發(fā)布時間：2017-06-12 07:07

  本文關鍵詞：星地混合OFDM通信系統(tǒng)壓縮感知信道估計方法，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：星地混合OFDM通信系統(tǒng)結合了衛(wèi)星通信“覆蓋范圍大”和地面移動通信“通信質(zhì)量高”的優(yōu)點,用戶終端可根據(jù)其所處的環(huán)境接入衛(wèi)星或地面網(wǎng)絡,可以實現(xiàn)高速移動通信網(wǎng)絡的全天候暢通與全地域覆蓋,滿足各類用戶對泛在高速移動通信網(wǎng)絡的客觀需求。用戶終端與衛(wèi)星或地面基站進行通信時,無線電波會受到多徑效應的影響而發(fā)生頻率選擇性衰落,從而嚴重影響信號傳輸質(zhì)量。為此,我們需要通過信道估計獲得精確的信道狀態(tài)信息,用于接收機的信道均衡與相干解調(diào),以保證信號的傳輸質(zhì)量。目前OFDM系統(tǒng)的信道估計通常是在頻域上進行的,需要在其子載波上周期性的插入大量導頻才能有效探測信道衰落,導頻開銷較大,系統(tǒng)資源利用率較低。然而,大量實驗已經(jīng)表明實際的無線信道在時域上具有一定的稀疏特性,衛(wèi)星信道的稀疏性強于地面信道,且寬帶系統(tǒng)的稀疏特性更加明顯。隨著無線通信系統(tǒng)向著寬帶化發(fā)展,對稀疏信道估計的研究已經(jīng)成為新的焦點。近年來提出的壓縮感知理論可以根據(jù)少量測量值高效率的重構原始稀疏信號,這為稀疏信道估計提供了強大的理論支撐。本文主要研究基于壓縮感知的信道估計方法,提出能夠高效探測信道的導頻圖樣的優(yōu)化設計方法,設計能夠快速重構信道狀態(tài)信息的恢復算法,并統(tǒng)籌考慮探測效率與恢復速度,提出適用于星地混合OFDM通信系統(tǒng)的高效快速的信道估計方案。該方案能夠充分利用無線信道固有的稀疏特性,用少量的導頻即可完成信道估計,并且可以根據(jù)用戶終端所處的實際信道環(huán)境對導頻數(shù)量進行自適應調(diào)整,保證系統(tǒng)頻譜利用率的動態(tài)最大化,能夠為實現(xiàn)星地子系統(tǒng)間透明的空中接口提供技術支撐,具有一定的理論意義和工程應用價值。本文的具體研究內(nèi)容及其目標如下：第一,壓縮感知信道估計的數(shù)學建模。將信道估計問題與壓縮感知理論相聯(lián)系,建立了基于壓縮感知的信道估計的數(shù)學模型。充分考慮實際無線信道的復雜性,選用隨機分布的導頻子載波探測信道、SLO(Smoothed l0-norm,平滑l0范數(shù))算法重構信道狀態(tài)信息,通過仿真實驗對這種最基本的壓縮感知信道估計方法的可行性進行了驗證,并對其導頻開銷與估計性能進行了評估,為后續(xù)的深入研究提供了理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。第二,導頻圖樣的優(yōu)化設計方法。針對隨機分布的導頻僅能保證基本的信道探測效果、且難以在實際系統(tǒng)中應用的問題,提出了一種基于分布估計算法的導頻圖樣優(yōu)化設計方法。該方法以最小化感知矩陣的列相干為準則,將導頻圖樣優(yōu)化建模為一個組合優(yōu)化問題,利用分布估計算法對導頻的位置分布進行優(yōu)化。仿真結果證明了該方法所設計出的導頻圖樣在信道估計時表現(xiàn)的性能更好。此外,根據(jù)導頻數(shù)量的不同,利用該方法能夠設計出多種信道探測效果優(yōu)異的導頻圖樣,為不同信道場景下導頻的自適應選擇與調(diào)整提供備選的優(yōu)質(zhì)導頻圖樣,從而為星地混合通信系統(tǒng)的高效信道探測提供有力支撐。第三,SLO算法的收斂特性分析。在詳細介紹SLO算法原理的基礎上,對其能夠勝任稀疏信道恢復算法(即可快速重構近似稀疏的復信道沖激響應)的本質(zhì)原因進行了理論分析。針對SLO算法中存在低效率迭代步驟的問題,利用漸進非凸原理對其迭代過程和收斂特性進行了深入的理論分析,得出了迭代步長長度可以實時反映當前所恢復出的信號質(zhì)量、步長長度變化率可以實時反映當前算法迭代效率的重要結論,并通過數(shù)值實驗對該結論進行了驗證。該重要結論為后續(xù)兩種改進SLO算法的提出,以實現(xiàn)高效的信道探測、快速的信道狀態(tài)信息恢復提供了有力的理論保障。第四,星地混合系統(tǒng)的高效快速信道估計方案。根據(jù)上述SLO算法收斂特性,提出了兩種改進算法,并進行了數(shù)值實驗驗證。其中,R-SLO(Recognition SLO,識別SLO)算法可以主動判定當前導頻能否滿足信道探測要求,為導頻數(shù)量的確定提供參考依據(jù)；而T-SLO (Thresholded SLO,閾值SLO)算法可以加速恢復信道狀態(tài)信息,為減少由信道估計引入的處理時延提供幫助。在此基礎上,統(tǒng)籌考慮探測效率與恢復速度,提出了基于這兩種改進SLO算法的適用于星地混合通信系統(tǒng)的高效、快速的信道估計方法：利用R-SLO算法確定探測當前信道所需的導頻數(shù)量,從利用分布估計算法預先設計好的備選優(yōu)質(zhì)導頻圖樣中選定對應的導頻,對信道進行高效的探測；根據(jù)當前信道環(huán)境確定最合適的閾值控制T-SLO算法的迭代步驟,對信道狀態(tài)信息進行快速的恢復。仿真結果表明,該方法以幀為單位不斷的學習當前信道環(huán)境,能夠自適應的用最合適的導頻探測信道、用高效的迭代步驟重構信道狀態(tài)信息,為系統(tǒng)節(jié)省了寶貴的頻率和時間資源,有效的提升了系統(tǒng)的效率,從而實現(xiàn)了高效而又快速的信道估計,同時也可以為星地子系統(tǒng)間透明的空中接口提供技術支撐。
