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为了提高信道在信噪比大范围变化环境下信道估计的精度,确保高速铁路通信系统的可靠性,提出高铁场景下一种基于信噪比判决的双模切换信道估计算法。该算法利用离散卡—洛基扩展模型(discrete Karhunen-Loeve basis expansion model,DKL-BEM)及线性最小均方误差(linear minimum mean square error, LMMSE)算法进行信道建模和不同速度环境下的信道估计。仿真发现,当信噪比增大至某值时,基于ICI消除的二次信道估计算法性能劣于传统的DKL-BEM算法(出现交叉点),且交叉点值随速度的提高左移(小信噪比方向)。通过对参数分析和两种算法交叉点值的提取,给出交叉点随速度变化的移动轨迹,自适应地实现两种算法的切换,提高信道估计算法的适应性和有效性。
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2018199-1
研究与开发
高铁场景下一种基于信噪比判决的双模切换信道估计算法
王传云
1
,王敏
1
,赵军辉
1,2
,尹燕
1
(1. 华东交通大学,江西 南昌 330013;2. 北京交通大学,北京 100044)
摘 要:为了提高信道在信噪比大范围变化环境下信道估计的精度,确保高速铁路通信系统的可靠性,提出
高铁场景下一种基于信噪比判决的双模切换信道估计算法。该算法利用离散卡—洛基扩展模型(discrete
Karhunen-Loeve basis expansion model,DKL-BEM)及线性最小均方误差(linear minimum mean square error,
LMMSE)算法进行信道建模和不同速度环境下的信道估计。仿真发现,当信噪比增大至某值时,基于 ICI 消
除的二次信道估计算法性能劣于传统的 DKL-BEM 算法(出现交叉点),且交叉点值随速度的提高左移(小信
噪比方向)。通过对参数分析和两种算法交叉点值的提取,给出交叉点随速度变化的移动轨迹,自适应地实现
两种算法的切换,提高信道估计算法的适应性和有效性。
关键词:高铁场景;双模切换;自适应;交叉点;时变信道
中图分类号:TN929
文献标识码:A
doi: 10.11959/j.issn.1000−0801.2018199
A dual mode switching channel estimation algorithm based on
SNR decision in high speed railway scenarios
WANG Chuanyun
1
, WANG Min
1
, ZHAO Junhui
1,2
, YIN Yan
1
1. East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China
2. Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China
Abstract: A dual mode switching channel estimation algorithm based on SNR decision in high speed railway scenar-
ios was proposed. The algorithm adopted DKL-BEM and LMMSE modelling the channel and estimating the channel
under different speed conditions, respectively. The simulation results show that the SNR increased, the performance
of the twice channel estimation algorithm based on ICI cancellation became worse than that of the traditional
DKL-BEM algorithm, and a cross-point appeared, its value moved towards the small SNR as the speed increased.
Through analyzing the parameters and extracting the cross-point values of the two algorithms, the moving trajectory
of the cross-point with the speed changing was given. The proposed algorithm can adaptively achieve the switching
between two algorithms and improve the applicability and effectiveness of the channel estimation algorithm.
