基于LTE的地空无线宽带通信系统的频偏和时偏估计研究

发布时间：2020-01-22 03:59

【摘要】：随着无线通信技术的迅速发展,第4代移动通信LTE (Long term evolution)技术已经逐渐成熟和走向产品化,多个国家的运营商已经全面开展了的LTE运营。同时由于LTE技术在运营中的突出表现,越来越多的人开始关注LTE技术在其他领域的发展,民用航空通信领域就是其中之一。目前,在民用航空上实现移动通信主要有两种解决方法：一种是采用卫星方式,由卫星实现地面网络与民航飞机的通信；一种是利用地面专用无线基站,这种基站可以实现覆盖空中的民航飞机,从而实现地面与民航飞机的通信。卫星通信方式比较成熟,但是卫星通信系统的改装成本非常高,且带宽较窄、费用较高,很难在民用航空中广泛应用。因此采用地面专用无线基站向空中民航飞机进行覆盖受到越来越广泛的关注。由于LTE技术可以提供更高的下载速率,在20M带宽下可以达到150M的下载速率,并且LTE适应在高速移动场景下的切换,因此利用第4代移动通信系统LTE系统来实现地空无线宽带通信具有更广阔的商业前景。由于LTE系统在设计之初是按照最大能为350Km/h高速移动用户提供大于100kbps的接入服务而设计的,而民航飞机的飞行速度通常在800-1000Km/h,因此基于LTE的地空无线宽带通信系统的技术难点在于如何在超高速移动场景下支持高速率的数据传输。LTE系统采用的物理层关键技术是OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术,由于飞机在高速飞行时会对LTE系统带来巨大的多普勒频移,频率偏移会破坏OFDM子载波之间的正交性,从而在OFDM各个正交的子载波之间产生互相干扰,影响解调性能。因此本文重点研究地空无线宽带通信系统中LTE系统的频偏和时偏估计。本文首先介绍传统的OFDM频偏估计算法,分析传统的OFDM频偏估计算法在LTE系统中能够支持的最大频偏估计范围,根据理论分析和仿真结果,证明传统的OFDM频偏估计算法不能满足地空无线宽带通信系统的要求。因此本文首先提出了一种基于PRACH (Physical Random Access Channel)信道的峰值功率比的频偏估计算法,这种频偏估计算法能够将频偏估计的范围扩展为[-1875Hz,1875Hz],能够满足地空无线宽带通信系统的要求。但是该算法受噪声影响较大,在某些频偏范围内估计不准确,且PRACH信道只在初始接入时终端才会发起,因此这种算法只适用于估计初始频偏。为了保证频偏估计的性能满足PUSCH (Physical Uplink Shared Channel)信道的解调要求,本文还提出一种联合的频偏估计方法,这种方法结合基于PUSCH信道的传统频偏估计算法和本文提出的基于PRACH信道峰值功率比的频偏估计算法,通过这种联合的频偏估计算法,不仅可以将频偏估计的范围扩大到[-1875Hz,1875Hz],同时还能够保证频偏估计的精度。然后将本文提出的这种联合频偏估计算法应用到LTE系统的频偏估计和频偏补偿的流程中,仿真结果表明这种算法能够实际应用于地空无线宽带通信系统。在时偏估计方面,本文提出了一种时偏和频偏联合估计算法,这种联合的时偏和频偏估计方法可以降低相关运算的计算量。仿真结果表明,与传统的时偏和频偏估计算法相比,本文提出的联合估计算法可以降低33%的计算量,同时在低SNR下本文提出的联合估计算法可以获得更好的频偏估计性能和相同的时偏估计性能。
【图文】：

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通信技术的迅速发展，第４代移动通信ＬＴＥ邋（Ｌｏｎｇ邋ｔｅｒｍ邋ｅｖｏ山ｔｉｏｎ）技术营商广泛采用，同时随着ＬＴＥ技术在运营商领域取得的成功．越来越多在其它领域的发展，民用航空通信领域就是其中之一。为了防止无线信，民航飞机在起飞前需要关闭手机和无线设备，但是随着无线通信技术扰技术的提高，手机和无线设备对民航无线信号的干化几乎可Ｌ义忽略不了在民航飞机上关闭手机和无线设备这一限制，一些发达国家和地区甚通信服务。随着移动通信网络的曰渐普及，特别是随着ＬＴＥ技术的迅速开网络，国内乘客尤其是长途的商务旅客希望在民航飞机上也能实现语发邮件等需求。逡逑民用航空上实现移动通信主要有两种解决方法：一种是采用卫星方式，民航飞机的通信；一种是利用地面专用无线基站，送种基站可Ｗ实现覆而实现地面与民航飞机的通信。卫星通信方式比较成熟，但是卫星通信，且带宽较窄、费用较高，很难在民用化空中广泛应用，常被用于地面班。因此采用地面专用无线基站向空中民航飞机进行覆盖受到越来越广动通信系统ＬＴＥ来实现航线覆盖，相比采用其他技术而言，可Ｗ提供更Ｅ技术在高速移动方面也具有较大的优势，因此采用ＬＴＥ技术来实现地发展趋势。逡逑

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批学位论文逡逑ＷｍｇｍＭ邋ＤＯＣＴＯＲＡＬ邋ＤＫｌＳＥＲＴＡＴＩＯＮ逡逑基于ＬＴＥ技术的地空无线宽带通信系统如图１－１所示。地空无线宽带通信系统采用宏蜂窝逡逑网络结构，由地面基站、核也网和化载终端设备Ｓ部分组成。地面ＬＴＥ基站沿飞行航路或特定逡逑空域向高空进行覆盖，飞机上通过机载终端设备与地面ＬＴＥ基站进行连接，通过地面ＬＴＥ基站逡逑和机载终端设备就能实现地面向氋空飞行的飞机提供宽带无线数据传输通道。核也网是空中与逡逑地面的数据交换中也，机载设备安装在飞机上，同时飞机上部署无线ＷＩＦＩ系统与机载设备相逡逑连接，这样乘客的各种移动终端就可Ｗ通过飞机上无线ＷＩＦＩ系统连接到虹ｔｅｍｅｔ。逡逑地空无线宽带通信系统中ＬＴＥ基站沿着飞行航线架设，机载ＬＴＥ终端设备沿着固定航线飞逡逑行，因此地空无线宽带通信系统的信道模型如图１－２所示，，类似于３ＧＰＰ协议化．１４１网高速铁路逡逑模型。逡逑Ｍ邋逦ＤＪ２逦ＤＪ２逦ＤＪ１邋Ｗ邋－——ＤＪ２逦？｜逡逑全＂逦ｉ堂＇逡逑ＢＳ逦ＢＳ逡逑图１－２地空无线宽带通信系统信道横型逡逑在图１－２中，Ａ／２表示基站的覆盖半径，在图１－１地空无线宽带通信系统框图中，基站的逡逑覆盖半径点＞２００}0。化＾表示基站和终端之间的最小距离
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN929.5

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