论文部分内容阅读
近年来,我国高速铁路迅速发展,现有的铁路移动通信系统已无法满足列车调度控制、运行监控以及乘客电信服务对通信系统大容量、高速率的要求,国际铁路联盟已经明确表示,铁路无线通信要跳跃式发展,从铁路数字移动通信系统GSM-R (Global System for Mobile communications-Railway)直接过渡到铁路下一代移动通信系统LTE-R (Long Term Evolution for Railway)。新一代高铁移动通信系统LTE-R面临着诸多的挑战,其中很重要的一点就是如何在复杂多变的高铁场景下实现信道状态信息的获取,准确进行信道估计。在高速铁路场景下,无线接入在基站之间频繁切换,对信道估计提出了快速高效的要求。另一方面,列车高速运动引起了显著的多普勒频移,使得OFDM系统子载波间干扰(Inter-Carrier Interference,ICI)严重,要求信道估计具有较高的准确性和稳定性。针对上述问题,必须深入研究适用于高速铁路场景的信道估计技术,提出一种能兼顾估计准确度与估计效率的信道估计策略,为高铁无线通信的安全性和服务质量奠定基础。本文围绕高速铁路的信道特性以及信道估计在效率和准确性方面的提升这两个核心议题,首先研究了传统的基于导频的信道估计的原理,以及最小二乘(Least Square, LS)、最小均方误差(Minimum Mean Square Error, MMSE)等常用的估计准则,其后依据实测数据探讨了高速铁路无线信道的小尺度衰落特性,分析了衰落的时间选择性和频率选择性,研究了多普勒扩展、相干时间、时延扩展、相干带宽等信道关键参数特点,明确了在此场景下进行信道估计所需要克服的难点,分析了仿真和模拟信道环境时所需要考虑的具体参数设置。最后在基扩展模型(Basic Expansion Model,BEM)信道估计技术的基础上研究了离散卡亨南-洛维基(Discrete Karhuen-Loeve, DKL)、离散椭球序列(Discrete ProlateSphere,DPS)等不同的基函数模型在高速下的性能差异和适用范围,并提出了LS/MMSE混合BEM信道估计策略。该策略首先运用LS准则对信道响应进行预估计,再利用相邻的OFDM符号之间的相关性,结合有限长冲激响应(Finite Impulse Response, FIR)滤波器,利用MMSE准则来对BEM参数的估计值进行二次优化。通过仿真,证明了LS/MMSE混合BEM信道估计策略能够使用较低的BEM阶数(Q≥2)以及较低的滤波器阶数(K≥5),达到较优的均方误差(Mean Square Error, MSE)估计性能(MSE<10-3),并可以在估计门限范围内,通过调整BEM模型的阶数以及滤波器的阶数,以减少每一径每个OFDM符号所需估计的参数量N＝Q+1+(Q+1)2K,在估计效率和准确性之间进行折中。