LTE高鐵環(huán)境下OFDM載波間干擾消除優(yōu)化研究

徐 巖， 丁 峰

(蘭州交通大學 電子與信息工程學院，甘肅 蘭州 730070)

高速鐵路場景下的無線通信與傳統(tǒng)的陸地移動通信相比有著顯著的區(qū)別[1-2]，高速運行列車所引起的多普勒平移與快衰落使通信信道成為非恒定時變信道，以致產生載波間干擾，最終導致產生通信信道內的載波間干擾ICI(Inter-Carrier Interference)，這會對信號傳輸?shù)恼`碼率[3]性能產生影響，嚴重破壞了高速鐵路的無線通信環(huán)境。

目前國內外對ICI載波間干擾的主要解決方法有均衡算法和自消除算法，文獻[4]采用最小均方誤差均衡算法，但該算法當載波數(shù)較大時，因其計算復雜度較高難以完全實現(xiàn)；文獻[5]采用并行干擾消除算法，通過對子載波進行粗均衡后消除干擾矩陣中的非對角線元素，此法運算速度較快，但在高速場景下其接入信道為雙選擇性信道，粗均衡誤差較大，準確度難以提高。對于干擾自消除技術，其核心是通過對發(fā)射信號和接收信號進行處理，使其每個接收信號上的ICI能夠從內部相互抵消[6]，此類方法的優(yōu)點是采用了差分調制，因此不需要對信道進行估計，但載波利用率僅為50%。文獻[7]在此基礎上提出相位旋轉共扼消除算法，算法在時不變信道中能達到較好的ICI消除效果，但對于高速移動場景下所產生的時變信道卻很難達到預期的效果。

本文提出一種重新排列發(fā)射端數(shù)據(jù)結構改變子載波序列的映射方式，將循環(huán)前綴CP(Cyclic Prefix)序列與各子序列最優(yōu)函數(shù)加權相結合，這能有效抑制接收到的符號干擾，消弱LTE通信系統(tǒng)中由子載波頻偏所引發(fā)的不良影響。

1 系統(tǒng)模型

本文以京張高速客專為例進行分析，通過圖1測量的多場景下的信道概率密度函數(shù)PDF(Probability Density Functionn)，可以得出接近90%的信道沖擊響應為單徑、2徑和多徑的總概率只占10%左右，列車主要運行的場景為丘陵和平原高架，其多徑特征相似，信道沖激響應以單徑為主。

圖1 京張鐵路不同場景下的多徑數(shù)量

高鐵LTE采用雙通道遠端射頻單元RRU (Radio Remote Unit)技術進行覆蓋組網[8]，完全區(qū)別于傳統(tǒng)低速通信場景下服從瑞利衰落分布的Jakes信道模型[9]，因此需要對現(xiàn)有的陸地通信結論加以改進。本文針對高鐵信道模型進行建模，在實際運營環(huán)境中，郊區(qū)丘陵等地區(qū)基站和高速列車間的大型建筑物較為稀少，以直射徑為主，從而存在一條較強的直射徑與若干條非直射經。綜合以上因素并結合考慮鐵路沿線通信基站對信道的多徑時延的影響，可采用萊斯衰落信道模型來模擬高鐵信道，為簡化其算法的復雜度，本文提出了一種線性模型，將信號接收到的到達角AOA(Angle of Arrival)均勻分布，并將散射信號相同分布，最終通過一階泰勒級數(shù)表達，其信道的沖激響應可以表示為

h(n)≈nh1+h0

( 1 )

式中:h0為OFDM同步的平均信道數(shù);h1為時域信道所接收到的樣本信號，且它們均為常系數(shù)。

一個由N個子載波構成的模擬OFDM系統(tǒng)，若系統(tǒng)的總帶寬為B，被分解成N個帶寬相同的子通道，子通道間的頻率間隔為

( 2 )

頻域信號通過逆快速傅里葉變換IFFT表示為

0≤N≤N-1

( 3 )

式中:X(k)為OFDM輸出的頻域信號。為消除載波間干擾，需在各有效的OFDM符號前插入一個循環(huán)前綴CP信號，即在x(n)前插入保護時間間隔長度為Lg的循環(huán)前綴，從而生成等效傳輸信號。基帶傳輸?shù)腛FDM信號的符號x(n)長度為N+Lg,可表示為

x(n)=x(n+N-Lg) 0≤n≤Lg+N-1

( 4 )

當接收信號歷經頻率選擇性多徑衰落后，則接收到的信號可以表示為

( 5 )

式中:h(n)為信道的沖激響應;w(n)為時域加性高斯白噪聲。所接收到的時域信號y(n)可以通過快速傅里葉變換得到其頻域表達式為

k∈[0,N-1]

( 6 )

式中:W(k)為信道加性噪聲的快速傅里葉變化。

由于列車高速移動所導致的多普勒平移致使信道變成非恒定的時變信道，可分為受干擾部分的信道沖激響應式( 7 )和未受干擾下的沖擊響應式( 8 )兩種情況分別進行討論。

( 7 )

(8)

式中:H(k,m)為第k個子載波與第m信道的沖激響應。高速環(huán)境下LTE的OFDM系統(tǒng)在一個符號的持續(xù)時間內與多普勒頻率相比，子載波間隔較大，此時的信道變化充分滿足線性近似，可將信道的沖激響應用線性模型來替代，將OFDM符號周期內的每一個時變信道路徑用h(n)進行近似實現(xiàn)[10]。因此ε(k,k)和ε(k,m)分別表示為

( 9 )

(10)

