TD-LTE系統(tǒng)中多普勒效應(yīng)影響分析

張長(zhǎng)青 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)湖南有限公司岳陽(yáng)分公司高級(jí)工程師

TD-LTE系統(tǒng)中多普勒效應(yīng)影響分析

張長(zhǎng)青 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)湖南有限公司岳陽(yáng)分公司高級(jí)工程師

由于OFDM技術(shù)對(duì)多普勒效應(yīng)非常敏感，致使其成為影響TD-LTE系統(tǒng)性能的重要因素。本文簡(jiǎn)述了多普勒頻移和擴(kuò)展等多普勒效應(yīng)，分析了多普勒效應(yīng)對(duì)TD-LTE系統(tǒng)的影響，總結(jié)了TD-LTE系統(tǒng)中克服多普勒頻偏的估計(jì)算法和克服多普勒擴(kuò)展的分集算法，對(duì)TD-LTE系統(tǒng)的管理、維護(hù)和優(yōu)化有一定幫助。

TD-LTE 多普勒頻移 多普勒擴(kuò)展

1 引言

當(dāng)振源與觀察者之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者會(huì)發(fā)現(xiàn)振源的頻率發(fā)生了變化，若振源離觀察者而去，則振源頻率降低，波長(zhǎng)增加；若振源接近觀察者，則振源頻率升高，波長(zhǎng)減短，這就是多普勒效應(yīng)。在移動(dòng)通信中，當(dāng)用戶相對(duì)基站運(yùn)行時(shí)，若通信地貌環(huán)境理想，同樣會(huì)產(chǎn)生因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而出現(xiàn)的通信載頻的多普勒頻移；若通信地貌環(huán)境復(fù)雜，則多普勒頻移將受到無(wú)線信道多徑傳播特性影響，通信載頻的多普勒頻移譜線會(huì)被展寬為一段頻譜形成多普勒擴(kuò)展。多普勒擴(kuò)展是多普勒頻移和多徑效應(yīng)的共同產(chǎn)物。

在TD-LTE系統(tǒng)中，核心技術(shù)OFDM對(duì)多普勒效應(yīng)非常敏感，尤其是在高速公路、鐵路等高速移動(dòng)場(chǎng)景中，多普勒頻移和擴(kuò)展是導(dǎo)致無(wú)線鏈路不穩(wěn)、無(wú)線通信質(zhì)量變差、用戶通話性能惡化，從而引發(fā)話音斷續(xù)、掉話等嚴(yán)重的客戶感知問(wèn)題的重要因素。事實(shí)上，當(dāng)存在多普勒效應(yīng)時(shí)，僅靠增大發(fā)射功率來(lái)改善誤碼率性能是不夠的。實(shí)踐證明，盡可能對(duì)多普勒頻移做出準(zhǔn)確估計(jì)和正確校正，可以克服多普勒頻移；采用多普勒分集技術(shù)和冗余編碼映射等方法，同樣可以克服多普勒擴(kuò)展。

本文從理論上分析了多普勒頻移和擴(kuò)展等多普勒效應(yīng)，重點(diǎn)分析了多普勒效應(yīng)對(duì)TD-LTE系統(tǒng)的影響，最后總結(jié)了目前在TD-LTE系統(tǒng)中，克服多普勒效應(yīng)所采用的最大多普勒頻偏估計(jì)算法和多普勒分集算法等方法，并指出了這些方法的作用，對(duì)TD-LTE系統(tǒng)的管理、維護(hù)和優(yōu)化，具有一定的指導(dǎo)意義。

2 多普勒頻移

如圖1所示，在高速場(chǎng)景中，多普勒頻移可表示為：

圖1 高速移動(dòng)UE經(jīng)過(guò)基站eNB示意圖

公式（1）中θ為UE移動(dòng)方向和信號(hào)傳播方向的夾角，v是UE運(yùn)動(dòng)速度，c為電磁波傳播速度，f為T(mén)D-LTE的載波頻率。當(dāng)θ=0時(shí)，公式（1）中的fd=fm=v· f/c=v/λ是多普勒頻移最大值。設(shè)d為eNB與UE移動(dòng)方向間最小距離，則UE移動(dòng)方向和信號(hào)傳播方向的夾角余弦，徑向速度為。因此，最大多普勒頻率偏移為：