Key words: high speed railway scenario, dual mode switching, adaptive, cross-point, time-varying channel
收稿日期:2017−12−12;修回日期:2018−06−08
基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.61661021);江西省教育厅科学技术研究项目(No.GJJ150545)
Foundation Items:The National Natural Science Foundation of China (No.61661021), Education Department Scientific and Techno-
logical Project of Jiangxi Province of China (No.GJJ150545)
·73· 电信科学 2018 年第 7 期
1 引言
世界范围内的信息技术进步带动了高速铁路
的迅猛发展
[1]
,国外的铁路通信已经开始陆续采用
LTE-R,其中三星与电信运营商 SK Telecom 及釜
山运输公司联合开发的 LTE-R 已正式运行;国内
也在不断地开展相关研究工作,试图打破传统,尝
试新技术,从而推动铁路移动通信行业的进一步发
展。对于铁路通信产品而言,第一要求是安全可靠,
获得精确的信道状态信息,才能保证系统通信的可
靠性。随着我国高速铁路运行速度的提升,还需进
一步研究高速移动对信道估计带来的诸多影响。
在高速移动环境下,信道待估计参数的数量
大大增加,需要使用能够减少未知量个数的信道
模型来拟合真实的时变信道。目前,常用的时变
信道拟合方法有线性时变(Linear time-varying,
LTV )模型
[2-3]
和基扩展模型(basis expansion
model,BEM)
[4-6]
。BEM 作为时频双选信道的最
佳模型,近些年来受到普遍关注。BEM 的种类有
很多,各有优劣。其中,离散卡—洛基扩展模型
(discrete Karhunen-Loeve basis expansion model,
DKL-BEM)
是 MMSE 准则下的最优模型
[7]
。因
此当采用 MMSE 或 LMMSE 方法估计时普遍选用
DKL-BEM 对信道进行建模。
此外,在高速移动环境下,无线通信系统还
会产生明显的多普勒频移
[8]
,破坏各个子信道的
正交性,引起严重的载波间干扰(inter-carrier
interference,ICI)
[9]
,影响系统性能,降低信道
估计精度。因此,消除 ICI 是提高时变信道估计
精度的关键之一。
ICI 消除的方法有 ICI 自消除、频域均衡等。
由于相邻子载波间的 ICI 相近,且以载波数的中
心为对称位置的 ICI 也相近
[10]
,ICI 自消除算法得
到广泛关注
[11-12]
。这类方法虽然对 ICI 的消除效
果好,且简单易行,但是由于在 N 个子载波上只
能传输 N/2 个数据,系统的符号率大大降低。频
域均衡是去除 ICI 的有效方法
[13]
。参考文献[14]
提出一种基于最小均方误差(MMSE)的三步 ICI
消除算法,包括 MMSE 信道估计、MMSE 均衡和
ICI 消除。仿真结果表明,该方法明显减小了系统
的误码率,但 MMSE 算法的计算复杂度较高。利用
频域均衡的方法消除 ICI 需要事先获得信道状态信
息,即 ICI 的消除与信道估计有关,而信道估计精
度又受 ICI 的影响。因此,需要综合考虑 ICI 消除
与信道估计之间的相互影响。在参考文献[14]的基
础上提出基于 ICI 消除的二次信道估计方法,包括
DKL-BEM 信道建模、LMMSE 信道估计、MMSE
均衡和 ICI 消除、第二次信道估计。传统的
DKL-BEM 算法只包括前两个步骤。仿真结果表明,
二次信道估计算法在小信噪比条件下更适用且与传
统的 DKL-BEM 算法在性能曲线上存在交叉点。
为了提高信道信噪比在大范围变化环境下的时
变信道估计精度,保证高速铁路通信系统的可靠性,
本文给出了交叉点的散点图及其拟合曲线,提出高
铁场景下一种基于信噪比判决的双模切换信道估计
算法,以交叉点为临界点,在小信噪比条件下采用
二次信道估计算法,在大信噪比条件下采用传统的
DKL-BEM 算法。仿真结果表明,在信噪比大范围
变化环境下,所提算法能提高信道估计精度。
2 传统的 DKL-BEM 算法
传统的 DKL-BEM 算法过程如下:首先采用
DKL-BEM 对时变信道建模,然后利用 LMMSE
算法进行信道估计,得到频域信道矩阵 H
1
。
2.1 信道模型建立
利用 DKL-BEM 来描述双选信道,当最大时
延 t
max
和最大多普勒频移 f
max
满足 2t
max
f
max
<1 时,
可以将双选信道建模为一个 FIR 滤波器,其每个
抽头被表示为一组基函数的叠加,则时域信道响
应可以表示为:
1
0
() (1) ()
Q
qq
q
hn g b n
=
=
∑
(1)
2018199-2
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