高速移动环境下WiMAX系统多普勒频移估计技术研究

高速移动环境下WiMAX系统多普勒频移估计技术研究 论文

第21卷　第1期塔　里　木　大　学　学　报Vol.21No.1

2009年3月JournalofTarimUniversityMar.2009

文章编号:1009-0568(2009)01-0040-03

高速移动环境下WiMAX系统多普勒频

移估计技术研究

郑洪江

(,　843300)

摘要　正交频分复用()WiMAX系统的关键技术之一。在高速移动环境下,多普勒效应成为影响系统性能的关键因素。本文在介绍OFDM技术的基础上,对多普勒效应的频移估计进行研究,重点研究了高速环境下的多普勒频移估计算法。从仿真结果可知,采用有效的估计算法,可较好的抑制载波间干扰,改善系统性能。关键词　WiMAX;正交频分复用;多普勒频移

中图分类号:TN915　　　　　　　　　　文献标识码:A　　①

StudyonDopplershiftestimationTechnologiesofWiMAXinHigh-SpeedMobileCommunications

ZhengHongjiang

(CollegeofInformationEngineering,TarimUniversity,Alar,Xinjiang843300)

Abstract　OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing(OFDM)isoneofthekeytechnologiesofWiMAXsystem.TheDopplereffectisakeyfactorimpactedonsystemperformanceinhigh-speedmobileenvironment.Thispaperstudiedrespec2tivelyDopplershiftestimationbasedonOFDMtechnology,andfocusesonDopplershiftestimationalgorithminhigh-speedenvironment.Fromthesimulationresults,theeffectiveDopplershiftestimationalgorithm,canbebettertorestraininter-carrierinterference,andimprovesystemperformance.

Keywords　WiMAX;OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing;DopplerShift

1　引言

WiMAX(WorldwideInteroperabilityforMi2crowaveAccess)全球微波互联接入,是基于802.16标准的无线宽带接入技术。WiMAX的基本接

2　OFDM描述

OFDM是一种多载波发射技术,OFDM在频域

入模式为正交频分复用OFDM技术。OFDM技术可以减小微波接入技术中存在的多径和非视距传输问题[1,2]。在高速移动环境下,多普勒效应成为影响系统性能的关键因素。为了消除多普勒频移的影响,需要知道多普勒频移的大小,从而在接收端进行校正,所以本文重点研究了多普勒频移估计技术。

内将给定信道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用单个子载波,把数据流也分解为若干个子数据流,分解数据流速率,再利用这些子数据流分别去调制各子载波。由于各子载波并行传输,减小了对单个载波的依赖性,因此进一步提高了系统性能。

OFDM的正交性是这样得到的,设每个子信道的符号宽度为T,则当各个子载波频谱之间的最小间隔为1/T时,在整个符号周期内,子载波是正交

①

收稿日期:2008-10-13

作者简介:郑洪江(1980-),男,助教,硕士,主要从事信息通信研究及教学工作。　E-mail:zhengcc007@

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第1期郑洪江:高速移动环境下WiMAX系统多普勒频移估计技术研究

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的。设两个子载波的频率分别为fk和fi,它们相差1/T的整数倍。则如式(1)所示,周期内积分为正交

。

(1)

假设信噪比无穷大,并且用协方差函数的上界代替真实的协方差

:

(4)

OFDM在某种程度上类似于FDM(频分复

把式(4)(3),,可以化

(5)

用),它们都是将可用的带宽分成许多个子信道,但

是FDM的各个子载波是完全隔开的,每个子信道为一个用户专用,频谱之间没有重叠;而各个子信道载波之间有重叠,交的,,因此,OFDMFDM。

在OFDM系统的实际应用中,可以采用更加方便快捷的快速傅立叶变换(IFFT/FFT)来实现调制和解调。N点IDFT(反离散傅立叶变换)运算需要实施N2次的复数乘法,而IFFT可以显著地降低运算的复杂度。对于常用的基2IFFT算法来说,其复数乘法的次数仅为(N/2)log2(N),而采用基4IFFT算法来实施傅立叶变换,其复数乘法的数量仅为(3/8)N(log2N-2)。计算机技术的高速发展,使得大量运算的快速实现和高速存储器成为可能,这也加速了OFDM的实用化,在WiMAX系统中,OFDM技术为关键技术之一。

文献[3]认为在低速环境下上式中后三项之和远远小于第一项,因此将上式简化得到Rayleigh

信道下对数包络估计算法:

(

6)

