高鐵場(chǎng)景下基于LOS徑的多普勒頻偏估計(jì)研究

宋騰輝 談?wù)褫x

【摘要】 高速移動(dòng)場(chǎng)景下，用戶(hù)與基站之間的相對(duì)速度非常高，這會(huì)產(chǎn)生較大的多普勒頻偏，引起OFDM系統(tǒng)子載波正交性。本文研究了Moose算法，并在此基礎(chǔ)上結(jié)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(jì)方法，仿真結(jié)果顯示估計(jì)性能較原方法有明顯的改善。

【關(guān)鍵詞】 OFDM Moose 多普勒頻偏估計(jì) 高鐵 LOS

一、引言

近年來(lái)高速鐵路的發(fā)展非常迅速，考慮到高鐵通信的復(fù)雜性，國(guó)際鐵路聯(lián)盟明確將LTE-R應(yīng)用到高鐵通信中。LTE系統(tǒng)下行鏈路采用OFDM技術(shù)，高速移動(dòng)場(chǎng)景下多普勒頻移會(huì)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(chǎng)景下的OFDM多普勒頻偏估計(jì)技術(shù)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

二、Moose多普勒頻偏估計(jì)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(jì)進(jìn)行頻偏估計(jì)的算法。設(shè)經(jīng)過(guò)IFFT之后的OFDM塊可以表示為如下：

P.Moose在假定系統(tǒng)已經(jīng)完成了精準(zhǔn)的符號(hào)定時(shí)同步的情況下，連續(xù)發(fā)送兩個(gè)完全相同的OFDM符號(hào)來(lái)進(jìn)行估計(jì)。其符號(hào)結(jié)構(gòu)如下所示：

如圖1所示，在一個(gè)循環(huán)前綴CP后面跟著兩個(gè)完全相同的符號(hào)序列，長(zhǎng)度為N，記為A，這兩個(gè)A序列就是算法中用來(lái)進(jìn)行頻偏估計(jì)的序列，而兩個(gè)序列中間沒(méi)有插入循環(huán)前綴。接收機(jī)接收到的2N點(diǎn)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(hào)，則多普勒頻偏估計(jì)值如下所示：

三、高鐵多徑時(shí)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(shí)還存在大量獨(dú)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(xiàng)表示以均勻相位θ到達(dá)的直射路徑，第二項(xiàng)表示大量與θ相互獨(dú)立的反射路徑和散射路徑總和。參數(shù)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(qiáng)，當(dāng)K選取∞時(shí)，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(kāi)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(xiàn)為直接頻偏及產(chǎn)生時(shí)變信道，在散射徑中則沒(méi)有直接頻偏的影響，僅體現(xiàn)在產(chǎn)生時(shí)變信道上。

四、基于LOS徑的多普勒頻偏估計(jì)算法

高鐵場(chǎng)景下，信道中直射徑較強(qiáng)，散射徑較弱，接收信號(hào)以直射徑傳播的信號(hào)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(hào)做頻偏估計(jì)。該方法不僅可以大大降低復(fù)雜度，而且在散射徑較強(qiáng)的情況下，排除了散射徑的干擾，也提高了系統(tǒng)的估計(jì)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(hào)做信道估計(jì)，求得信道響應(yīng)。

其次從估計(jì)的信道響應(yīng)中提取LOS徑。將信道響應(yīng)寫(xiě)為各徑分離的形式：

最后通過(guò)估計(jì)出的LOS徑，求出LOS徑上的接收信號(hào)，采用該信號(hào)做頻偏估計(jì)。

在本文中假設(shè)已做完信道估計(jì)，即信道響應(yīng)已知。信號(hào)經(jīng)過(guò)信道后為L(zhǎng)OS和散射徑疊加的結(jié)果，在信道響應(yīng)已知的情況下，采用總的接收信號(hào)減去散射徑下接收到的信號(hào)作為L(zhǎng)OS徑接收的信號(hào)。

五、仿真實(shí)現(xiàn)

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

選取OFDM符號(hào)長(zhǎng)度N=512，循環(huán)前綴長(zhǎng)度L=32，子載波間隔Δf=15KHz，則采樣頻率為T(mén)S=1/（n*Δf）。多普勒頻偏設(shè)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(jī)性。Moose算法基于LOS徑的仿真結(jié)果與原估計(jì)方法的比較如圖3所示：

從圖3可以看出，使用LOS徑的估計(jì)誤差要小于原方法的估計(jì)誤差。在所取信噪比區(qū)間內(nèi)，低信噪比下使用LOS徑做頻偏估計(jì)的性能與原方法估計(jì)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(jì)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(jì)減去了散射徑的影響，性能應(yīng)該好于六徑疊加的情況，因此仿真結(jié)果與理論結(jié)果相符。而且在K因子較小的時(shí)候，LOS徑的性能改善更明顯，正是因?yàn)镵因子較小時(shí)散射徑相對(duì)較強(qiáng)，這時(shí)除去了較強(qiáng)的散射徑只是用直射徑做估計(jì)，性能改善更明顯。

六、總結(jié)

結(jié)合高鐵場(chǎng)景，本文研究了一種多普勒頻偏估計(jì)算法-Moose算法，考慮到高鐵信道一般具有較強(qiáng)的直射徑，本文基于此提出了基于LOS徑進(jìn)行估計(jì)的方法，即忽略散射徑只使用直射徑接收的信號(hào)對(duì)頻偏進(jìn)行估計(jì)，仿真結(jié)果顯示估計(jì)誤差小于原方法，估計(jì)性能得到改善。

參 考 文 獻(xiàn)

[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(jìn).無(wú)線通信基礎(chǔ)[M].北京：人民郵電出版社，2007：26-27.