收稿日期:2005 08 04*国家自然科学基金重点资助项目(60332020)。

高速移动通信中的多普勒分集技术*解 坤 朱 刚(北京交通大学电子信息工程学院 北京100044)摘 要: 克服高速移动带来的多普勒(Doppler)效应是无线通信系统一个必须解决的问题。

文章分析了在高速移动环境下存在的Doppler 效应,指出了它对误码率的影响,介绍了Doppler 频域分集的主流技术并进行了性能分析,最后针对现有Doppler 分集的不足分析了改进方案,并探讨了其应用前景。

关键词: 高速移动 无线信道 Doppler 频移 Doppler 分集随着通信技术的不断进步,将无线移动通信应用于高速移动环境是一个重要的发展趋势。

第三代移动通信系统兼容各种通信环境和不同的通信终端,提供高达2~155Mbps 的传输速率和多媒体业务平台,应用到高速移动环境能大大增强通信和导航的能力。

无线信道主要特征是由多径传播引起的时延扩展和由于移动台运动引起的Doppler 频移,以及由阴影效应引起的慢衰落。

对于无线信道的慢衰落和多径时延扩展,已经有了很多的解决方案。

与普通的移动通信环境相比,高速移动环境中的无线信道最突出的问题是Doppler 频移对通信产生的影响。

如当载波fc=900MH z,移动速度v=300km/h,则最大Doppler 频移fd=v/ 250Hz,BER >10-2[1],而一般数据传输的误码率要求达到10-6~10-5。

在较高移动速率和数据传输速率的要求下,要同时考虑无线信道中多径效应和Doppler 效应带来的影响。

所以,在采用CDMA 系统及OFDM 系统以克服多径效应的同时,研究这些系统克服Doppler 效应的问题,具有重要意义。

我们认为,采用Doppler 分集技术是解决Doppler 效应问题的重要趋势之一。

1 解决Doppler 频移问题的一般方法对于较低频段的GSM 系统,可以采用增加保护带宽的方法克服Doppler 频移引起的误码率问题。

在采用FDMA 多址技术的通信系统中,整个系统带宽被分为若干个不相重叠的子带来传输并行的数据流,每个子带被称为一个信道,大约为几十KH z 或十几KHz,在接收端用一组滤波器来分离各个子信道。

此时的Doppler 频移低于0.5KH z,为了避免子带间相互干扰,可以在子信道之间增加保护频带,从而克服Doppler 频移产生的影响。

该方法优点是实现简单,且不增加传输时间,但频谱的利用率低,而且在频分路数较大时多个滤波器的实现使系统复杂化。

对于频段很高的3G 系统,一般解决的方法是在接收端估计出频偏值,再用均衡或同步的方法进行补偿。

但这些方法都需要准确的信道估计,在接收机移动速率很大、信道处于快衰落的情况下,要实现准确快速的信道估计非常困难。

而且一般的信道估计算法只能得到一个固定的频偏值,所以在Doppler 扩展(同时存在多个频偏)的情况下不能达到很好的效果。

LEO 卫星通信系统通过设计合适的调制解调方式,使接收机对Doppler 效应不敏感,可以消除载波频偏以及相位漂移带来的影响,如双信道解调器(DCPSK)、双差分解调器(DDPSK)等。

这种方法同样可以应用于陆地CDMA 系统中,但现有的非相干接收方式一般都会带来3~5dB 的信噪比损失。

2 Doppler 分集原理上述各种办法都是把Doppler 频移(扩展)视为不利因素加以补偿或减弱其负面影响。

近年提出把Doppler 扩展作为频域分集资源,不但能克服对系统的不利影响,还可以提高系统性能。

特别是在快衰落信道,采用Doppler 分集是行之有效的解决方案。

2.1 联合多径-Doppler 分集技术在CDMA 系统中,Rake 接收机是通过#利用多径信息∃达到对抗多径的目的。

Rake 接收机使用相关接收机组,对各路径信号进行相关接收,加权求和后输出。

加权系数的选择使输出信噪比为最大。

实现Rake 接收需要准确的同步和信道估计,当存在Doppler 频移、信道呈现快衰落特性时很难实现。

为了克服Doppler 效应引起的时间选择性衰落,A.M.Sayeed [2]提出利用多径和Doppler 扩展构成联合多径-Doppler 分集。

在分析信道散射函数S( , )的基础上,将信道分解为一系列具有平坦衰落的正交子载波,且每个载波存在Doppler 频移。

该多径-Doppler 分集(时频Rake)接收机在时域上的分集接收原理与普通的Rake 接收机相同。

同时,它采用短时傅立叶变换(STFT)的方法,在频域上把Doppler 扩展频谱分成K 条路径,接收端将各条路径上的信号能量进行叠加,实现分集接收。

实验结果表明,在两个多径分量相关处理的情况下,与Rake 接收机作比较,时频域二维Rake 接收机有8.5dB 的信噪比增益(在BEP=10-4时)。

其中有3dB 是由占总功率的1.25%的多普勒分量得到的。

同样,多于5dB 是由占总功率5%的多普勒分量得到的。

可见,时频域二维Rake 接收机能取得显著效果,但其计算复杂度也是普通Rake 接收机的K 倍。

2.2 联合空间%多径%Doppler 三维Rake 接收机CDMA 系统利用多种分集技术克服衰落,联合多径-Doppler 分集技术属于时频二维Rake 接收机,但它没有充分利用时域、空域、频域的有用信息。

