【摘要】 正交頻分復(fù)用多址（Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access，OFDMA）上行鏈路的多用戶接入同步是由IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)定義的測距過程來完成，它涉及到接入用戶的測距碼設(shè)計，接入信道的資源分配，基站對多個接入用戶進行多用戶檢測和同步參數(shù)估計等多個方面。由于測距信道的衰落、接入用戶的定時偏差、測距碼的相關(guān)性和測距信號功率差異導(dǎo)致的遠近效應(yīng)等問題使基站收到的測距信號產(chǎn)生畸變，在測距信道上存在多址干擾（Multiple AccessInterference，MAI），嚴(yán)重地影響OFDMA測距性能，限制了接入用戶容量，不能滿足新一代OFDMA無線通信的接入要求。本文針對這些問題，從測距信號波形設(shè)計方法、干擾消除多用戶檢測方法和多天線測距方法等方面對OFDMA測距關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究和分析，論文的主要研究內(nèi)容和貢獻包括以下幾個方面：1.針對OFDMA上行鏈路多用戶接入系統(tǒng)，闡述了測距過程和時頻資源分配，給出了OFDMA測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號模型，研究了頻域相關(guān)測距方法，給出了多用戶接入的正確檢測概率和虛警檢測概率的理論分析。針對OFDMA測距性能很大程度上取決于測距信道的MAI大小，分析了測距信道的衰落、測距碼的頻域相關(guān)性和活動的接入用戶數(shù)等因素對OFDMA測距性能影響。2.在測距碼設(shè)計和預(yù)編碼測距方法研究方面，根據(jù)OFDMA測距系統(tǒng)特點，提出了測距碼數(shù)量多、相關(guān)性好和峰均比低的測距碼設(shè)計原則。在預(yù)編碼測距方法研究中，根據(jù)蜂窩半徑大小和測距信號的多符號結(jié)構(gòu)，對接入用戶的測距碼進行預(yù)編碼，提出了微小區(qū)和宏小區(qū)的預(yù)編碼測距信號波形設(shè)計。在預(yù)編碼測距波形設(shè)計基礎(chǔ)上，利用預(yù)編碼矢量的正交性對測距信號進行譯碼分組，提出了一種新的OFDMA測距方法。仿真結(jié)果表明，所提方法減少了同組內(nèi)的活動接入用戶數(shù)，抑制了檢測過程中的累積MAI，提高了測距性能和接入用戶容量。3.在干擾消除的多用戶檢測研究方面，在分析連續(xù)多用戶檢測（SuccessiveMultiUser Detection，SMUD）和干擾消除測距方法的基礎(chǔ)上，利用最大信號干擾噪聲比（Signal to Interference Plus Noise Ratio，SINR）準(zhǔn)則選取測距信號的有效徑，通過消除有效徑系數(shù)估計的MAI干擾，提出了基于SINR的連續(xù)干擾消除OFDMA測距方法。同SMUD方法相比，所提方法提高了有效徑系數(shù)估計精度，減少了測距過程中的殘留MAI，從而提高了測距系統(tǒng)的多用戶檢測性能。針對SMUD方法的計算復(fù)雜度過高問題，利用測距信號的有效徑并行檢測和參數(shù)估計，提出了低復(fù)雜度的迭代并行干擾消除OFDMA測距方法，分析了有效徑系數(shù)估計精度和迭代次數(shù)對檢測性能的影響。仿真結(jié)果表明，所提方法提高了有效徑系數(shù)估計精度，降低了計算復(fù)雜度，提高了測距系統(tǒng)的多用戶檢測性能和接入效率。4.在多天線OFDMA測距方法研究中，研究了基站接收端多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）天線和智能天線模式的測距方法。在基站MIMO天線模式下，利用有限的測距信道狀態(tài)信息，提出了一種相干合并的MIMO-OFDMA測距方法，分析了相干合并測距信號的SINR和正確檢測概率。仿真結(jié)果表明，所提方法提高了測距性能和接入用戶容量。在智能天線模式下，分別研究了切換波束和自適應(yīng)波束的OFDMA測距方法。在切換波束OFDMA測距方法研究中，利用固定多波束矢量將接入小區(qū)從空間上劃分為若干個小區(qū)域，在每個小區(qū)域中通過連續(xù)干擾消除和自適應(yīng)門限完成活動用戶檢測和定時偏移估計。