下一代無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中的時(shí)頻同步技術(shù)研究.pdf

1、近十年來(lái)，隨著人們對(duì)高速率、高質(zhì)量的無(wú)線(xiàn)通信需求的飛速增長(zhǎng)，下一代無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)都面臨著越來(lái)越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在物理層，為了有效地克服高速率無(wú)線(xiàn)通信帶來(lái)的符號(hào)間干擾，以及解決大量用戶(hù)的大容量通信需求和有限的頻譜資源供給之間的矛盾，以正交頻分復(fù)用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)技術(shù)為代表的多載波技術(shù)和能充分利用空間資源的多天線(xiàn)多輸入多輸出(Multiple-InputMul

2、tiple-Output,MIMO)技術(shù)得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注和研究，并被廣泛接受為下一代無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的首選框架。
　　同步技術(shù)是數(shù)字通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。同步可以分為兩個(gè)方面：時(shí)間同步和載波同步。由于各種基于OFDM的調(diào)制和多址技術(shù)，如單入單出正交頻分復(fù)用(Single-InputSingle-OutputOFDM,SISO-OFDM)、多入多出正交頻分復(fù)用(MIMO-OFDM)、以及正交頻分多址(OrthogonalFr

3、equencyDivisionMultipleAc-cess,OFDMA)技術(shù)等對(duì)載波頻率偏移(CarrierFrequencyOffset,CFO)都非常敏感；另一方面，協(xié)作通信系統(tǒng)(CooperativeCommunicationSysmtes)作為一種分布式的多天線(xiàn)MIMO系統(tǒng)，也存在著其內(nèi)稟的時(shí)、頻異步特性，因此研究這兩類(lèi)系統(tǒng)中的時(shí)頻同步問(wèn)題具有重要意義。
　　本論文以下一代無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中的時(shí)間、頻率同步問(wèn)題做為主要研究對(duì)

4、象，較為系統(tǒng)地考察了各種基于OFDM的調(diào)制和多址系統(tǒng)，包括SISO-OFDM、MIMO-OFDM和OFDMA系統(tǒng)，以及分布式協(xié)作通信系統(tǒng)中的時(shí)頻同步問(wèn)題。研究?jī)?nèi)容涉及參數(shù)估計(jì)、信號(hào)檢測(cè)和空時(shí)編碼設(shè)計(jì)等多個(gè)方面。本論文的主要研究?jī)?nèi)容包括：
　　1.研究了SISO-OFDM、MIMO-OFDM以及OFDMA系統(tǒng)中的頻偏估計(jì)問(wèn)題。認(rèn)識(shí)到上述各種OFDM系統(tǒng)中的頻偏估計(jì)問(wèn)題本質(zhì)上均為噪聲中的多個(gè)不同幅度和初相的諧波頻率估計(jì)問(wèn)題，將上述各種

5、OFDM系統(tǒng)的頻偏估計(jì)問(wèn)題納入一個(gè)統(tǒng)一的框架進(jìn)行討論，充分利用各個(gè)系統(tǒng)的頻域、時(shí)域和空域資源，提出一系列的頻偏估計(jì)方案，為頻偏估計(jì)問(wèn)題提供了一個(gè)新的視角。具體而言：
　　1)充分利用頻域資源。利用頻偏信息在OFDM頻譜上存在冗余的特點(diǎn)，提出了一種可以應(yīng)用于SISO-OFDM和MIMO-OFDM系統(tǒng)的基于欠采樣的頻偏估計(jì)方法。充分利用頻偏信息在OFDM頻譜結(jié)構(gòu)上的冗余性，新方法通過(guò)設(shè)計(jì)均勻間隔的虛擬子載波（空導(dǎo)頻），并在接收端通過(guò)對(duì)

6、接收信號(hào)的欠采樣重新構(gòu)造低維度的接收信號(hào)矩陣。這種欠采樣構(gòu)造導(dǎo)致的OFDM信號(hào)頻域的混疊不會(huì)造成頻偏信息的損失，反而壓縮了待估參數(shù)的個(gè)數(shù)，提高了估計(jì)的性能。而在頻率選擇性信道中，這種頻譜折疊還能提供頻率分集，從而克服了傳統(tǒng)的基于虛擬子載波的頻偏估計(jì)方法在頻率選擇性信道下的性能損失，使得即使在信道頻譜存在深衰落甚至零點(diǎn)的情況下仍能保持其超分辨的性能。同時(shí)，欠采樣還降低了自相關(guān)矩陣的維度從而降低了整個(gè)算法的計(jì)算復(fù)雜度。
　　2)充分利

7、用時(shí)域資源。利用實(shí)際的OFDM時(shí)域信號(hào)均采用足夠長(zhǎng)的循環(huán)前綴以克服符號(hào)塊間干擾，因此系統(tǒng)中存在著沒(méi)有被符號(hào)塊間干擾污染的“干凈”循環(huán)前綴的特點(diǎn)，提出了一種應(yīng)用于SISO-OFDM系統(tǒng)的自適應(yīng)聯(lián)合符號(hào)塊定時(shí)和載波頻偏估計(jì)方法。與傳統(tǒng)的利用循環(huán)前綴的定時(shí)和頻偏估計(jì)方法相比，新方法能夠在無(wú)需已知“干凈”循環(huán)前綴的長(zhǎng)度和起始位置的情況下，以自適應(yīng)的方式盡可能地充分利用“干凈”的循環(huán)前綴樣點(diǎn)，避免了塊間干擾的影響。新方法在時(shí)間彌散信道中性能穩(wěn)健，

