本文選題：星地混合信道 + 壓縮感知技術(shù)　； 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：星地混合OFDM通信系統(tǒng)具有廣覆蓋、通信距離遠(yuǎn)、地理限制小、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)線信號(hào)在星地混合信道的傳輸過(guò)程中,會(huì)經(jīng)歷路徑損耗、陰影衰落、多徑效應(yīng)、多普勒頻移等影響,嚴(yán)重影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量。為了保證接收機(jī)部分的信道均衡與相干解調(diào),需要通過(guò)關(guān)鍵的信道估計(jì)技術(shù)獲得信道狀態(tài)信息,以保證信號(hào)的傳輸質(zhì)量。隨著壓縮感知理論的提出,對(duì)稀疏信號(hào)的采樣實(shí)現(xiàn)了以遠(yuǎn)低于奈奎斯特采樣速率的巨大飛躍。考慮到實(shí)際的OFDM多徑信道在時(shí)域上具有的稀疏特性,將壓縮感知應(yīng)用于星地混合OFDM信道的估計(jì)方法中,與傳統(tǒng)信道估計(jì)方法相比,能顯著降低導(dǎo)頻開(kāi)銷,提升了頻譜利用率,并獲得良好的信道估計(jì)性能。本文充分利用了星地混合OFDM系統(tǒng)中信道所具有的稀疏性,即只有幾個(gè)少數(shù)個(gè)徑具有較大增益的特點(diǎn),利用壓縮感知技術(shù)完成信道估計(jì),為實(shí)現(xiàn)星地子系統(tǒng)間透明的空中接口提供技術(shù)支撐。文中主要研究了基于壓縮感知的信道估計(jì)方法,對(duì)導(dǎo)頻的插入方式和信道狀態(tài)信息恢復(fù)算法這兩方面著手,即對(duì)“探測(cè)”和“重構(gòu)”過(guò)程分別進(jìn)行優(yōu)化,前者影響了信道的估計(jì)效果,而后者影響了CSI的準(zhǔn)確程度和重構(gòu)速率。本文的研究?jī)?nèi)容如下:第一,對(duì)OFDM系統(tǒng)時(shí)域的稀疏信道進(jìn)行建模,并將壓縮感知的理論與信道估計(jì)問(wèn)題相聯(lián)系。與傳統(tǒng)信道估計(jì)方法的估計(jì)性能相對(duì)比,選用隨機(jī)分布的導(dǎo)頻子載波探測(cè)星地混合信道,在重構(gòu)部分采用正交匹配追蹤算法。通過(guò)對(duì)兩種典型的星地混合信道模型進(jìn)行估計(jì),驗(yàn)證了壓縮感知信道估計(jì)方法的可行性,以理論及數(shù)據(jù)兩種形式,為導(dǎo)頻數(shù)目的選取和后續(xù)重構(gòu)算法的設(shè)計(jì)提供支持。第二,對(duì)導(dǎo)頻子載波索引的選取方法進(jìn)行優(yōu)化,從信道探測(cè)方面提升估計(jì)性能。先提出導(dǎo)頻位置選取決定恢復(fù)矩陣的結(jié)論,再基于最小化列相關(guān)準(zhǔn)則和改進(jìn)準(zhǔn)則對(duì)稀疏信道進(jìn)行估計(jì)。通過(guò)對(duì)星地混合信道的仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了這兩種準(zhǔn)則的性能優(yōu)勢(shì),得到了不同信道場(chǎng)景下的優(yōu)質(zhì)導(dǎo)頻圖樣,為高效信道重構(gòu)提供有力支撐。第三,對(duì)基于壓縮感知的信道估計(jì)重構(gòu)算法進(jìn)行改進(jìn),從信道重構(gòu)方面提升估計(jì)性能。針對(duì)OMP等重構(gòu)算法不能在稀疏度未知的場(chǎng)景進(jìn)行信道估計(jì)的缺陷,對(duì)稀疏自適應(yīng)匹配追蹤(SAMP)算法進(jìn)行研究,通過(guò)對(duì)該算法的優(yōu)缺點(diǎn)分析,針對(duì)迭代停止條件、步長(zhǎng)選取方式和索引更新門(mén)限提出了改進(jìn)的AS-SAMP算法和AS-RSAMP算法。這兩種算法既保證了SAMP算法不被稀疏度未知所局限的優(yōu)勢(shì),又優(yōu)化了SAMP算法的性能。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了算法在對(duì)星地混合信道進(jìn)行估計(jì)時(shí)在運(yùn)算速度和重構(gòu)精度上的優(yōu)勢(shì)。
[Abstract]:The satellite-ground hybrid OFDM communication system has the advantages of wide coverage, long communication distance, small geographical limitation, flexible networking and so on. During the transmission of wireless signal in the space-ground mixed channel, the transmission quality will be seriously affected by path loss, shadow fading, multipath effect and Doppler frequency shift. In order to ensure the channel equalization and coherent demodulation of the receiver, it is necessary to obtain the channel state information through the key channel estimation techniques to ensure the transmission quality of the signal. With the development of compression sensing theory, the sampling of sparse signals has achieved a great leap forward, which is far lower than the sampling rate of Nyquist. Considering the sparse characteristic of OFDM multipath channel in time domain, compression sensing is applied to the estimation of space-ground hybrid OFDM channel. Compared with the traditional channel estimation method, it can significantly reduce the pilot overhead and improve the spectrum