所提方法能夠降低小區(qū)域中的活動用戶數(shù)，抑制了測距過程中的MAI，提高了測距系統(tǒng)性能，增加了接入用戶容量。在自適應(yīng)波束OFDMA測距方法研究中，針對測距信號分量的到達角（Angle of Arrival，AOA）差異，利用自適應(yīng)波束對準(zhǔn)期望的有效徑測距信號，通過有效徑參數(shù)估計和干擾消除，提出了自適應(yīng)波束OFDMA測距方法，分析了自適應(yīng)波束成形的殘留信號和計算復(fù)雜度。仿真結(jié)果表明，所提方法通過波束成形的空域濾波，累積的殘留MAI較小，在計算復(fù)雜度略有增加的代價下顯著提高了測距性能和接入用戶容量。在多天線OFDMA測距系統(tǒng)中，與MIMO測距方法相比，智能天線測距方法能能夠更好地提高測距性能和接入用戶容量。 

第一章 緒論

1.1 引言
據(jù)資料統(tǒng)計，目前全球的無線通信業(yè)務(wù)正在以 40％的速度增長，且隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[26]-[28]的出現(xiàn)與發(fā)展，大幅度提高通信容量以滿足日益增長的接入用戶需求就成為必然。新一代 OFDMA 無線通信系統(tǒng)采用先進多天線技術(shù)和 OFDM 技術(shù)，有效地提高了系統(tǒng)的頻帶和功率利用率，為提高寬帶多用戶無線接入中的測距性能提供了基礎(chǔ)，但是存在峰均比較高[29]-[21]和對同步誤差敏感[32]-[35]等缺陷。因而綜合考慮新一代 OFDMA 無線通信系統(tǒng)中的上行鏈路測距過程，提高無線接入的測距性能和接入用戶容量，降低多用戶檢測的計算復(fù)雜度和提高活動用戶的參數(shù)估計精度，這些研究對于新一代 OFDMA 無線通信系統(tǒng)具有重要的理論價值和實際應(yīng)用前景。
本章的內(nèi)容包括三個部分，首先介紹了 OFDMA 無線接入中測距系統(tǒng)面臨的問題；然后分析了 OFDMA 無線接入中測距關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀；最后概括了本文的組織結(jié)構(gòu)。
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1.2 OFDMA 無線接入中測距系統(tǒng)面臨的問題
在OFDMA上行鏈路的無線接入中，多個移動用戶的接入是基于競爭機制。統(tǒng)一個測距信道上存在多個接入用戶，基站吸收到的測距信號是多個接入用戶時域信號的疊加。由于各接入用戶發(fā)送的測距碼和對應(yīng)的定時毛病對基站是未知的，基站吸收機必要舉行多用戶檢測和運動用戶的多參數(shù)預(yù)計。OFDMA多用戶無線接入面對著諸多挑釁，存在無線信道的衰落、用戶的差外傳輸時延、用戶的載波頻率偏移（Carrier Frequency Offset，CFO）、多天線布局、小區(qū)巨細的差別和多址滋擾（MultipleAccess Interference，MAI）等題目，限定了上行鏈路中的多用戶接入性能，無法滿意高性能、大容量的接入要求。
1.2.1 信道的衰落問題
在無線通信系統(tǒng)中，發(fā)端發(fā)出的電磁波在無線信道傳輸中會遇到各種障礙物，這些障礙物對電磁波產(chǎn)生反射、散射和衍射等現(xiàn)象，接收機收到的是經(jīng)過多條路徑傳輸電磁波的合成波，由于不同路徑的衰減、時延和相移等參數(shù)不同，在合成中它們相互影響，使接收到的總信號產(chǎn)生失真[18][36][37]。在OFDMA無線接入的測距過程中，測距信道是由多組不連續(xù)的子信道組成，接入用戶信號的多徑傳輸將導(dǎo)致測距信道的頻率選擇性，破壞了測距碼的相關(guān)性；而測距信道的衰落將造成強用戶信號對弱用戶信號的遮掩，從而造成測距信號的遠近效應(yīng)。因此，要提高OFDMA無線接入中的測距性能，必須根據(jù)測距信道的特點，克服信道衰落對多用戶檢測和參數(shù)估計的影響。
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第二章 OFDMA測距系統(tǒng)與性能分析

2.1 引言