8、且計(jì)算復(fù)雜度低。而且當(dāng)自適應(yīng)的過(guò)程收斂后，可以得到頻偏的最大似然估計(jì)。
　　3)充分利用空域資源。利用OFDMA系統(tǒng)配置均勻線(xiàn)性陣列天線(xiàn)的特點(diǎn)，提出了一種應(yīng)用于OFDMA上行系統(tǒng)的多頻偏估計(jì)方法?；谡瓗盘?hào)假設(shè)，新方法充分利用了陣列天線(xiàn)帶來(lái)的空間分辨能力，從空域?qū)?lái)自不同用戶(hù)的信號(hào)進(jìn)行分離，從而可以對(duì)各個(gè)用戶(hù)的頻偏進(jìn)行逐個(gè)估計(jì)。由于充分利用了空間資源，與已有的方法相比，新方法:a)不依賴(lài)于任何特定的子載波分配方案，適用于子載波任

9、意分配的系統(tǒng)，因此能夠支持系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信道分配，更加靈活實(shí)用；b)不依賴(lài)于空子載波，所有載波都可用于數(shù)據(jù)發(fā)送，因此頻譜利用率較高；c)可以同時(shí)得到多個(gè)用戶(hù)的入射角信息，用于上行多用戶(hù)分離和下行選擇性發(fā)送，提高系統(tǒng)性能。
　　2.研究了時(shí)、頻異步的協(xié)作通信系統(tǒng)中的可靠通信問(wèn)題。從發(fā)射端和接收端兩個(gè)方面著手，分別研究了發(fā)射端的滿(mǎn)分集分布式空時(shí)編碼的設(shè)計(jì)和接收端低計(jì)算復(fù)雜度的信號(hào)檢測(cè)算法的設(shè)計(jì)。具體而言：
　　1)研究了頻率異步協(xié)作

10、通信系統(tǒng)中的協(xié)作發(fā)射方案的設(shè)計(jì)問(wèn)題。由于協(xié)作通信系統(tǒng)中多個(gè)不同頻偏的存在造成的系統(tǒng)等效信道的時(shí)變性，破壞了傳統(tǒng)分布式空時(shí)編碼的結(jié)構(gòu)，從而惡化了接收性能。針對(duì)這一問(wèn)題，首先通過(guò)時(shí)頻變換將時(shí)域中由頻偏引起的時(shí)變平坦衰落信道變換為頻域中的塊時(shí)不變符號(hào)間串?dāng)_(Inter-SymbolInterference,ISI)信道?；谶@樣的信道，充分利用時(shí)-頻對(duì)偶特性，分別提出了兩種分布式空頻編碼的設(shè)計(jì)方案：頻率反轉(zhuǎn)空頻編碼和頻域線(xiàn)性卷積空頻編碼。新的

11、空頻碼不但能在多個(gè)頻偏存在的情況下仍然獲得滿(mǎn)協(xié)作分集增益，而且接收機(jī)并不需要采用計(jì)算量巨大的最大似然解碼，而僅僅需要采用低復(fù)雜度的線(xiàn)性均衡方法，如迫零均衡或最小均方誤差均衡即可獲得滿(mǎn)分集增益。在此基礎(chǔ)上，將該設(shè)計(jì)思路推廣到任意個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)存在的情況，提出了一族具有較高頻譜效率，能夠在線(xiàn)性接收機(jī)下獲得滿(mǎn)頻率異步協(xié)作分集增益的空頻編碼。新編碼達(dá)到了性能、復(fù)雜度和頻譜效率的良好折中。
　　2)研究了時(shí)、頻異步協(xié)作通信系統(tǒng)中的可靠通信問(wèn)題。

12、針對(duì)由協(xié)作通信系統(tǒng)的分布式特點(diǎn)帶來(lái)的時(shí)頻異步問(wèn)題，以及所導(dǎo)致的等效信道的時(shí)變性和頻率選擇性，從發(fā)射和接收兩個(gè)方面入手以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠接收。在協(xié)作發(fā)射端，采用分布式線(xiàn)性卷積空時(shí)碼，以保證目的節(jié)點(diǎn)采用線(xiàn)性接收機(jī)即可獲得滿(mǎn)的時(shí)間異步協(xié)作分集增益；而在接收端，設(shè)計(jì)了一種低計(jì)算復(fù)雜度的快速均衡算法。由于等效信道的時(shí)變性?xún)H有多個(gè)頻偏的存在而引起。而如果接收端得到各個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)頻偏的正確估計(jì)，那么這種時(shí)變性的規(guī)律就完全確定了。這就意味著上一個(gè)時(shí)刻的信道