最大多普勒頻移對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)即最大多普勒頻移變化率為：

顯然，多普勒頻移的變化呈非線性關(guān)系。若UE在300km/h的高鐵上使用TD-LTE系統(tǒng)通信，分別取基站與高鐵最小距離為100、500、1000m的3種情況和列車(chē)時(shí)速為200、300、400km/h的3種情況，通信頻率為2600MHz，時(shí)間為-20s≤t≤20s，根據(jù)公式（2）和（3），可得最大多普勒頻移和最大多普勒頻移變化率與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系曲線（見(jiàn)圖2）。

如圖2所示，移動(dòng)通信過(guò)程中的多普勒頻移具有如下特點(diǎn)：

（1）載頻的頻率偏移隨UE位置變化而呈非線性變化，且局限在±fm范圍內(nèi)。

（2）UE在小區(qū)邊緣時(shí)頻移最大，駛過(guò)基站時(shí)頻移為0，但頻移出現(xiàn)由正向負(fù)越變。

（3）若UE鎖定下行信號(hào)頻率后發(fā)送上行信號(hào)，則上行接收將有2·fd頻移。

（4）基站離鐵路越近，基站附近的頻移越顯著，頻移變化率越快。

（5）UE速度越高，頻移越大，頻移變化率也越快。

3 多普勒擴(kuò)展

多普勒擴(kuò)展BD描述了無(wú)線信道時(shí)變性在多徑效應(yīng)后的頻譜展寬程度，是一種多徑效應(yīng)引起多普勒頻移的集體表現(xiàn)。無(wú)線移動(dòng)信道是一種時(shí)變信道，其復(fù)雜性往往致使發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)多次反射、折射、繞射合成后才能到達(dá)接收機(jī)，這些不同傳播路徑、時(shí)延的多徑信道的沖激響應(yīng)，實(shí)際上是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程。事實(shí)上，若通過(guò)多徑信道傳輸一個(gè)窄脈沖，則接收信號(hào)端將呈現(xiàn)一個(gè)窄脈沖序列譜，圖3所示為在時(shí)域上發(fā)射的單個(gè)脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)多徑信道的沖激響應(yīng)后，變成多個(gè)脈沖組成的序列，這就是頻譜擴(kuò)展。

若基站天線發(fā)射的載波信號(hào)為諧波，則：

圖2 多普勒頻移和多普勒頻移變化率非線性曲線

圖3 多徑信道對(duì)單脈沖的擴(kuò)展示意

公式中α0為振幅，f0為載波頻率。經(jīng)過(guò)多徑數(shù)為N的多徑傳輸后，第i徑到達(dá)接收天線的信號(hào)為Si(t)，若振幅為αi，Si(t)與用戶終端運(yùn)動(dòng)方向夾角為θi，多普勒頻移值為fd,i=fm,icosθi，第i徑到達(dá)時(shí)間（多徑時(shí)延）為τi，則多徑傳輸中第i條路徑到達(dá)接收天線的信號(hào)變?yōu)椋?/p>

若多徑信道有N條，接收天線接收的信號(hào)S(t)為多徑信道各散射信號(hào)Si(t)之和：

設(shè)α0=1，載波f0=5Hz，根據(jù)公式（4），發(fā)射天線的發(fā)射信號(hào)是圖4左側(cè)中的淺色線，即頻率為5Hz振幅為1的諧波。設(shè)多徑數(shù)N=20，多徑振幅αi=rand(1,N)，多普勒頻移fd,i=rand(1,N)Hz，時(shí)延τi=rand(1,N)s，根據(jù)公式（5），接收天線收到單徑傳輸+多譜勒頻移的信號(hào)如圖4左側(cè)中深色線所示，為頻率超過(guò)5Hz振幅小于1的諧波。根據(jù)公式（6），接收天線收到的經(jīng)過(guò)N條多徑傳輸?shù)亩嗥绽照箤捄蟮男盘?hào)如圖4右側(cè)中淺色線所示，顯然，經(jīng)過(guò)多普勒展寬后的信號(hào)與經(jīng)過(guò)多普勒頻移后的信號(hào)相比，頻譜發(fā)生了很大變化，頻率變化大，振幅變化更大，已經(jīng)完全不是諧波了。

