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高铁LTE网络应用中的多普勒频偏算法研究

田薇  
【摘要】:近年来,随着我国交通业的迅猛发展,高铁以其速度快价格低的特点快速发展着,并已成为人们差旅出行的首选。同时,随着智能终端技术的不断发展,乘客们在高铁上的数据通信应用也相继频繁,这对高速环境下无线通信的可靠性和有效性提出了新要求。在列车运行速度大于200km/h的环境下,如何保证手机通话和上网的质量,是对高端通信技术在高铁上应用提出的一个全新的挑战。新一代通信技术LTE已日渐成熟,它具备更小的时延、更快的传输速率、更宽的频带以及更低的运营成本,兼容3G通信技术并对3G进行演进,已经成为目前移动宽带通信技术中最受关注的新技术,同时也成为高速铁路下一代通信网络的首选,它可以保证用户在高速移动状态下的通话和网络服务快速有效。然而,通过多普勒效应的概念可以知道,高速移动环境下的信号必然产生较大的多普勒频率偏移,而LTE上下行链路对频率偏移非常敏感,直接应用会导致各用户间传输信号混叠、用户间产生干扰等问题。因此,要将LTE应用于高速铁路无线通信覆盖,必须先解决多普勒效应的频偏问题。本文首先分析了LTE通信网络及其核心关键技术,在研究了高速环境下引起的多普勒频移效应和高速无线信道的衰落特点的基础上,提出了一种基于Toeplitz循环前缀的多普勒频移算法,利用LTE循环前缀的变形提取信道信息,计算更可靠的频移量。另外,由于终端的高速移动使多普勒频移加大,引起严重的载波间串扰,所以本文还对信号的频移进行补偿,从而矫正各用户的传输信号,使信号间的干扰尽可能的排除,还原各信号本身,以保证用户的通信服务质量。最后,利用MATLAB软件搭建了高速铁路通信系统仿真平台,在莱斯信道模型上,验证了频偏算法的有效性,并讨论了随之引起的突跳和信号间干扰等问题。仿真实验结果表明,在高速环境下本文的频偏算法是可靠且有效的,频偏的算法估计值与真实值基本吻合,最大的估计误差值不到50Hz,是载波频率参数2GHz的2.5%。高速铁路大信噪比的传输环境下,估计误差约为零,对信号进行有效补偿后,收发信号误差逼近于零。该算法有效提高了高铁环境下LTE的抗多普勒效应能力,从而保证高速铁路中LTE网络的用户通信质量。


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