LTE高鐵環(huán)境下OFDM載波間干擾消除優(yōu)化研究

徐 巖， 丁 峰

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

高速鐵路場(chǎng)景下的無(wú)線(xiàn)通信與傳統(tǒng)的陸地移動(dòng)通信相比有著顯著的區(qū)別[1-2]，高速運(yùn)行列車(chē)所引起的多普勒平移與快衰落使通信信道成為非恒定時(shí)變信道，以致產(chǎn)生載波間干擾，最終導(dǎo)致產(chǎn)生通信信道內(nèi)的載波間干擾ICI(Inter-Carrier Interference)，這會(huì)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)恼`碼率[3]性能產(chǎn)生影響，嚴(yán)重破壞了高速鐵路的無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)ICI載波間干擾的主要解決方法有均衡算法和自消除算法，文獻(xiàn)[4]采用最小均方誤差均衡算法，但該算法當(dāng)載波數(shù)較大時(shí)，因其計(jì)算復(fù)雜度較高難以完全實(shí)現(xiàn)；文獻(xiàn)[5]采用并行干擾消除算法，通過(guò)對(duì)子載波進(jìn)行粗均衡后消除干擾矩陣中的非對(duì)角線(xiàn)元素，此法運(yùn)算速度較快，但在高速場(chǎng)景下其接入信道為雙選擇性信道，粗均衡誤差較大，準(zhǔn)確度難以提高。對(duì)于干擾自消除技術(shù)，其核心是通過(guò)對(duì)發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)進(jìn)行處理，使其每個(gè)接收信號(hào)上的ICI能夠從內(nèi)部相互抵消[6]，此類(lèi)方法的優(yōu)點(diǎn)是采用了差分調(diào)制，因此不需要對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)，但載波利用率僅為50%。文獻(xiàn)[7]在此基礎(chǔ)上提出相位旋轉(zhuǎn)共扼消除算法，算法在時(shí)不變信道中能達(dá)到較好的ICI消除效果，但對(duì)于高速移動(dòng)場(chǎng)景下所產(chǎn)生的時(shí)變信道卻很難達(dá)到預(yù)期的效果。

本文提出一種重新排列發(fā)射端數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)改變子載波序列的映射方式，將循環(huán)前綴CP(Cyclic Prefix)序列與各子序列最優(yōu)函數(shù)加權(quán)相結(jié)合，這能有效抑制接收到的符號(hào)干擾，消弱LTE通信系統(tǒng)中由子載波頻偏所引發(fā)的不良影響。

1 系統(tǒng)模型

本文以京張高速客專(zhuān)為例進(jìn)行分析，通過(guò)圖1測(cè)量的多場(chǎng)景下的信道概率密度函數(shù)PDF(Probability Density Functionn)，可以得出接近90%的信道沖擊響應(yīng)為單徑、2徑和多徑的總概率只占10%左右，列車(chē)主要運(yùn)行的場(chǎng)景為丘陵和平原高架，其多徑特征相似，信道沖激響應(yīng)以單徑為主。

圖1 京張鐵路不同場(chǎng)景下的多徑數(shù)量

高鐵LTE采用雙通道遠(yuǎn)端射頻單元RRU (Radio Remote Unit)技術(shù)進(jìn)行覆蓋組網(wǎng)[8]，完全區(qū)別于傳統(tǒng)低速通信場(chǎng)景下服從瑞利衰落分布的Jakes信道模型[9]，因此需要對(duì)現(xiàn)有的陸地通信結(jié)論加以改進(jìn)。本文針對(duì)高鐵信道模型進(jìn)行建模，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)環(huán)境中，郊區(qū)丘陵等地區(qū)基站和高速列車(chē)間的大型建筑物較為稀少，以直射徑為主，從而存在一條較強(qiáng)的直射徑與若干條非直射經(jīng)。綜合以上因素并結(jié)合考慮鐵路沿線(xiàn)通信基站對(duì)信道的多徑時(shí)延的影響，可采用萊斯衰落信道模型來(lái)模擬高鐵信道，為簡(jiǎn)化其算法的復(fù)雜度，本文提出了一種線(xiàn)性模型，將信號(hào)接收到的到達(dá)角AOA(Angle of Arrival)均勻分布，并將散射信號(hào)相同分布，最終通過(guò)一階泰勒級(jí)數(shù)表達(dá)，其信道的沖激響應(yīng)可以表示為

h(n)≈nh1+h0

( 1 )

式中:h0為OFDM同步的平均信道數(shù);h1為時(shí)域信道所接收到的樣本信號(hào)，且它們均為常系數(shù)。

一個(gè)由N個(gè)子載波構(gòu)成的模擬OFDM系統(tǒng)，若系統(tǒng)的總帶寬為B，被分解成N個(gè)帶寬相同的子通道，子通道間的頻率間隔為

( 2 )