顯然，多普勒展寬對(duì)載波產(chǎn)生的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜于多普勒頻移，克服多普勒展寬的技術(shù)要比克服多普多普勒頻移復(fù)雜得多。

4 多普勒效應(yīng)對(duì)TD-LTE的影響

在TD-LTE系統(tǒng)的上下行資源中，每個(gè)子幀包含2個(gè)時(shí)長(zhǎng)為0.5ms的時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙在常規(guī)CP下由7個(gè)OFDM符號(hào)組成，所以每個(gè)OFDM符號(hào)寬度為T(mén)b=0.5ms/7≈0.071ms。設(shè)高鐵速度為300km/h，TD-LTE系統(tǒng)頻率為2600MHz，多普勒擴(kuò)展相關(guān)時(shí)間為T(mén)c=c/(vf)=0.722ms，根據(jù)移動(dòng)通信理論，無(wú)線信道若滿足Tb＜＜Tc，則為慢衰落信道，否則為快衰落信道，高鐵環(huán)境下的無(wú)線信道接近慢衰落信道。

TD-LTE的OFDM是一種將高速串行數(shù)據(jù)變換成多路低速并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖虞d波調(diào)制技術(shù)，采用復(fù)雜度極低的IFFT算法可生成高達(dá)2048個(gè)子載波。雖然這種串并轉(zhuǎn)換在時(shí)域上大大擴(kuò)展了符號(hào)的寬度Tb、提高了抗多徑衰落的性能、獲得了對(duì)時(shí)延擴(kuò)散的抵抗能力，但符號(hào)脈寬變大，在高速移動(dòng)時(shí)就不能滿足Tb＜＜Tc的條件，無(wú)線信道將表現(xiàn)為快衰落特性，所以多徑效應(yīng)與多普勒效應(yīng)引起的頻域擴(kuò)展會(huì)使傳輸信號(hào)失真。

圖4 多徑效應(yīng)下的多普勒擴(kuò)展對(duì)傳輸信號(hào)產(chǎn)生的作用

設(shè)高速串行數(shù)據(jù)流{d0,d1,…,dn,…,dN-1}，經(jīng)串并變換后為{d0},{d1},…,{dn},…,{dN-1}，其中{dn}為第n個(gè)子載波傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流，n=0,1,…,N-1，N為子載波總數(shù)。設(shè)第n個(gè)子載波頻率為fn，若子載波頻域間隔為1/T，則fn=n/T。T也是每個(gè)OFDM符號(hào)長(zhǎng)度，若對(duì)每個(gè)OFDM符號(hào)同樣采樣N個(gè)值，采樣間隔為T(mén)/N，第k個(gè)采樣對(duì)應(yīng)的時(shí)間t=k·T/N，k=0,1,…,N-1，則高速串行數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換、IFFT、離散采樣和D/A轉(zhuǎn)換后，在發(fā)射天線發(fā)射的、N個(gè)子載波上的、一個(gè)OFDM符號(hào)中第k個(gè)采樣值所表達(dá)的OFDM信號(hào)為：

設(shè)多普勒頻移和振蕩頻率差異導(dǎo)致的頻偏為Δf，相位偏差為Δφ，接收端經(jīng)過(guò)多普勒效應(yīng)后的載波頻率和相位分別為ff=f+Δf和φφ=φ+Δφ，則接收天線上收到的模擬信號(hào)可表示為：

設(shè)一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)的多普勒頻偏采樣周期為T(mén)s，則第k個(gè)采樣值對(duì)應(yīng)的Δft=ΔfkTs，經(jīng)采樣和FFT變換后，整理簡(jiǎn)化得接收信號(hào)中N個(gè)子載波上、一個(gè)OFDM符號(hào)中第k個(gè)采樣值表示的解調(diào)數(shù)據(jù)為：

