下一代無線通信系統(tǒng)中的時頻同步技術(shù)研究.pdf

1、近十年來，隨著人們對高速率、高質(zhì)量的無線通信需求的飛速增長，下一代無線通信系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)都面臨著越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在物理層，為了有效地克服高速率無線通信帶來的符號間干擾，以及解決大量用戶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線通信系統(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。同步可以分為兩個方面：時間同步和載波同步。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MIMO系統(tǒng)，也存在著其內(nèi)稟的時、頻異步特性，因此研究這兩類系統(tǒng)中的時頻同步問題具有重要意義。
　　本論文以下一代無線通信系統(tǒng)中的時間、頻率同步問題做為主要研究對

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)中的時頻同步問題。研究內(nèi)容涉及參數(shù)估計、信號檢測和空時編碼設(shè)計等多個方面。本論文的主要研究內(nèi)容包括：
　　1.研究了SISO-OFDM、MIMO-OFDM以及OFDMA系統(tǒng)中的頻偏估計問題。認(rèn)識到上述各種OFDM系統(tǒng)中的頻偏估計問題本質(zhì)上均為噪聲中的多個不同幅度和初相的諧波頻率估計問題，將上述各種

5、OFDM系統(tǒng)的頻偏估計問題納入一個統(tǒng)一的框架進(jìn)行討論，充分利用各個系統(tǒng)的頻域、時域和空域資源，提出一系列的頻偏估計方案，為頻偏估計問題提供了一個新的視角。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，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，新方法通過設(shè)計均勻間隔的虛擬子載波（空導(dǎo)頻），并在接收端通過對

6、接收信號的欠采樣重新構(gòu)造低維度的接收信號矩陣。這種欠采樣構(gòu)造導(dǎo)致的OFDM信號頻域的混疊不會造成頻偏信息的損失，反而壓縮了待估參數(shù)的個數(shù)，提高了估計的性能。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的情況下仍能保持其超分辨的性能。同時，欠采樣還降低了自相關(guān)矩陣的維度從而降低了整個算法的計算復(fù)雜度。
　　2)充分利

7、用時域資源。利用實際的OFDM時域信號均采用足夠長的循環(huán)前綴以克服符號塊間干擾，因此系統(tǒng)中存在著沒有被符號塊間干擾污染的“干凈”循環(huán)前綴的特點，提出了一種應(yīng)用于SISO-OFDM系統(tǒng)的自適應(yīng)聯(lián)合符號塊定時和載波頻偏估計方法。與傳統(tǒng)的利用循環(huán)前綴的定時和頻偏估計方法相比，新方法能夠在無需已知“干凈”循環(huán)前綴的長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，避免了塊間干擾的影響。新方法在時間彌散信道中性能穩(wěn)健，

8、且計算復(fù)雜度低。而且當(dāng)自適應(yīng)的過程收斂后，可以得到頻偏的最大似然估計。
　　3)充分利用空域資源。利用OFDMA系統(tǒng)配置均勻線性陣列天線的特點，提出了一種應(yīng)用于OFDMA上行系統(tǒng)的多頻偏估計方法?；谡瓗盘柤僭O(shè)，新方法充分利用了陣列天線帶來的空間分辨能力，從空域?qū)碜圆煌脩舻男盘栠M(jìn)行分離，從而可以對各個用戶的頻偏進(jìn)行逐個估計。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)的動態(tài)信道分配，更加靈活實用；b)不依賴于空子載波，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)可以同時得到多個用戶的入射角信息，用于上行多用戶分離和下行選擇性發(fā)送，提高系統(tǒng)性能。
　　2.研究了時、頻異步的協(xié)作通信系統(tǒng)中的可靠通信問題。從發(fā)射端和接收端兩個方面著手，分別研究了發(fā)射端的滿分集分布式空時編碼的設(shè)計和接收端低計算復(fù)雜度的信號檢測算法的設(shè)計。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)計問題。由于協(xié)作通信系統(tǒng)中多個不同頻偏的存在造成的系統(tǒng)等效信道的時變性，破壞了傳統(tǒng)分布式空時編碼的結(jié)構(gòu)，從而惡化了接收性能。針對這一問題，首先通過時頻變換將時域中由頻偏引起的時變平坦衰落信道變換為頻域中的塊時不變符號間串?dāng)_(Inter-SymbolInterference,ISI)信道?；谶@樣的信道，充分利用時-頻對偶特性，分別提出了兩種分布式空頻編碼的設(shè)計方案：頻率反轉(zhuǎn)空頻編碼和頻域線性卷積空頻編碼。新的

11、空頻碼不但能在多個頻偏存在的情況下仍然獲得滿協(xié)作分集增益，而且接收機(jī)并不需要采用計算量巨大的最大似然解碼，而僅僅需要采用低復(fù)雜度的線性均衡方法，如迫零均衡或最小均方誤差均衡即可獲得滿分集增益。在此基礎(chǔ)上，將該設(shè)計思路推廣到任意個協(xié)作節(jié)點存在的情況，提出了一族具有較高頻譜效率，能夠在線性接收機(jī)下獲得滿頻率異步協(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、頻異步協(xié)作通信系統(tǒng)中的可靠通信問題。

12、針對由協(xié)作通信系統(tǒng)的分布式特點帶來的時頻異步問題，以及所導(dǎo)致的等效信道的時變性和頻率選擇性，從發(fā)射和接收兩個方面入手以實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠接收。在協(xié)作發(fā)射端，采用分布式線性卷積空時碼，以保證目的節(jié)點采用線性接收機(jī)即可獲得滿的時間異步協(xié)作分集增益；而在接收端，設(shè)計了一種低計算復(fù)雜度的快速均衡算法。由于等效信道的時變性僅有多個頻偏的存在而引起。而如果接收端得到各個協(xié)作節(jié)點頻偏的正確估計，那么這種時變性的規(guī)律就完全確定了。這就意味著上一個時刻的信道