代入原公式并化簡可得頻域信號Y(k)。

k=0,1,…,N-1

(11)

從式(11)中可以看出，接收端所接收到的頻域信號Y(k)不僅包含每個載波原有發(fā)送的期望信號，還包括了式(11)中的第2項，為其他載波對當前載波的ICI干擾部分。假設信號處于傳統(tǒng)低速通信場景瑞利衰落分布的Jakes信道模型[11]，OFDM符號將在一個信道的傳輸過程中不會隨時間而發(fā)生改變，即每個復雜路徑增益是一個時不變系統(tǒng)，故此時的H(k,m)=0。式(11)中的ICI干擾部分為零，此時可以判斷ICI干擾項將不復存在， FFT只解調第k個子載波上的調制數(shù)據(jù)信號。然而，這種假設并不適用于高速移動列車通信條件下的時變通信系統(tǒng)，尤其對高多普勒引起的時變性所產生的子載波間干擾ICI有巨大影響。若不通過補償?shù)仁侄芜_到減小或者消除， ICI干擾項部分將得不到消除。

2 基于ICI的自消除和函數(shù)線性加權聯(lián)合算法

由以上可知Lg為CP的循環(huán)前綴，并進一步假設CP循環(huán)前綴的長度比最大傳播延時L-1長，因此CP循環(huán)前綴中將會出現(xiàn)部分未受到ICI[12]的干擾部分，如圖2所示，其長度可表述為

q=Lg-L+1

(12)

圖2 接收端抽取的時域信號子序列

接收端所接收到的信號，按OFDM序列的長度，可以劃分為q+1個時域子序列，分別用y0,y1,…，yq來表示[13-14]，其子序列可以表示為

k=0,1,…,N-1

(13)

對時域序列進行N點的FFT變換，可以得到頻域子序列Yd(k)為

X(k)ej2πm(n-d-l)/ne-j2πkn/Nej2πdk/N+

(14)

通過利用接收端所接收的每一個符號序列，對式(14)中未被干擾的序列抽取其子序列，并通過對接收的頻域子序列設計合適的權值，使其能夠有效減小ICI，最終得到一個使ICI減小且長度保持不變的OFDM符號序列Z(k)，可用于接收的期望信號項、ICI干擾項和高斯白噪聲干擾項表示為

k=0,1,…,N-1

(15)

式中：

(16)

(17)

(18)

圖3 子序列加權流程

(19)

(20)

(21)

(22)

且滿足

(23)

這種權值的分配設置可將其接收到干擾部分少的子序列分配更大的權重值，使受到干擾嚴重的子序列分得更少的權重值，在相對于線性平均加權計算復雜度沒有增加的前提下，性能卻得到了大幅度提升，通過這種合理配置方案能有效地抑制ICI干擾。

圖4 一次函數(shù)線性權值分配

3 試驗仿真與分析

采用線性信道模型對時變信道進行仿真時，可通過SIR接收機輸入端接收信號質量和BER指標對系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃赃M行評估，然后比較優(yōu)化后的BER的量值，分析ICI性能與系統(tǒng)性能間的期望值變化，仿真參數(shù)如表1所示[16]。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖5為在速度為350 km/h條件下分別對加權聯(lián)合算法、自消除算法及原始標準算法進行SIR仿真分析及比較，可以看出在相同歸一化多普勒頻率的條件下，ICI自消除和一次函數(shù)線性加權聯(lián)合算法，比使用自消除算法在性能上得到了進一步的提升。聯(lián)合算法甚至比原始算法下的SIR性能至少提高10 dB以上，有效改善了系統(tǒng)的通信性能。究其主要原因是在沒有其他衰減的情況下，接收的所有信息都被解碼到了規(guī)定的信號中。這種ICI消除模式對于OFDM的影響是顯著的，它保證了能量在整個SIR范圍內不會快速下降。

圖5 聯(lián)合算法對SIR的改善(350 km/h)

從圖6可以看出，采用基于ICI自消除和一次函數(shù)線性加權聯(lián)合算法的BER性能，幾乎能達到與萊斯信道模型理論值相接近的效果。但將系統(tǒng)應用于時變信道時，信道存在較為嚴重的多普勒頻移擴展，從仿真圖圖7中可以看出，本文所提出的聯(lián)合算法能明顯降低誤碼率，從而說明該方法對時變和非時變信道均能夠適應。

圖6 萊斯衰落非時變信道模型的BER性能

圖7 時變信道模型的BER性能

為了驗證該方法是否能在不同的速度區(qū)間均能達到預期的效果，圖8仿真了在100～400 km/h速度區(qū)間段的誤碼率性能，可看出本文所提出的聯(lián)合算法的BER指標均明顯低于OFDM系統(tǒng)和自消除算法對應的BER，再次驗證了本聯(lián)合算法在各個速度范圍內均能有效地降低BER。

圖8 BER隨列車速度變化曲線

4 結束語

本文從載波間干擾ICI與LTE系統(tǒng)BER性能的角度進行分析比較，討論了ICI對OFDM的影響。針對超高速移動場景下的非平穩(wěn)時變信道LTE系統(tǒng)的ICI消除問題，本文在降低計算復雜度的線性模型的基礎上提出了一種ICI自消除一次函數(shù)線性加權聯(lián)合算法，仿真實驗表明，該自消除聯(lián)合算法不僅能有效減小ICI干擾，提高系統(tǒng)的SIR，在時變及非時變信道中均表現(xiàn)良好，也能在不同速度區(qū)間內有效降低通信誤碼率，提高車輛高速運行時的通信質量。