多用戶無線接入的同步是任何一個通信系統(tǒng)都需要解決的問題，其性能直接影響到整個通信系統(tǒng)的性能。沒有準(zhǔn)確的同步算法，就不可能進行可靠的數(shù)據(jù)傳輸。為了保證OFDMA系統(tǒng)子載波間的正交性，要求各上行接入用戶信號到達基站的OFDMA符號對齊，信號功率也基本相等。IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)[23]-[25]將用戶進行無線接入中所涉及的用戶接入訓(xùn)練序列的設(shè)計、公共接入信道的分配、接入?yún)f(xié)議、多用戶檢測、多參數(shù)估計與控制等處理定義為測距。OFDMA上行鏈路的無線接入同步是由測距過程來完成的。
在IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)的OFDMA測距系統(tǒng)中，測距信道由若干個不連續(xù)子載波組成，同一測距信道上存在多個接入用戶，基站接收到的測距信號是多個接入用戶時域信號的疊加，在基站端通過OFDMA測距方法完成多用戶檢測和參數(shù)估計。由于用戶發(fā)送的頻域測距碼和定時偏移對基站接收機是未知的，時頻域測距信號的相關(guān)檢測是OFDMA測距基礎(chǔ)。利用測距碼良好的時域相關(guān)特性，文獻[52]提出了時域相關(guān)OFDMA測距方法；針對時域相關(guān)方法容易受到已接入用戶的傳輸數(shù)據(jù)影響問題，利用測距碼良好的頻域相關(guān)特性，文獻[53][54]提出了頻域相關(guān)OFDMA測距方法。但是測距信道的選擇性衰落、各個用戶的定時偏移和信號功率差異使基站收到的測距信號產(chǎn)生畸變，破壞了測距信號的相關(guān)性，使得測距信道上存在大量的MAI，嚴(yán)重地影響OFDMA上行鏈路的測距性能。
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2.2 OFDMA 測距系統(tǒng)
OFDMA 上行鏈路的多用戶接入同步是由測距過程來完成，其性能直接影響無線通信系統(tǒng)的上行鏈路的信息傳輸性能和接入用戶容量。在 OFDMA 測距過程中，基站進行活動接入用戶檢測、獲得活動用戶正確的定時偏移和功率估計并反饋給用戶，使接入用戶進行定時偏移和功率調(diào)。
2.2.1 測距過程
OFDMA上行鏈路的測距過程描述如下：
（1）接入用戶掃描下行信道，利用前導(dǎo)序列獲取下行同步，從下行控制幀中獲得上行傳輸參數(shù)的初始值；
（2）選取一個測距時隙，從參考測距碼集中隨機選取一個測距碼，將該測距碼映射到測距信道上，然后發(fā)送該接入用戶的時域測距信號；
（3）基站檢測活動用戶的測距碼和定時偏移及功率估計參數(shù)。由于用戶發(fā)送的測距碼和定時偏移對基站是未知的，基站利用接收的測距信號與參考測距碼的相關(guān)峰值確定可能的活動測距碼，估計其定時偏移和發(fā)送功率等參數(shù)。
（4）當(dāng)基站成功檢測到活動的測距碼并獲取對應(yīng)的定時偏移和功率信息，廣播測距響應(yīng)RNG_RSP消息，該消息包括檢測到的活動測距碼和該測距碼占用的測距時隙，同時也包括對應(yīng)于每個活動測距碼的調(diào)整信息（定時偏移和功率等）和狀態(tài)標(biāo)識（成功或繼續(xù)重傳）；
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第三章 測距碼設(shè)計與預(yù)編碼測距方法研究.................. 40-64 
3.1 引言 ......................40-41 
3.2 OFDMA測距碼設(shè)計方法 ................41-48 
3.2.1 測距碼設(shè)計原則 ..............41-43 
3.2.2 典型測距碼 .............43-44 
3.2.3 對比分析 .................44-48 
3.3 測距信號波形分析................................ 48-51 
3.3.1 小區(qū)半徑對測距波形的影響..................... 48-50 
3.3.2 測距信號的多符號結(jié)構(gòu) ............50-51 
3.4 提出的預(yù)編碼測距波形設(shè)計.............................. 51-53 
3.4.1 微小區(qū)的測距波形設(shè)計 ................51-52 
