高移動(dòng)性信道估計(jì)及干擾抑制技術(shù)研究.pdf

1、隨著高速鐵路、高速公路車(chē)輛、以及低空飛行系統(tǒng)的快速發(fā)展，高移動(dòng)性場(chǎng)景中的無(wú)線通信已經(jīng)受到了人們的廣泛關(guān)注。近幾年來(lái)，高速鐵路更是在我國(guó)蓬勃發(fā)展，為國(guó)民的經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了強(qiáng)勁動(dòng)力。與此同時(shí)，人們?cè)诟哞F列車(chē)中使用通信工具的機(jī)會(huì)越來(lái)越多，對(duì)高移動(dòng)性環(huán)境下通信服務(wù)種類(lèi)和質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。然而，在高移動(dòng)性場(chǎng)景中，列車(chē)運(yùn)行時(shí)速通?？梢愿哌_(dá)200km/h–350km/h，列車(chē)高速移動(dòng)引起的諸如信道快衰落嚴(yán)重、復(fù)雜的干擾環(huán)境、劇烈多普勒頻移變化、切換

2、區(qū)穿越頻繁等問(wèn)題使得現(xiàn)有通信技術(shù)不再適用。因此，如何在高移動(dòng)性系統(tǒng)中為用戶提供高速、穩(wěn)定的寬帶無(wú)線通信服務(wù)已成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。目前，正交頻分復(fù)用技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）已被廣泛應(yīng)用于高移動(dòng)性系統(tǒng)以提供高速率的寬帶無(wú)線通信服務(wù)。本文旨在研究高移動(dòng)OFDM系統(tǒng)中的信道估計(jì)及干擾抑制技術(shù)，以高鐵無(wú)線通信系統(tǒng)為切入點(diǎn)，深入探究列車(chē)地理位置信息與系統(tǒng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，并

3、在此基礎(chǔ)上提出一系列高效可靠的解決方案。本文的主要成果包括：
　　首先，本文針對(duì)高移動(dòng)OFDM系統(tǒng)，研究列車(chē)地理位置信息與時(shí)延-多普勒域內(nèi)高移動(dòng)信道的內(nèi)在聯(lián)系，推導(dǎo)地理位置信息與信道決定性信道系數(shù)的具體關(guān)系，并提出一種基于地理位置信息的決定性信道模型。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)高移動(dòng)信道在時(shí)延-多普勒域內(nèi)的稀疏特性，提出一種基于地理位置信息的壓縮感知（Compressed Sensing，CS）信道估計(jì)算法。本方法能夠利用地理位置信息和信道

4、的稀疏特性降低信道估計(jì)的計(jì)算復(fù)雜度和所需的導(dǎo)頻數(shù)量，從而提升系統(tǒng)頻譜效率。然后，以最小化系統(tǒng)平均相關(guān)度為目標(biāo)，聯(lián)合設(shè)計(jì)最優(yōu)的導(dǎo)頻符號(hào)和導(dǎo)頻位置，以進(jìn)一步提升基于壓縮感知算法的信道估計(jì)精度。同時(shí)，給出真實(shí)系統(tǒng)中的實(shí)施方案，并設(shè)計(jì)最優(yōu)導(dǎo)頻碼本。仿真結(jié)果表明本方法能夠有效提升信道估計(jì)精度，降低了系統(tǒng)誤碼率。
　　其次，本文針對(duì)高移動(dòng)單輸入多輸出（Single-Input Multiple-Output，SIMO）OFDM系統(tǒng)，使用基擴(kuò)展

5、模型（Basis Expansion Model，BEM）對(duì)高移動(dòng)信道進(jìn)行建模，推導(dǎo)出列車(chē)地理位置與BEM模型中的決定性信道系數(shù)、決定性信道模型的具體關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，提出一種基于地理位置信息的低復(fù)雜度載波間干擾（Inter-Carrier Interference，ICI）抑制方法，以利用地理位置信息降低ICI引起的信道估計(jì)誤差。特別的，此方法在復(fù)指數(shù)BEM（Complex-Exponential BE-M，CE-BEM）模型中可以在

6、完全消除ICI對(duì)于導(dǎo)頻信號(hào)的影響。此外，本方法無(wú)需借助保護(hù)導(dǎo)頻，從而有效提升系統(tǒng)的頻譜效率。接著，提出一種低相關(guān)度的導(dǎo)頻位置設(shè)計(jì)算法以進(jìn)一步提升信道估計(jì)精度，并得到與列車(chē)地理位置、移動(dòng)速度、多普勒頻移大小、接收天線個(gè)數(shù)無(wú)關(guān)的最優(yōu)導(dǎo)頻位置。仿真結(jié)果表明本方法在高移動(dòng)性場(chǎng)景中能夠有效抑制ICI對(duì)于導(dǎo)頻信號(hào)的影響，提升了信道估計(jì)精度。此外，與現(xiàn)有方法相比，本方法具有性能不受高移動(dòng)性和多普勒頻移快速變化影響的特點(diǎn)，對(duì)于高移動(dòng)系統(tǒng)具有更好的魯棒性

7、。
　　最后，本文針對(duì)多小區(qū)高移動(dòng)OFDM系統(tǒng)，推導(dǎo)出多小區(qū)系統(tǒng)中列車(chē)地理位置信息與BEM高移動(dòng)信道模型中決定性信道系數(shù)和決定性信道模型的關(guān)系，并提出一種基于地理位置信息的簡(jiǎn)化信道模型。然后，針對(duì)通用BEM模型提出一種基于地理位置信息的干擾抑制方法。本方法可以在通用BEM中完全消除接收天線處小區(qū)間干擾（Multi-Cell Interference，MCI）與ICI對(duì)于導(dǎo)頻信號(hào)的影響，且方法性能不受系統(tǒng)移動(dòng)速度和地理位置變化所影響

8、。特別的，本方法無(wú)需借助保護(hù)導(dǎo)頻，有效提升了系統(tǒng)的頻譜效率，并對(duì)不同的BEM模型具有較好的魯棒性。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)多小區(qū)多天線系統(tǒng)，提出一種低復(fù)雜度的壓縮感知信道聯(lián)合估計(jì)算法，并設(shè)計(jì)最優(yōu)導(dǎo)頻位置以進(jìn)一步提升信道估計(jì)精度。其中，最優(yōu)導(dǎo)頻位置與列車(chē)地理位置、列車(chē)速度、小區(qū)個(gè)數(shù)、接收天線個(gè)數(shù)無(wú)關(guān)。仿真結(jié)果表明本方法能夠有效抑制多小區(qū)高移動(dòng)性系統(tǒng)中MCI和ICI對(duì)于系統(tǒng)性能的影響，有效提升了系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性。
　　綜上所述，本文研究了高移