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原文传递非完备信道估计条件下高移动无线通信多普勒分集传输技术

论文题名：	非完备信道估计条件下高移动无线通信多普勒分集传输技术
关键词：	高速铁路;移动通信;多普勒效应;分集传输;信道估计
摘要：	作为国民经济增长的重要支撑，近年来我国交通和无线通信事业发展迅猛。截至2015年底，我国高速铁路(HSR)营业里程将达到1.9万公里，占世界的60％以上;另一方面，我国在无线通信领域也取得了重大突破，我国主导的第4代(4G)移动通信标准时分双工-长期演进(TD-LTE)已经开始大规模商用。交通和无线通信的高速发展衍生了两者之间相互渗透的需求。为了确保列车（特别是高速列车）平稳、安全、高效运营，需要利用通信和信息处理技术(ICT)支撑，满足列车调度控制等信息传输需求;而随着移动数据流量和海量设备连接爆炸性增长、各类新业务和应用场景不断涌现，如何在高速移动场景下提供可靠、稳定、快速、高效的宽带无线通信服务，是第5代(5G)移动通信以及未来无线通信系统面临的重要挑战。　　基于铁路数字移动通信系统(GSM-R)，我国已初步建成一张铁路移动通信网络，可基本满足列车调度控制等通信需求。然而，面对旅客宽带无线通信以及车载无线传感网络大数据传输需求，现有无线通信仍存在技术瓶颈。基于此，本文研究高速移动场景下宽带无线传输技术面临的重要挑战，即发送接收机相对运动引起的多普勒效应。多普勒效应引起无线信道快速衰落，严重影响信道估计和符号检测的准确性，造成系统性能急剧恶化。本文利用多普勒分集传输技术对抗多普勒效应，重点研究非完备信道估计条件(CSI)下的多普勒分集传输技术，包括对经典多普勒分集预编码算法的分析与改进，非完备信道估计条件下多普勒分集传输的方案设计，以及多普勒分集传输的理论极限和系统实现。　　首先，传统的多普勒分集技术通常采取发送接收联合设计，即发送端进行预编码、接收端分离合并以获得最大多普勒分集。经典的多普勒分集预编码方案需要根据不同移动速度引入冗余，既降低频谱效率，又增加实现复杂度，同时对移动速度的适配性也不佳。本文基于实现最大多普勒分集的设计准则，提炼实现最大多普勒分集传输的本质，提出预编码方案的改进策略，并从理论上验证了DDM等高谱效预编码器可实现最大多普勒分集。改进的预编码方案利用离散反傅立叶变换(IDFT)矩阵或其他方法对时域信号编码，将数据符号复用至多普勒域发送;在接收端进行干扰消除和分集合并，以获取最大多普勒分集。相对经典的预编码器，不必随移动速度或多普勒扩展变化做出调整，可直接应用于任意调制方式、任意移动速度的无线通信系统。同时，改进的预编码方案不引入额外冗余，因而有效地提高了系统的频谱效率。　　其次，传统的多普勒分集传输通常假定可获得完备的信道估计，然而在高移动场景下往往不能获得精确及时的信道估计。因而，研究非完备信道估计条件下的多普勒分集传输更具挑战与实际意义。为了弄清多普勒分集与信道估计误差之间的相互关系，本文分析并设计了存在信道估计误差的多普勒分集传输系统。本文基于导频辅助传输系统，对快时变信道进行估计，通过分析估计信道及其误差的统计信息，提出了最优多普勒分集合并方案，并推导出系统的误码率(SER)，从而量化了非完备信道信息对系统性能的影响，给出了多普勒分集增益和信道估计误差的折衷关系。研究表明，系统误码率是多普勒扩展的拟凸函数且随导频比例上升单调降低。当导频比例足够高，可提供良好信道估计时，误码性能可逼近完备信道下的多普勒分集;但若导频比例过低，信道估计误差较大，与完备信道估计下多普勒分集相比，误码性能有较大恶化。　　接着，作者进一步研究了非完备信道条件下多普勒分集传输所能达到的理论极限。多普勒分集与信道估计误差的折衷决定了非完备信道估计条件下多普勒分集传输的系统性能，主要与导频所占比例、数据和导频符合之间的能量分配相关。在获得最优多普勒分集接收机理论误码率的基础上，利用渐近分析的数学方法，分析了它们对系统性能的影响，并给出了多普勒分集系统分别在完备信道估计假定和非完备信道估计时所能获得的最大多普勒分集阶，以及信道估计误差引起的性能损失。研究表明，当导频比例足够高且导频与数据传输能量呈线性关系时，信道估计误差不影响系统可获得的最大多普勒分集阶，非完备信道估计条件下的多普勒分集系统可达到完备信道估计假定时一致的最大分集阶，即二倍最大多普勒频偏（按单位时间归一化）;但前者相对后者存在不可消除的性能损失，进一步对功率进行优化可以将性能损耗降到最低。　　最后，论文提出了根据关于信道估计误差、多普勒分集阶、SNR损耗的三项设计准则，设计了一种实用的多普勒分集传输系统，保证在高能效高谱效前提下，尽量逼近非完备信道估计条件下系统性能的理论极限。论文的主要思路为，在发送端采用高谱效的DDM预编码算法以提升频谱效率，采用先进的能效算法对数据和导频符合的能量分配进行优化;在接收端，结合信道估计信息设计次优的低复杂度高性能接收机，即块判决均衡反馈算法，并推导其对应的错误性能。通过发送和接收的联合设计，可综合提升多普勒分集传输系统的能效谱效。研究表明，通过合理的设计，高能效高谱效多普勒分集传输系统适合在高移动场景下工作，虽然系统性能相对理论下界略有损失，但仍可获得较好的分集增益，并可达到与理论极限一致的最大分集阶。
作者：	周维曦
专业：	通信与信息系统
导师：	范平志;吴敬先
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文