頻域信號(hào)通過(guò)逆快速傅里葉變換IFFT表示為

0≤N≤N-1

( 3 )

式中:X(k)為OFDM輸出的頻域信號(hào)。為消除載波間干擾，需在各有效的OFDM符號(hào)前插入一個(gè)循環(huán)前綴CP信號(hào)，即在x(n)前插入保護(hù)時(shí)間間隔長(zhǎng)度為L(zhǎng)g的循環(huán)前綴，從而生成等效傳輸信號(hào)?；鶐鬏?shù)腛FDM信號(hào)的符號(hào)x(n)長(zhǎng)度為N+Lg,可表示為

x(n)=x(n+N-Lg) 0≤n≤Lg+N-1

( 4 )

當(dāng)接收信號(hào)歷經(jīng)頻率選擇性多徑衰落后，則接收到的信號(hào)可以表示為

( 5 )

式中:h(n)為信道的沖激響應(yīng);w(n)為時(shí)域加性高斯白噪聲。所接收到的時(shí)域信號(hào)y(n)可以通過(guò)快速傅里葉變換得到其頻域表達(dá)式為

k∈[0,N-1]

( 6 )

式中:W(k)為信道加性噪聲的快速傅里葉變化。

由于列車(chē)高速移動(dòng)所導(dǎo)致的多普勒平移致使信道變成非恒定的時(shí)變信道，可分為受干擾部分的信道沖激響應(yīng)式( 7 )和未受干擾下的沖擊響應(yīng)式( 8 )兩種情況分別進(jìn)行討論。

( 7 )

(8)

式中:H(k,m)為第k個(gè)子載波與第m信道的沖激響應(yīng)。高速環(huán)境下LTE的OFDM系統(tǒng)在一個(gè)符號(hào)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)與多普勒頻率相比，子載波間隔較大，此時(shí)的信道變化充分滿(mǎn)足線(xiàn)性近似，可將信道的沖激響應(yīng)用線(xiàn)性模型來(lái)替代，將OFDM符號(hào)周期內(nèi)的每一個(gè)時(shí)變信道路徑用h(n)進(jìn)行近似實(shí)現(xiàn)[10]。因此ε(k,k)和ε(k,m)分別表示為

( 9 )

(10)

代入原公式并化簡(jiǎn)可得頻域信號(hào)Y(k)。

k=0,1,…,N-1

(11)

從式(11)中可以看出，接收端所接收到的頻域信號(hào)Y(k)不僅包含每個(gè)載波原有發(fā)送的期望信號(hào)，還包括了式(11)中的第2項(xiàng)，為其他載波對(duì)當(dāng)前載波的ICI干擾部分。假設(shè)信號(hào)處于傳統(tǒng)低速通信場(chǎng)景瑞利衰落分布的Jakes信道模型[11]，OFDM符號(hào)將在一個(gè)信道的傳輸過(guò)程中不會(huì)隨時(shí)間而發(fā)生改變，即每個(gè)復(fù)雜路徑增益是一個(gè)時(shí)不變系統(tǒng)，故此時(shí)的H(k,m)=0。式(11)中的ICI干擾部分為零，此時(shí)可以判斷ICI干擾項(xiàng)將不復(fù)存在， FFT只解調(diào)第k個(gè)子載波上的調(diào)制數(shù)據(jù)信號(hào)。然而，這種假設(shè)并不適用于高速移動(dòng)列車(chē)通信條件下的時(shí)變通信系統(tǒng)，尤其對(duì)高多普勒引起的時(shí)變性所產(chǎn)生的子載波間干擾ICI有巨大影響。若不通過(guò)補(bǔ)償?shù)仁侄芜_(dá)到減小或者消除， ICI干擾項(xiàng)部分將得不到消除。

2 基于ICI的自消除和函數(shù)線(xiàn)性加權(quán)聯(lián)合算法

由以上可知Lg為CP的循環(huán)前綴，并進(jìn)一步假設(shè)CP循環(huán)前綴的長(zhǎng)度比最大傳播延時(shí)L-1長(zhǎng)，因此CP循環(huán)前綴中將會(huì)出現(xiàn)部分未受到ICI[12]的干擾部分，如圖2所示，其長(zhǎng)度可表述為

q=Lg-L+1

(12)

圖2 接收端抽取的時(shí)域信號(hào)子序列

接收端所接收到的信號(hào)，按OFDM序列的長(zhǎng)度，可以劃分為q+1個(gè)時(shí)域子序列，分別用y0,y1,…，yq來(lái)表示[13-14]，其子序列可以表示為

k=0,1,…,N-1

(13)

對(duì)時(shí)域序列進(jìn)行N點(diǎn)的FFT變換，可以得到頻域子序列Yd(k)為

X(k)ej2πm(n-d-l)/ne-j2πkn/Nej2πdk/N+

(14)

