寬帶無線通信系統(tǒng)中的同步和信道估計(jì)算法.pdf

1、未來的寬帶無線通信系統(tǒng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無所不在的、高速、可靠的移動(dòng)多媒體傳輸。正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)、單載波頻域均衡技術(shù)(SC-FDE)和多天線技術(shù)都是有助于達(dá)到這一目標(biāo)的有效技術(shù)。在多徑衰落信道下的同步和信道估計(jì)是寬帶無線通信系統(tǒng)中需要解決的重要問題。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，芯片的處理能力飛速增長，一些較為復(fù)雜的算法也可以實(shí)現(xiàn)，這使得人們有能力進(jìn)一步追求高的性能。未來無線通信系統(tǒng)希望在不同的無線環(huán)境中參數(shù)化的解能達(dá)到或接近優(yōu)化性能。

2、從系統(tǒng)設(shè)計(jì)最優(yōu)化的角度考慮，對各相關(guān)參數(shù)應(yīng)該聯(lián)合估計(jì)。同時(shí)，在不同情況下參數(shù)估計(jì)所能達(dá)到的性能極限也是一個(gè)十分重要的問題。本論文主要針對寬帶無線通信系統(tǒng)接收機(jī)，設(shè)計(jì)和分析定時(shí)同步、載波頻偏和信道參數(shù)單獨(dú)或聯(lián)合估計(jì)算法，并研究了一些情況下估計(jì)這些參數(shù)所能達(dá)到的極限性能。概括起來，本文的主要內(nèi)容如下： 1.針對類ESPRIT盲頻偏估計(jì)方法在小樣本下性能急劇惡化，提出了一種基于傳播算子的OFDM載波頻偏盲估計(jì)的閉式解。該算法用構(gòu)造的數(shù)

3、據(jù)矩陣計(jì)算出傳播算子，然后借助于傳播算子推導(dǎo)出頻偏估計(jì)的表達(dá)式。為了在小樣本時(shí)仍能有效估計(jì)，用對角加載技術(shù)對傳播算子的計(jì)算公式作了修正。仿真表明，無論在高斯白噪聲(AWGN)信道還是多徑衰落信道中，該算法在即使1、2個(gè)碼元樣本時(shí)，都有較好的估計(jì)性能，克服了類ESPRIT算法需要較多樣本做統(tǒng)計(jì)的不足。同時(shí)，與類ESPRIT相同，該算法的估計(jì)范圍是整個(gè)OFDM有用信號帶寬，因此具有頻偏估計(jì)范圍大的優(yōu)點(diǎn)。 2.提出了多徑衰落信道下，基

4、于最大似然(ML)準(zhǔn)則的OFDM頻偏、定時(shí)和信道參數(shù)聯(lián)合估計(jì)代價(jià)函數(shù)。通過對代價(jià)的進(jìn)一步推導(dǎo)求解，得出了不同情況下的三個(gè)估計(jì)算法，這些算法都是基于導(dǎo)頻的。首先通過推導(dǎo)，得到了一種整數(shù)頻偏(IFO)、定時(shí)和信道聯(lián)合估計(jì)算法，該算法用FFT和一維搜索同時(shí)獲得IFO和定時(shí)參數(shù)，然后進(jìn)一步獲得信道參數(shù)，在信道階數(shù)未知的情況下，我們對算法做了調(diào)整，用循環(huán)前綴(CP)長度代替信道階數(shù)，仿真顯示，這種代替對最終性能影響不大；其次，在無載波頻偏情況下，

5、對以上算法簡化，得到了一種多徑衰落信道下定時(shí)估計(jì)算法，在信道階數(shù)未知情況下，我們用在碼元前端補(bǔ)零的方法有效消除了用CP長度代替信道階數(shù)產(chǎn)生的定時(shí)測度平臺(tái)；最后，我們通過把導(dǎo)頻碼元設(shè)計(jì)成相同的兩部分，提出了一種FFO和定時(shí)聯(lián)合估計(jì)算法，把該算法與Schmidl&Cox算法(SCA)比較發(fā)現(xiàn)，SCA算法中的FFO估計(jì)，本質(zhì)上就是ML算法。對提出的算法與已有算法比較顯示，這些算法具有較好的估計(jì)性能并使系統(tǒng)具有較好的誤碼性能。 3.提出

6、了一種有導(dǎo)頻的多輸入多輸出一正交頻分復(fù)用(MIMO-OFDM)系統(tǒng)CFO和信道參數(shù)聯(lián)合估計(jì)算法。該算法基于ML準(zhǔn)則，在時(shí)域聯(lián)合解出CFO和多個(gè)頻率選擇性衰落信道參數(shù)。提出的算法可以處理整個(gè)有用信號帶寬范圍內(nèi)的頻偏。在信道階數(shù)未知情況下，我們提出了用OFDM循環(huán)前綴長度代替信道階數(shù)的方法。通過仿真，我們分析了定時(shí)誤差對估計(jì)性能的影響，得出算法對定時(shí)誤差穩(wěn)健的結(jié)論。提出了以估計(jì)出的參數(shù)值為初值，利用發(fā)射端符號的有限字符(FA)特性對時(shí)變的頻

7、偏和信道進(jìn)行跟蹤的方法。為評估估計(jì)性能我們計(jì)算了在MIMO-OFDM系統(tǒng)中CFO和信道參數(shù)聯(lián)合估計(jì)的Cramer-Rao下界(CRLB)。仿真表明，提出的方法可以有效利用多天線帶來的增益提高估計(jì)性能，并且估計(jì)的均方誤差可以達(dá)到CRLB；在用戶移動(dòng)情況下，具有較好的跟蹤性能。 4.提出了在補(bǔ)零的SC-FDE系統(tǒng)中，利用補(bǔ)零信息進(jìn)行盲信道估計(jì)。我們給出了利用補(bǔ)零信息的信道辨識的充分條件，分別提出了基于子空間的頻域和時(shí)域估計(jì)算法，并證

8、明了頻域估計(jì)和時(shí)域估計(jì)的等價(jià)性。仿真顯示，利用補(bǔ)零的盲信道估計(jì)算法性能優(yōu)于過采樣的盲信道估計(jì)算法，且對信道階數(shù)過估計(jì)穩(wěn)健。 5.推導(dǎo)了智能天線系統(tǒng)中估計(jì)頻偏的CRLB，分析了陣元數(shù)目和導(dǎo)頻數(shù)目變化對估計(jì)的極限性能的影響。借助于自適應(yīng)加權(quán)結(jié)構(gòu)，提出了一種智能天線系統(tǒng)中基于導(dǎo)頻的載波頻偏估計(jì)算法，算法并不要求系統(tǒng)為自適應(yīng)加權(quán)結(jié)構(gòu)，也不需要知道陣列流形。仿真和分析表明，這里提出的算法可以有效利用多陣元和導(dǎo)頻帶來的增益提高性能，估計(jì)的均