散射徑，直接使用直射徑接收的信號做頻偏估計。該方法不僅可以大大降低復雜度，而且在散射徑較強的情況下，排除了散射徑的干擾，也提高了系統的估計性能。

使用LOS徑做接收的主要步驟如下圖2所示：

首先使用接收信號做信道估計，求得信道響應。

其次從估計的信道響應中提取LOS徑。將信道響應寫為各徑分離的形式：

最后通過估計出的LOS徑，求出LOS徑上的接收信號，采用該信號做頻偏估計。

在本文中假設已做完信道估計，即信道響應已知。信號經過信道后為LOS和散射徑疊加的結果，在信道響應已知的情況下，采用總的接收信號減去散射徑下接收到的信號作為LOS徑接收的信號。

五、仿真實現

在本文的仿真中，多徑信道選取一條強直射徑與五條散射徑。多徑衰落系數為[0.0dB、-0.1dB、-9.0 dB、-10.0 dB、-15.0 dB、-20.0 dB]。

選取OFDM符號長度N=512，循環前綴長度L=32，子載波間隔Δf=15KHz，則采樣頻率為TS=1/（n*Δf）。多普勒頻偏設置為fd=600Hz。

選取SNR從-10dB到15dB，K因子分別取6、8、10、20、∞。RUNS選取1000次以平滑曲線，降低隨機性。Moose算法基于LOS徑的仿真結果與原估計方法的比較如圖3所示：

從圖3可以看出，使用LOS徑的估計誤差要小于原方法的估計誤差。在所取信噪比區間內，低信噪比下使用LOS徑做頻偏估計的性能與原方法估計頻偏的性能在同K因子下兩曲線相近，隨著信噪比的增加，使用LOS做估計的性能要明顯好于原方法的性能。而理論上，使用LOS徑做估計減去了散射徑的影響，性能應該好于六徑疊加的情況，因此仿真結果與理論結果相符。而且在K因子較小的時候，LOS徑的性能改善更明顯，正是因為K因子較小時散射徑相對較強，這時除去了較強的散射徑只是用直射徑做估計，性能改善更明顯。

六、總結

結合高鐵場景，本文研究了一種多普勒頻偏估計算法-Moose算法，考慮到高鐵信道一般具有較強的直射徑，本文基于此提出了基于LOS徑進行估計的方法，即忽略散射徑只使用直射徑接收的信號對頻偏進行估計，仿真結果顯示估計誤差小于原方法，估計性能得到改善。

參 考 文 獻

[1] Moose P H. A technique for orthogonal frequency division multiplexing frequency offset correction[J]. IEEE Transactions on Communications， 1994， 42（10）：2908-2914.

[2] David Tse，Pramod Viswanath. 李鏘，周進.無線通信基礎[M].北京：人民郵電出版社，2007：26-27.