若系統(tǒng)僅有多普勒頻偏，即Δf≠0，Δφ=0，則公式（9）整理后簡(jiǎn)化為：

若對(duì)一個(gè)OFDM符號(hào)中N個(gè)采樣值求和，則接收天線收到所有子載波上一個(gè)OFDM符號(hào)的解調(diào)數(shù)據(jù)為：

在公式（11）的前兩個(gè)求和中，當(dāng)m=n時(shí)是子載波自身操作，當(dāng)m≠n時(shí)是n子載波除自身外對(duì)其他所有子載波的操作，若將公式（11）按m=n和m≠n兩項(xiàng)拆開(kāi)，且只分析n子載波相對(duì)其他子載波，則公式（11）簡(jiǎn)化為：

據(jù)sinφ=(exp(jφ)-exp(-jφ))/(2j)，得1-exp(j2φ)= -(exp(jφ)-exp(-jφ))/exp(-jφ)=-j2sinφexp(jφ)，再用1+z+ z2+…+zN-1=(1-zN)/(1-z)，對(duì)公式（12）兩項(xiàng)中的采樣值k在一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)求和，則公式（12）簡(jiǎn)化為：

分析公式（13），除發(fā)射天線的發(fā)送數(shù)據(jù)序列dn外，第一項(xiàng)是n子載波僅受頻偏影響的結(jié)果，其中既有幅度衰減因子sin(πNΔfTs)/(Nsin(πΔfTs))，也有相位偏移因子exp[jπ(N-1)ΔfTs]；第二項(xiàng)為n子載波與m子載波間的干擾項(xiàng)，該項(xiàng)說(shuō)明多普勒頻偏Δf是破壞子載波間正交性、引起子載波間干擾、導(dǎo)致信噪比惡化的重要原因。

值得注意的是，這里并沒(méi)有考慮多徑效應(yīng)，若考慮多徑傳輸環(huán)境，多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的幅度衰減、相位偏移和子載波間干擾，將更為復(fù)雜和嚴(yán)重。所以，在高鐵、高速環(huán)境的管理、維護(hù)和優(yōu)化中，必須重視多普勒效應(yīng)對(duì)TD-LTE系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。

因公式（13）中幅度衰減因子是接收信號(hào)的能量E，根據(jù)定義由Δf引起的信噪比損失為：

若取信噪比Es/N0=20dB，多普勒頻偏0≤Δf≤300Hz，子載波數(shù)分別為N=16、32、64、128，OFDM符號(hào)采樣頻率fs=38KHz，采樣周期Ts=1/fs，據(jù)公式（13）中第一項(xiàng)和公式（14）得信號(hào)幅度衰減和信噪比損失如圖5所示。

多普勒頻移對(duì)OFDM信號(hào)產(chǎn)生的幅度衰減和信噪比損失較大，根據(jù)公式（14），若NΔfTs＜＜1或Δf＜＜1/NTs，可降低Dnf，單載波系統(tǒng)只需Δf＜＜1/Ts即可，說(shuō)明OFDM多載波系統(tǒng)性能損失對(duì)頻移要比單載波系統(tǒng)敏感，且隨子載波總數(shù)N增加而迅速增加，而與各子載波無(wú)關(guān)。而處理多普勒頻偏的技術(shù)又比較復(fù)雜，所以在TD-LTE系統(tǒng)的下行鏈路中采用的是OFDMA尋址技術(shù)，在上行鏈路中采用的是SC-FDMA尋址技術(shù)，因?yàn)榍罢呤腔荆梢猿惺軓?fù)雜的糾偏技術(shù)成本，后者是終端，采用簡(jiǎn)單的技術(shù)更為合適。

5 結(jié)束語(yǔ)

多普勒效應(yīng)和多徑效應(yīng)對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的影響是不可避免的客觀現(xiàn)象。在TD-LTE系統(tǒng)中，UE與NB之間的隨機(jī)移動(dòng)性，高速和高鐵通信環(huán)境具有彎道弧度小、環(huán)境開(kāi)闊、汽車(chē)和列車(chē)移動(dòng)速度快、與基站為條形分布等特點(diǎn)，使得基站距公路和鐵路近，基站與汽車(chē)和列車(chē)運(yùn)行所形成夾角小，汽車(chē)和列車(chē)速度快，因而導(dǎo)致多普勒頻移較大，根據(jù)上面的理論分析，不僅產(chǎn)生頻率偏移和相位偏移，改變傳輸載波頻率的振幅，還會(huì)破壞子載波間的正交性，形成載波間干擾。若高速和高鐵在城市或深山中穿過(guò)，則極易受到多徑傳輸影響而形成多普勒擴(kuò)展，引起載波頻率和載波振幅變化，產(chǎn)生載波間干擾等，情況將更為嚴(yán)重。