3.4.2 宏小區(qū)的測距波形設(shè)計 ...........52-53 
3.5 新的預(yù)編碼OFDMA測距方法 ..............53-61 
3.5.1 預(yù)編碼的OFDMA測距系統(tǒng)..................................... 53 
3.5.2 信號模型 ............................53-54 
3.5.3 多用戶檢測和定時偏移估計 ................54-56 
3.5.4 門限設(shè)置 ......................56-57 
3.5.5 仿真結(jié)果 ..................57-61 
3.6 本章小結(jié)............................... 61-64 
第四章 干擾消除的多用戶檢測方法研究............... 64-88 
4.1 引言................................... 64-65 
4.2 信號模型 .............................65-66 
4.3 連續(xù)干擾消除的OFDMA測距方法..................... 66-72 
4.3.1 SMUD的測距方案................. 67 
4.3.2 多用戶檢測和定時估計................ 67-68 
4.3.3 性能分析 .........................68-72 
4.4 改進的連續(xù)干擾消除OFDMA測距方法 ...............72-78 
4.4.1 有效徑選取分析 ..............72-73 
4.4.2 SINR有效徑選取 ........................73-74 
4.4.3 有效徑系數(shù)估計 .............................74-76 
4.4.4 SINR的連續(xù)干擾消除測距方法 .....................76-77 
4.4.5 仿真結(jié)果 ............................77-78 
4.5 新的低復(fù)雜度的并行干擾消除OFDMA測距方法............ 78-87 
4.5.1 迭代并行干擾消除測距方法 ...............78-80 
4.5.2 干擾抵消的有效徑系數(shù)估計....................... 80-81 
4.5.3 性能分析.............. 81-84 
4.5.4 仿真結(jié)果 .......................84-87 
4.6 本章小結(jié)......................... 87-88 

第五章 多天線OFDMA測距方法研究

5.1 引言
新一代的移動寬帶無線接入系統(tǒng)面臨著高性能、大容量的接入要求，這就迫切需要一種能夠提高系統(tǒng)容量和通信質(zhì)量的新技術(shù)，這即是多天線技術(shù)得以提出和發(fā)展的客觀環(huán)境。近年來，多天線技術(shù)成為新一代無線通信系統(tǒng)的研究熱點，國內(nèi)外開展了大量的多天線分集和波束成形研究方法[112]-[117]。多天線技術(shù)在時間和頻率資源之外又引入了一種新的空間資源，新一代OFDMA無線通信系統(tǒng)支持MIMO和智能天線兩種不同的多天線實現(xiàn)方式，為提高上行鏈路無線接入中的測距性能提供了基礎(chǔ)，文獻[76][85]-[87]提出了多天線OFDMA測距方法。文獻[76]針對IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)[25]的測距信道分配，考慮到測距信道由若干個不連續(xù)的測距子信道組成和測距子信道的子載波連續(xù)分配等特點，提出了一種非相干合并的MIMO-OFDMA測距方法，但整個測距信道的頻率選擇性導(dǎo)致較大的MAI，嚴(yán)重地影響多用戶檢測性能和限制了用戶容量。為了克服測距信道頻率選擇性對測距性能的影響，文獻[85]-[87]在測距信道分配[79]的基礎(chǔ)上提出了多天線OFDMA測距方法。