【關鍵詞】：星地混合通信系統(tǒng) 壓縮感知 信道估計 分布估計算法 SL0算法
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN929.53
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第1章 緒論15-28
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義15-18
• 1.1.1 課題來源及背景15
• 1.1.2 課題研究的目的和意義15-18
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-24
• 1.2.1 信道估計技術的發(fā)展18-20
• 1.2.2 基于壓縮感知的稀疏信道估計20-23
• 1.2.3 有待深入研究的問題23-24
• 1.3 本文的主要研究內(nèi)容24-28
• 第2章 基于壓縮感知的信道估計方法28-58
• 2.1 引言28
• 2.2 壓縮感知理論28-38
• 2.2.1 信號的稀疏表示30-31
• 2.2.2 測量矩陣的設計31-35
• 2.2.3 信號的恢復算法35-38
• 2.3 壓縮感知信道估計38-50
• 2.3.1 信道的稀疏性38-43
• 2.3.2 OFDM信號傳輸模型43-45
• 2.3.3 傳統(tǒng)信道估計方法45-47
• 2.3.4 壓縮感知信道估計方法47-50
• 2.4 仿真實驗50-57
• 2.4.1 仿真條件與參數(shù)50-51
• 2.4.2 可行性驗證51-53
• 2.4.3 導頻開銷53-55
• 2.4.4 信道估計性能55-57
• 2.5 本章小結57-58
• 第3章 基于分布估計算法的導頻圖樣優(yōu)化方法58-74
• 3.1 引言58
• 3.2 導頻圖樣優(yōu)化問題建模58-64
• 3.2.1 導頻圖樣與感知矩陣59-60
• 3.2.2 感知矩陣的列相干60-62
• 3.2.3 導頻圖樣的優(yōu)化62-64
• 3.3 分布估計算法64-66
• 3.4 基于分布估計算法的導頻圖樣優(yōu)化66-70
• 3.5 仿真實驗70-73
• 3.5.1 導頻圖樣優(yōu)化過程70-72
• 3.5.2 信道估計性能72-73
• 3.6 本章小結73-74
• 第4章 SL0稀疏恢復算法收斂特性分析74-96
• 4.1 引言74
• 4.2 SL0算法的基本原理74-81
• 4.2.1 漸進非凸方法75-78
• 4.2.2 SL0算法78-81
• 4.3 SL0算法的主要優(yōu)點81-87
• 4.3.1 復數(shù)域擴展性82-84
• 4.3.2 計算復雜度84-85
• 4.3.3 稀疏度適應性85-87
• 4.4 SL0算法的收斂特性分析87-91
• 4.5 數(shù)值實驗91-95
• 4.5.1 SL0算法優(yōu)點的驗證92-94
• 4.5.2 SL0算法收斂特性的驗證94-95
• 4.6 本章小結95-96
• 第5章 基于改進SL0算法的高效快速信道估計96-123
• 5.1 引言96-97
• 5.2 R-SL0算法的基本原理97-101
• 5.2.1 SL0算法的有噪收斂特征97-99
• 5.2.2 R-SL0算法99-101
• 5.2.3 數(shù)值實驗101
• 5.3 T-SL0算法的基本原理101-109
• 5.3.1 SL0算法的低效率迭代102-104
• 5.3.2 T-SL0算法104-107
• 5.3.3 數(shù)值實驗107-109
• 5.4 高效快速的信道估計109-118
• 5.4.1 幀結構110
• 5.4.2 導頻符號的確定110-113
• 5.4.3 導頻符號的自適應調(diào)整113-115
• 5.4.4 信道沖激響應的快速重構115-116
• 5.4.5 高效快速信道估計方案116-118
• 5.5 仿真實驗118-122
• 5.6 本章小結122-123
• 結論123-126
• 參考文獻126-138
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及其它成果138-140
• 致謝140-142
• 個人簡歷142

  本文關鍵詞：星地混合OFDM通信系統(tǒng)壓縮感知信道估計方法，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：443516