OFDM關鍵技術在高鐵中的應用分析

摘#8195;要OFDM技術在高速鐵路通信中具有很好的實用性，缺點是OFDM對頻偏敏感，文章針對在高速移動環(huán)境下由多普勒效應所帶來的ICI進行研究分析解決方案，確定ICI自消除法比較適合高速鐵路通信并能保證實時性和可靠性，提出基于自適應調(diào)制的ICI自消除方案。

關鍵詞OFDM；多普勒頻移；ICI；自消除

中圖分類號TN851文獻標識碼A文章編號1673-9671-(2012)041-0131-01

OFDM是多載波調(diào)制的一種方式，基本原理是將高速的數(shù)據(jù)流分解成許多低速率的子數(shù)據(jù)流，利用相互正交并且重疊的多個子載波同時傳輸，主要優(yōu)點是多徑失真低，抗符號間干擾（ISI）能力強，頻帶利用率很高，但對頻偏的敏感性是OFDM的一個主要缺點。多普勒頻移帶來的載波間干擾（ICI）會破壞子載波間的正交性，在高速移動環(huán)境下，速度越高，影響越大，解決難度越大，對技術要求越高，因此研究在高速移動通信環(huán)境下的對抗多普勒頻移成為亟待解決的問題。

1應用OFDM技術現(xiàn)狀

1.1OFDM系統(tǒng)的優(yōu)點

1）通過串并轉(zhuǎn)換高速率數(shù)據(jù)流的方式，相對增加每個子載波上數(shù)據(jù)符號的持續(xù)長度，無線信道的時間彌散所帶來的ISI會被有效減少，接收機內(nèi)均衡的復雜度也會被減少，有時也可僅通過采用插入循環(huán)前綴的方法，不采用均衡器進行消除ISI的不利影響。

2）OFDM系統(tǒng)各個子載波之間存在正交性，子信道的頻譜可以相互重疊，與傳統(tǒng)的頻分多路傳輸方法（頻帶分為若干個不相交的子頻帶來傳輸并行數(shù)據(jù)流）相比，OFDM系統(tǒng)可最大限度充分利用頻譜資源。

3）采用IDFT和DFT的方法，可實現(xiàn)各個子信道中正交調(diào)制和解調(diào)，而快速傅立葉（FFT）方法則適用于N很大的系統(tǒng)。而隨著大規(guī)模集成電路技術與DSP技術的發(fā)展，IFFT與FFT都是非常容易實現(xiàn)的。

4）無線數(shù)據(jù)業(yè)務一般存在非對稱性，即下行鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要大于上行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量，這就要求物理層支持非對稱高速率數(shù)據(jù)傳輸，OFDM系統(tǒng)可以通過使用不同數(shù)量的子信道來實現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。

5）OFDM可以容易的與其他多種接入方法結(jié)合使用，構(gòu)成OFDMA系統(tǒng)，其中包括多載波碼分多址MC-CDMA、跳頻OFDM以及OFDM-TDMA等等，使得多個用戶可以同時利用OFDM技術進行信息的傳輸。

1.2OFDM系統(tǒng)的缺點

1）峰值平均功率比較高。當多載波系統(tǒng)多個信號相位一致時，疊加信號瞬時功率會遠高于信號平均功率，導致出現(xiàn)較大的峰值平均功率比（PAPR：Peak-to-Average power Ratio）。這就對發(fā)射機內(nèi)放大器的線性提出了很高的要求，可能帶來信號畸變，使信號的頻譜發(fā)生變化，從而導致各個子信道間的正交性遭到破壞，產(chǎn)生干擾，使系統(tǒng)的性能惡化。

2）易受頻率偏差的影響。由于子信道的頻譜相互覆蓋，這就對它們之間的正交性提出了嚴格的要求。OFDM系統(tǒng)對頻率偏差敏感，由于無線信道的時變性，在傳輸過程中出現(xiàn)無線信號的頻譜偏移，或發(fā)射機與接收機本地振蕩器之間存在頻率偏差時，會破壞OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性。而鐵路通信中，高速移動環(huán)境必然會帶來很大的多普勒頻移，從而使得OFDM 系統(tǒng)的性能急劇變壞。因此要想將OFDM技術應用于高速鐵路，則最大的問題就在于此，所以研究如何減小或消除由多普勒頻移到來的ICI影響具有實際應用意義。因此要想將OFDM技術應用于高速鐵路，則最大的問題就在于此，所以研究如何減小或消除由多普勒頻移到來的ICI影響具有實際應用意義。

2解決方案

2.1ICI自消除方案及基于自適應調(diào)制的ICI自消除方案

1）采用ICI自消除方案，數(shù)據(jù)源為二進制信號源，子載波采用4PSK的調(diào)制解調(diào)，應用ICI消除調(diào)制和解調(diào)，信道為多徑衰落信道。

2）采用基于自適應調(diào)制的ICI自消除方案。與原來的ICI自消除方案的不同地方在于加入了IEEE802.11a模型中的自適應調(diào)制模塊，OFDM符號的每個子載波上可選則采用BPSK、QPSK、16QAM和64QAM四種調(diào)制方式，經(jīng)過編碼之后的數(shù)據(jù)速率可達6 Mbit/s～54 Mbit/s。

2.2仿真結(jié)果分析

1）按照最大多普勒頻移取定值，根據(jù)不同的信噪比驗證OFDM系統(tǒng)的可靠性，即驗證發(fā)送端和接收端的數(shù)據(jù)誤比特率，比較頻移均為200 Hz，信噪比變化從0到30 dB，在200 Hz的頻移下，兩種系統(tǒng)的性能幾乎一樣，區(qū)分并不明顯，因此兩種方法都能達到較好的效果。

2）比較頻移均為416 Hz時，信噪比變化從0 dB到30 dB，在416 Hz的頻移下，兩種系統(tǒng)的性能打開差距，基于自適應調(diào)制的ICI自消除方案誤碼性能要比原來的ICI自消除方案好。

3）比較頻移均為800 Hz時，信噪比變化從0 dB到30 dB，在800 Hz的頻移下，ICI自消除方案誤碼性能要比原來的ICI自消除方案好。

4）比較頻移均為1150 Hz時，信噪比變化從0 dB到30 dB，在1150 Hz的頻移下，效果同3）。

2.3優(yōu)勢與不足

基于自適應調(diào)制的ICI自消除方案在中等到較大多普勒頻移的情況下要比原有的ICI自消除方案更有優(yōu)勢，鐵路運輸在不同的行車區(qū)間內(nèi)能預測行車的速度，進而多普勒頻移可近似得出處于變化的信道狀態(tài)更適用基于自適應調(diào)制的ICI自消除方案。

將基于自適應調(diào)制的ICI自消除策略應用于高速鐵路無線移動通信中好處在于一是不用進行復雜的頻偏估計，整個系統(tǒng)復雜度降低，保證鐵路通信的實時性。二是由鐵路通信特有的預測性特點，能大致預測出不同時間段的車速進而計算出Doppler頻移，根據(jù)不同的通信信道狀況采取不同的調(diào)制手段，提高高速鐵路通信的可靠性。

參考文獻

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[2]李賀冰.Simulink通信仿真教程[M].北京:國防工業(yè)出版社，2006.