文獻[85][86]通過下行幀中的導(dǎo)頻進行信道估計，利用TDD模式的上行鏈路信道互易性，接入用戶選取最佳測距子信道，在發(fā)送端對測距信號進行功率調(diào)整，在接收端測距信號相關(guān)處理后進行多天線的非相干合并，首次提出了多天線分集和多用戶分集的OFDMA測距方法，降低了接入用戶的發(fā)射功率，克服了測距信號的深衰落問題，在一定程度上提升了測距性能，但無法有效抑制MAI。利用基站智能天線與接入用戶之間的信道存在較強相關(guān)性，文獻[87]提出了基于波束成形的OFDMA測距方法，提高了多用戶檢測和參數(shù)估計性能。文獻[85]-[87]的多天線OFDMA測距方法采用若干個連續(xù)的測距子載波，多用戶的殘留CFO對測距性能影響較大，且測距子載波數(shù)量較少，導(dǎo)致小區(qū)邊緣用戶接入性能惡化。此外，測距子載波分配方式不同與IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)，不能直接應(yīng)用與IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)的OFDMA測距系統(tǒng)。
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總結(jié)

OFDMA無線接入中的測距過程涉及到測距碼設(shè)計、測距信道的資源分配、接入?yún)f(xié)議、多用戶檢測、多參數(shù)估計與控制等多方面處理，其性能直接影響OFDMA上行鏈路的多用戶同步和用戶容量。在OFDMA無線接入的測距系統(tǒng)中，上行鏈路的多用戶接入是基于競爭機制，同一個測距信道上存在多個測距用戶。由于各移動用戶在小區(qū)位置的隨機性，基站接收到的上行測距信號的定時將受往返時延的影響，不同測距用戶與基站間存在不同的定時偏差，將導(dǎo)致各用戶的OFDMA符號無法對齊。OFDMA上行鏈路的多用戶同步是由測距過程來完成的，在測距過程中基站進行活動測距碼檢測和定時偏移等參數(shù)估計。然而，在OFDMA測距過程中，筆耕文化推薦期刊，由于測距信道的衰落、測距用戶的定時偏差、測距碼的相關(guān)性和測距信號的功率差異導(dǎo)致的遠近效應(yīng)等問題使基站收到的測距信號產(chǎn)生畸變，破壞了測距信號的相關(guān)性，從而在測距信道上存在MAI，嚴(yán)重地影響OFDMA無線接入的測距性能，限制了測距用戶容量，不能滿足新一代OFDMA無線通信系統(tǒng)的高性能、大容量的接入要求。本文從OFDMA測距系統(tǒng)和性能分析、測距碼設(shè)計和預(yù)編碼方法、干擾消除的多用戶檢測方法和多天線OFDMA測距方法等方面進行了研究和分析，論文的主要研究內(nèi)容和貢獻包括以下幾個方面：
1．在OFDMA測距系統(tǒng)與性能分析方面，闡述了OFDMA測距過程和時頻資源分配，給出了上行鏈路的測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號模型，重點研究了頻域相關(guān)OFDMA測距方法的多用戶檢測性能，給出了測距系統(tǒng)的正確檢測概率和虛警檢測概率的理論分析。針對OFDMA測距性能很大程度上取決于測距信道的MAI大小，詳細分析了測距信道的衰落、測距碼的頻域相關(guān)性和活動接入用戶數(shù)等主要因素對測距性能的影響，為后續(xù)章節(jié)開展OFDMA測距關(guān)鍵技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。
2．在測距碼設(shè)計和預(yù)編碼測距方法研究方面，研究了測距碼設(shè)計和預(yù)編碼測距方法。在測距碼設(shè)計中，根據(jù)OFDMA測距系統(tǒng)特點，提出了測距碼數(shù)量多、相關(guān)性好和峰均比低的測距碼設(shè)計原則。在預(yù)編碼測距方法研究中，根據(jù)無線蜂窩半徑大小和測距信號的多符號結(jié)構(gòu)，通過對測距碼的預(yù)編碼，分別設(shè)計了微小區(qū)和宏小區(qū)的預(yù)編碼測距信號波形。在預(yù)編碼測距波形設(shè)計的基礎(chǔ)上，利用預(yù)編碼矢量的正交性對接收的測距信號譯碼分組，提出了一種新的預(yù)編碼OFDMA測距方法。仿真結(jié)果表明，分組譯碼顯著減少了同組內(nèi)的活動接入用戶數(shù)，從而抑制了測距過程中的累積MAI，極大提高了OFDMA測距性能和接入用戶容量。
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本文編號：10922