efficiency. Good channel estimation performance is obtained. In this paper, we make full use of the sparsity of the channel in the space-ground hybrid OFDM system, that is, only a few paths have a large gain, and use the compression sensing technique to complete the channel estimation. It provides technical support for the realization of transparent air interface between satellite and earth subsystems. In this paper, the channel estimation method based on compressed sensing is studied, and the two aspects of pilot insertion and channel state information recovery algorithm are studied, that is, the "detection" and "reconstruction" processes are optimized, respectively. The former affects the channel estimation, while the latter affects the accuracy and reconstruction rate of CSI. The main contents of this paper are as follows: firstly, the sparse channel in time domain of OFDM system is modeled, and the theory of compressed sensing is associated with the channel estimation problem. Compared with the traditional channel estimation method, the randomly distributed pilot subcarrier is used to detect the space-ground mixed channel, and the orthogonal matching tracking algorithm is used in the reconstruction part. The feasibility of compressed perceptual channel estimation is verified by estimating two typical space-ground mixed channel models, which can support the selection of pilot number and the design of subsequent reconstruction algorithm in both theoretical and data forms. Secondly, the selection method of pilot subcarrier index is optimized to improve the performance of channel detection. First, the decision recovery matrix of pilot location selection is proposed, and then the sparse channel is estimated based on the minimization column correlation criterion and the improved criterion. The performance advantages of these two criteria are verified by simulation experiments on the space-ground mixed channel, and the high quality pilot patterns under different channel scenarios are obtained, which provide a strong support for efficient channel reconstruction. Thirdly, the channel estimation reconstruction algorithm based on compressed sensing is improved to improve the performance of channel reconstruction. In view of the defect that OMP and other reconstruction algorithms can not estimate the channel in scenes with unknown sparsity, the sparse adaptive matching tracking (SAMP) algorithm is studied. Through the analysis of the advantages and disadvantages of the algorithm, the iterative stopping conditions are analyzed. An improved AS-SAMP algorithm and an AS-RSAMP algorithm are proposed for step size selection and index update threshold. These two algorithms not only guarantee the advantages of SAMP algorithm not limited by unknown sparsity, but also optimize the performance of SAMP algorithm. The simulation results show that the algorithm has the advantages in computing speed and reconstruction accuracy when estimating the space-ground mixed channel.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN929.53

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本文編號(hào)：2033173