正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)具有高數(shù)據(jù)傳輸率、抗多徑衰落、高頻譜效率、頻譜資源分配靈活、與多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技術(shù)結(jié)合簡單等優(yōu)勢。因此,OFDM已被應(yīng)用于4G移動通信中,并將成為未來5G移動通信中物理層的核心技術(shù)之一。但是,OFDM信號具有幅值波動劇烈、頻譜泄漏嚴(yán)重等缺陷,這會降低通信系統(tǒng)的能量效率和頻譜效率。為了提升OFDM通信系統(tǒng)的能量效率以及頻譜效率,需要設(shè)計具有低幅值波動、低頻譜泄漏的OFDM信號。本論文主要研究能譜高效的OFDM信號設(shè)計,實現(xiàn)高能量效率、高頻譜效率的通信,具體內(nèi)容如下:首先,本論文提出了輔助符號(Signal Cancellation,SC)方法,實現(xiàn)了OFDM通信系統(tǒng)能量效率與頻譜效率的同步提升。輔助符號方法在各個子載波上添加適當(dāng)?shù)妮o助符號,并利用這些輔助符號生成抵消信號,用來降低OFDM信號的幅值波動和頻譜泄漏,從而能夠提升系統(tǒng)的能量效率和頻譜效率。輔助符號方法將降低OFDM信號的幅值波動和頻譜泄漏的過程建立成凸優(yōu)化問題,并使用內(nèi)點法求解該優(yōu)化問題,獲得具有低幅值波動和低頻譜泄漏的OFDM信號。由于輔助符號方法的計算復(fù)雜度較高,本論文還提出了低復(fù)雜度輔助符號(Low-Complexity Signal Cancellation,SC-LC)方法。該方法將添加在子載波上的輔助符號分為兩類,一類只負(fù)責(zé)降低OFDM信號的幅值波動,另一類只負(fù)責(zé)降低OFDM信號的頻譜泄漏,并通過循環(huán)迭代實現(xiàn)幅值波動和頻譜泄漏的降低。仿真結(jié)果驗證了提出的輔助符號方法和低復(fù)雜度輔助符號方法的有效性。其次,本論文提出了星座修正(Active Constellation Modification,ACM)方法,將OFDM通信系統(tǒng)的幅值波動和頻譜泄漏控制在較低值。星座修正方法的核心思想是:對OFDM符號的星座點進(jìn)行修正,使得新生成的OFDM信號的幅值波動和頻譜泄漏滿足系統(tǒng)要求,從而能夠提升系統(tǒng)的能量效率和頻譜效率。星座修正方法改變了OFDM符號的星座點,因此會引入一定的信號失真。為了保證通信質(zhì)量,星座修正方法還必須將信號失真控制在一定范圍內(nèi)。因此,星座修正方法以最小化信號失真為目標(biāo)函數(shù)、以O(shè)FDM信號的幅值波動和頻譜泄漏為限制條件建立了數(shù)學(xué)優(yōu)化模型。然后,星座修正方法使用凹凸過程算法求解提出的優(yōu)化模型,并得到了具有低幅值波動和低頻譜泄漏的OFDM信號。仿真結(jié)果顯示,星座修正方法能夠?qū)崿F(xiàn)高能量效率、高頻譜效率的通信。最后,針對多天線通信場景,研究了能譜高效的OFDM信號設(shè)計。眾所周知,MIMO能夠提升通信系統(tǒng)的頻譜效率,因此MIMO-OFDM通信系統(tǒng)具有較高的頻譜效率。但是,MIMO-OFDM信號仍然具有較高的幅值波動,會降低系統(tǒng)的能量效率。部分傳輸序列(Partial Transmit Sequence,PTS)方法能夠降低MIMO-OFDM通信系統(tǒng)的幅值波動,進(jìn)而提升系統(tǒng)的能量效率。但是,PTS方法需要占用額外的頻譜來發(fā)送邊帶信息,這會降低MIMO-OFDM通信系統(tǒng)的頻譜效率。為了在提升MIMO-OFDM通信系統(tǒng)能量效率的同時維持系統(tǒng)的高頻譜效率,本論文提出了相位偏移(Phase Off-Set,POS)方法。相位偏移方法將邊帶信息包含在相位偏移信息中,避免了發(fā)送邊帶信息,從而能夠保證MIMO-OFDM通信系統(tǒng)的高頻譜效率。相位偏移方法在接收端采用最大似然檢測方法對相位偏移進(jìn)行盲估計,即可正確獲得邊帶信息。此外,為了降低相位偏移方法接收端的計算復(fù)雜度,本論文還提出了兩種低復(fù)雜度的最大似然檢測方法。仿真結(jié)果顯示,相位偏移方法不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高能量效率和高頻譜效率,還能在不發(fā)送邊帶信息的條件下獲得良好的誤比特率性能。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN929.53