通過(guò)利用接收端所接收的每一個(gè)符號(hào)序列，對(duì)式(14)中未被干擾的序列抽取其子序列，并通過(guò)對(duì)接收的頻域子序列設(shè)計(jì)合適的權(quán)值，使其能夠有效減小ICI，最終得到一個(gè)使ICI減小且長(zhǎng)度保持不變的OFDM符號(hào)序列Z(k)，可用于接收的期望信號(hào)項(xiàng)、ICI干擾項(xiàng)和高斯白噪聲干擾項(xiàng)表示為

k=0,1,…,N-1

(15)

式中：

(16)

(17)

(18)

圖3 子序列加權(quán)流程

(19)

(20)

(21)

(22)

且滿(mǎn)足

(23)

這種權(quán)值的分配設(shè)置可將其接收到干擾部分少的子序列分配更大的權(quán)重值，使受到干擾嚴(yán)重的子序列分得更少的權(quán)重值，在相對(duì)于線(xiàn)性平均加權(quán)計(jì)算復(fù)雜度沒(méi)有增加的前提下，性能卻得到了大幅度提升，通過(guò)這種合理配置方案能有效地抑制ICI干擾。

圖4 一次函數(shù)線(xiàn)性權(quán)值分配

3 試驗(yàn)仿真與分析

采用線(xiàn)性信道模型對(duì)時(shí)變信道進(jìn)行仿真時(shí)，可通過(guò)SIR接收機(jī)輸入端接收信號(hào)質(zhì)量和BER指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃赃M(jìn)行評(píng)估，然后比較優(yōu)化后的BER的量值，分析ICI性能與系統(tǒng)性能間的期望值變化，仿真參數(shù)如表1所示[16]。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖5為在速度為350 km/h條件下分別對(duì)加權(quán)聯(lián)合算法、自消除算法及原始標(biāo)準(zhǔn)算法進(jìn)行SIR仿真分析及比較，可以看出在相同歸一化多普勒頻率的條件下，ICI自消除和一次函數(shù)線(xiàn)性加權(quán)聯(lián)合算法，比使用自消除算法在性能上得到了進(jìn)一步的提升。聯(lián)合算法甚至比原始算法下的SIR性能至少提高10 dB以上，有效改善了系統(tǒng)的通信性能。究其主要原因是在沒(méi)有其他衰減的情況下，接收的所有信息都被解碼到了規(guī)定的信號(hào)中。這種ICI消除模式對(duì)于OFDM的影響是顯著的，它保證了能量在整個(gè)SIR范圍內(nèi)不會(huì)快速下降。

圖5 聯(lián)合算法對(duì)SIR的改善(350 km/h)

從圖6可以看出，采用基于ICI自消除和一次函數(shù)線(xiàn)性加權(quán)聯(lián)合算法的BER性能，幾乎能達(dá)到與萊斯信道模型理論值相接近的效果。但將系統(tǒng)應(yīng)用于時(shí)變信道時(shí)，信道存在較為嚴(yán)重的多普勒頻移擴(kuò)展，從仿真圖圖7中可以看出，本文所提出的聯(lián)合算法能明顯降低誤碼率，從而說(shuō)明該方法對(duì)時(shí)變和非時(shí)變信道均能夠適應(yīng)。

圖6 萊斯衰落非時(shí)變信道模型的BER性能

圖7 時(shí)變信道模型的BER性能

為了驗(yàn)證該方法是否能在不同的速度區(qū)間均能達(dá)到預(yù)期的效果，圖8仿真了在100～400 km/h速度區(qū)間段的誤碼率性能，可看出本文所提出的聯(lián)合算法的BER指標(biāo)均明顯低于OFDM系統(tǒng)和自消除算法對(duì)應(yīng)的BER，再次驗(yàn)證了本聯(lián)合算法在各個(gè)速度范圍內(nèi)均能有效地降低BER。

圖8 BER隨列車(chē)速度變化曲線(xiàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從載波間干擾ICI與LTE系統(tǒng)BER性能的角度進(jìn)行分析比較，討論了ICI對(duì)OFDM的影響。針對(duì)超高速移動(dòng)場(chǎng)景下的非平穩(wěn)時(shí)變信道LTE系統(tǒng)的ICI消除問(wèn)題，本文在降低計(jì)算復(fù)雜度的線(xiàn)性模型的基礎(chǔ)上提出了一種ICI自消除一次函數(shù)線(xiàn)性加權(quán)聯(lián)合算法，仿真實(shí)驗(yàn)表明，該自消除聯(lián)合算法不僅能有效減小ICI干擾，提高系統(tǒng)的SIR，在時(shí)變及非時(shí)變信道中均表現(xiàn)良好，也能在不同速度區(qū)間內(nèi)有效降低通信誤碼率，提高車(chē)輛高速運(yùn)行時(shí)的通信質(zhì)量。