但在高速环境下急剧下降,

大大增加,导致协方差值

值增大,这样就不能认为(5)式内

的后三项之和远小于第一项,因此,式(6)并不适用于高速移动环境下Rayleigh信道中多普勒频移估计。经过试验,高速移动环境下,Rayleigh信道中适用的最大多普勒频移估计算法[4]

,其算法如下:

(7)

3　多普勒频移估计

在高速移动环境下,信号经过WiMAX系统的无线信道传输后会发生畸变。其中,影响系统性能最明显的因素就是多普勒频移。消除多普勒频移对WiMAX系统性能的影响,成为提高高速移动环境下WiMAX系统性能的关键。为了有效地消除多普勒频移,需要在WiMAX系统的接收端估计多普勒频移的大小。目前已有的估计多普勒频移的方法主要为:基于包络极值率(ROM)的估计和基于对数包络平方的估计。

相关文献研究表明,信道包络统计特性与信道衰落速率有关,而信道衰落速率与多普勒频移成正比关系,因此可以采用对数包络的相关特性估计多普勒频移[3]。针对Rayleigh衰落信道,提出的核心统计量为

:

(2)

利用均匀分布指数信道模型比较上面列出的多普勒频移估计算法的性能。在信道模型中,各径在时间上均匀分布,相邻时间间隔为tm,各径以12/NpdB的能量衰减,其中Np为多径数目。对于12

径信道,tm=0.0148us,最大延时为0.1628us,延时扩展为0.043us。仿真图形如图

1所示:

其中N1为样本数目。如果样本数目足够大,

则

图1　多普勒频移估计曲线

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塔　里　木　大　学　学　报第21卷

由图1看到,(6)式得出的多普勒频移估计算

法,在各个信噪比情况距离无偏估计都有较大差距,随着信噪比的增加,估计值越来越接近真实值。从图中还能看出,速度越高,估计值越接近真实值。但是,在低速低信噪比时估计误差仍比较大,不能满足WiMAX系统信道的基本要求。

比较(6)式与(7)式所给出的两种多普勒频移估计算法,如图2所示

:

算法

。

图3　SNR=15时多普勒频移估计MSE比较

4　结束语

OFDM技术由于具有较高的频谱效率,而且可

以有效地对抗多径传输,已成为WiMAX系统关键技术之一。然而,OFDM系统对频率偏差非常敏感。尤其在高速移动环境下,多普勒频移使OFDM系统子载波间的正交性遭到破坏,产生子载波间干

图2(6)式算法和(7)式算法性能的对比

由图2可知,(7)式的多普勒频移估计算法比(6)式的多普勒频移算法更加接近无偏估计。在多普勒频移较大的情况下获得良好的估计性能,但是超过一定限度,其估计性能有偏差的趋势。

在信噪比(SNR)不变的情况下,多普勒频移估计的均方差为[5]

:

(8)

扰,这将大大降低系统性能。在高速环境下克服多普勒频移对OFDM系统的影响显得尤为重要。而精确的得出多普勒频移估计则是解决多普勒频移的先决条件[6]。本文着重研究了高速环境下的多普勒频移估计算法,并在Rayleigh信道中进行仿真,验证高速环境下最优多普勒频移估计算法,以期有效的抑制载波间干扰,改善系统性能。

参考文献

[1]　NeeVR,PrasadR.OFDMforwirelessmultimedia

communication[R].ArtechHousePublishers,2000.[2]　罗涛.空时编码理论及其在OFDM移动通信系统中应

(8)式中fd是多普勒频移真实值

,是多普

勒频移估计值。在信噪比固定的情况下(6)式与(7)

式均方误差的比较如图3所示。在信噪比为10-15dB时,(7)式算法的均方误差小于10-3,具有良好的性能,可以稳定的运行在需要高精度多普勒频移估计的场合。由图3还可看出,(7)式算法在多普勒频移较大的情况有好的估计性能,但在多普勒频移为450Hz后,其估计性能呈下降趋势。因此在实际运用时尽量在其均方误差小的范围内使用(7)式

用的研究[D].北京:北京邮电大学,2002.

[3]　HoltzmanJ.M,SampahA.Adaptiveaveragingmeth2

odologyforhandoffsincellularsystems[J].IEEETrans.onVehicleTech,vol.44,no.1,1995:59-66.[4]　华惊宇.新一代移动通信内接收机理论与应用研究

[D].南京:东南大学,2005:25-26.

[5]　王欣.高速移动环境下OFDM系统关键技术研究[D]

.北京:北京交通大学,2006:20-23,37-38.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/vf7j.html