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 研究背景及意義
    1.2 研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)
        1.2.1 高能效的OFDM信號設(shè)計
        1.2.2 高譜效的OFDM信號設(shè)計
        1.2.3 能譜高效的OFDM信號設(shè)計
    1.3 研究內(nèi)容和章節(jié)安排
2 OFDM信號的特性
    2.1 OFDM概述
        2.1.1 OFDM調(diào)制
        2.1.2 循環(huán)前綴
    2.2 功率放大器
    2.3 OFDM信號的時域特性
        2.3.1 OFDM信號的統(tǒng)計分布
        2.3.2 功率放大器對OFDM信號的影響
        2.3.3 OFDM信號幅值波動的度量
        2.3.4 OFDM信號對能量效率的影響
    2.4 OFDM信號的頻譜特性
        2.4.1 OFDM信號的功率譜密度
        2.4.2 OFDM信號對頻譜效率的影響
    2.5 信號設(shè)計對能效與譜效的影響
    2.6 本章小結(jié)
3 基于輔助符號的OFDM信號設(shè)計
    3.1 引言
    3.2 系統(tǒng)模型
        3.2.1 OFDM信號的峰均功率比
        3.2.2 OFDM信號的頻譜泄漏
    3.3 輔助符號方法
    3.4 低復(fù)雜度輔助符號方法
        3.4.1 降低峰均功率比
        3.4.2 降低頻譜泄漏
        3.4.3 計算復(fù)雜度分析
    3.5 仿真結(jié)果與分析
        3.5.1 輔助符號方法的仿真結(jié)果
        3.5.2 低復(fù)雜度輔助符號方法的仿真結(jié)果
    3.6 本章小結(jié)
4 基于星座修正的OFDM信號設(shè)計
    4.1 引言
    4.2 系統(tǒng)模型
        4.2.1 OFDM信號的立方度量
        4.2.2 OFDM信號的頻譜泄漏
        4.2.3 誤差矢量幅度
    4.3 星座修正方法
    4.4 星座修正方法的優(yōu)化求解
        4.4.1 凹凸過程算法
        4.4.2 星座修正方法的求解過程
    4.5 仿真結(jié)果與分析
        4.5.1 立方度量性能
        4.5.2 能量效率
        4.5.3 頻譜泄漏性能
        4.5.4 頻譜效率
        4.5.5 誤比特率性能
    4.6 本章小結(jié)
5 基于相位偏移的OFDM信號設(shè)計
    5.1 引言
    5.2 系統(tǒng)模型
        5.2.1 MIMO-OFDM通信系統(tǒng)
        5.2.2 部分傳輸序列方法
    5.3 相位偏移方法
        5.3.1 相位偏移方法的發(fā)送端
        5.3.2 相位偏移方法的接收端
        5.3.3 相位偏移方法的主要步驟
    5.4 仿真結(jié)果與分析
        5.4.1 峰均功率比性能
        5.4.2 能量效率
        5.4.3 誤比特率性能
    5.5 本章小結(jié)
6 總結(jié)與展望
    6.1 本文工作總結(jié)
    6.2 下一步工作展望
致謝
參考文獻(xiàn)
附錄1 攻讀博士學(xué)位期間的主要成果

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本文編號：2837509