圖5 多普勒頻移產(chǎn)生的幅度衰減和信噪比損失

多普勒效應(yīng)對(duì)信道產(chǎn)生的衰落為時(shí)間選擇性衰落，對(duì)傳輸誤碼率有明顯影響，必須采取相應(yīng)抑制措施。目前，應(yīng)用于TD-LTE系統(tǒng)的最大多普勒頻偏估計(jì)技術(shù)主要有時(shí)域和頻域的自相關(guān)最大多普勒頻偏估計(jì)算法，前者通過(guò)循環(huán)前綴完成，但因部分循環(huán)前綴受到符號(hào)間干擾影響，會(huì)給估計(jì)帶來(lái)誤差；后者在高速移動(dòng)環(huán)境下受子載波間干擾影響嚴(yán)重，估計(jì)精度將大幅降低。另外，對(duì)于多普勒擴(kuò)展，TD-LTE系統(tǒng)采用的多普勒分集算法主要是利用高范德蒙和方陣范德蒙預(yù)編碼方式獲得最大多普勒分集增益，前者的預(yù)編碼不是方陣，效率不高，有冗余；后者的預(yù)編碼依賴(lài)于編碼調(diào)制，某些調(diào)制方式不能使系統(tǒng)達(dá)到最大多普勒分集增益。

1 張帥,周韜等.高速鐵路場(chǎng)景中LTE系統(tǒng)干擾消除技術(shù)的研究.移動(dòng)通信.2013,9

2 陳亮.TD-LTE系統(tǒng)中最大Doppler頻偏估計(jì)及Doppler分集算法的研究.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué).2012,5

3 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán).TD-SCDMA系統(tǒng)培訓(xùn)手冊(cè)——優(yōu)化篇.2008,6

4 張長(zhǎng)青.TD-LTE正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)研究.移動(dòng)通信.2013,9

5 王國(guó)平.通信系統(tǒng)中多普勒頻移估計(jì)的研究.電子科技大學(xué).2008,5

中興通訊M6000-S獲得SDN OpenFlow 1.3一致性測(cè)試認(rèn)證

近日，中興通訊獲得ONF頒發(fā)的SDNOpenFlow1.3一致性測(cè)試認(rèn)證證書(shū)，成為首批獲此認(rèn)證的廠商。中興通訊承載網(wǎng)產(chǎn)品M6000-S在測(cè)試中性能穩(wěn)定，與現(xiàn)場(chǎng)其他廠商控制器順利對(duì)接，測(cè)試結(jié)果優(yōu)異。

此前，中興通訊承載網(wǎng)產(chǎn)品應(yīng)邀參加在北京BIISDN測(cè)試認(rèn)證中心舉行的SDNOpenFlow1.3一致性測(cè)試。本次測(cè)試共涉及28個(gè)測(cè)試大項(xiàng)，353個(gè)小項(xiàng)，測(cè)試內(nèi)容包括：控制通道建立，控制器和路由器之間Features消息交互，流表的匹配、執(zhí)行、修改、統(tǒng)計(jì)，控制器和路由器之間Multipart消息的交互等。

SimpleAnalysis ofAffect of Doppler Effect in TD-LTE System

Because OFDM is very sensitive to Doppler effects,Doppler effects is the important factor of affecting TDLTE system function.Our simple said Doppler shift and Doppler spread,and analyzed Doppler effect to the affect of TDLTE system,and sum up the estimate calculate to overcome Doppler shift and the diversity calculate to overcome Doppler spread.It has the some help to the managements,maintenances,optimizing of TD-LTE system.

TD-LTE,Doppler shift,Doppler spread

2015-07-20）