联合空域多径Doppler 分集在时频Rake 、时空Rake 的基础上,利用自适应天线在空间形成定向波束和联合时频处理技术,将Doppler 频率分集应用到时空二维处理中,通过接收合并具有不同时延、Doppler 频移和来自不同方向的信号,实现基于天线阵列的时空频三维信号处理。

它对接收信号进行STFT 分析,选择时频峰值点得到不同路径的时移与频移点,并求得时频偏移相关矩阵以进行信道估计,对用户信号相干解调,将不同时频移点上得到的用户信号合并,实现联合时空频Rake 接收。

实验表明,选取不同的时移频移点不仅能降低噪声,而且可以保证时频偏移相关矩阵的列满秩。

由二阶统计特性分析可知,用时频偏移相关矩阵代替传统的阵列相关矩阵,时空频Rake 比时频Rake 和时空Rake 更稳健。

时空频Rake 接收的性能比时空Rake 平均信扰比提高了约3dB 。

此方法也可应用到CDMA 与OFDM 结合的多载波CDMA 系统中。

2.3 时间选择性信道的最大分集传输技术X.M a 和G.B.Giannakis 在文献[2]的基础上,提出了一种应用在时间选择性衰落信道上的最大分集传输技术[4],将Doppler 频域分集的应用扩展到非扩频通信系统。

Doppler 频域分集是在时域表现为e j 2!f m t的频偏在频域等效为∀(f -f m ),与原信号相乘,可看作原信号在频域的延迟,把这些经过延迟的频谱识别出来,作为分集的路径与原信号进行叠加,可以在消除Doppler 效应的同时增加信号的能量,提高信噪比,降低误码率。

实现方案如图1所示。

图1 时间选择性信道最大分集传输结构框图若BEM 信道参数的相关矩阵Rh 的秩为r h ,时间选择性信道的最大分集增益为Gd=r h 。

当Rh 具有满秩r h =Q+1,则最大分集增益为Gd=Q+1,即BEM 信道基的数目决定系统的最大分集增益。

因此,选择合适的线性预编码可使系统获得最大的Doppler 分集增益。

2.4 时变信道下MIMO 系统结合Doppler 分集传输将文献[4]提出的基于基扩展的单天线时变信道模型推广到多天线M IM O 系统中,得到时间选择性衰落信道下MIMO 系统的等效模型,如图2所示。

这是一种联合考虑空间分集与Doppler 分集的方法[6]。

通过建立多天线发送多天线接收(M IMO)系统模型,采用适当的编码方法,系统所能获得的最大分集阶是ML(Q+1)(M 为发送天线数,L 为接收天线数),仿真验证了将空间分集与Doppler 分集结合可以带来系统性能的提高。

此方法与单天线下不同,信源产生的信息比特流,首先经过适当的空时编码器处理成为M 路并行的符号流,每个信息流经过串/并变换分组处理,变换后的信息流采用线性预编码处理,然后再经过并/串变换,通过时间选择性信道发送出去。

空时编码使信息符号在时间和空间上扩展,实现了传输符号的空间分集;相应地,通过把符号映射到不同的频率上处理,线性预编码实现了Doppler分集。

图2 M IM O 系统结合Doppler 分集结构框图与只采用Doppler 分集的单天线系统相比,M I M O 系统获得的最大分集阶可增加M L 倍;与只采用空间分集的MIM O 系统相比,由于采用了Doppler 分集,M IM O 系统所获得的最大分集阶可增加Q+1倍。

2.5 双选择性信道下MIMO OFDM 系统结合Doppler 分集传输文献[6]给出了时变信道下联合考虑空间分集和Doppler 分集的方法。

文献[7]研究了双选择性(时变多径衰落)信道中,联合考虑发送分集和Doppler 分集的M IMO 系统,以充分利用系统所提供的各种分集资源来提高传输性能,通过给定的编码方法,得到时变多径MIM O 系统可以达到的最大分集阶是MtMr(Q+1)(L+1),其中Mt 为发送天线数,Mr 为接收天线数。

空时编码实现了传输符号的空间分集,预编码实现了Doppler 分集和多径分集。

如果通过一个编码矩阵的设计来实现两种分集增益,势必增加预编码矩阵的复杂度。

于是文献[7]又提出了一种次优的分步实现相应的分集增益的方案,如图3所示。

图3 M IM O OF DM 系统结合Doppler 分集结构框图该方案利用了OFDM 技术,通过傅立叶变换,把频率选择性衰落信道划分为若干频率平坦衰落的正交子信道,原来高速的数据流串并变换成多个速率较低的信息流分别在不同的子信道上传输,克服了由于多径引起的符号间干扰(IBI)。

通过OFDM 实现了多径分集增益,正交频分复用前的预编码设计只需实现时变带来的Doppler 分集增益,简化了预编码设计的复杂度。

2.6 五种Doppler 分集技术的性能分析联合多径-Doppler 分集能同时达到抗多径抗Doppler 的目的,但它只能应用于CDMA 扩频通信系统中。

各分集支路信道系数的独立性和时频移后扩频信号波形的正交性是分集效果的根本保证,并且只要提高信号的抽样率,就能保证结果的准确性。

而实际情况中,Doppler 扩展值比较小,直接应用联合多径-Doppler 分集往往不能达到理想的接收效果。

对于最大分集传输技术,选择合适的线性预编码很重要,选取适当可使该系统获得最大的Doppler 分集增益。

但通常适用的编码方式都很复杂,会带来较高的计算复杂性和较大的解码时延,不利于信息的实时传输。