本文關鍵詞：雙選擇信道下OFDM系統(tǒng)中信號檢測算法研究

  更多相關文章： 信號檢測 正交頻分復用 雙選擇信道 載波間干擾 多普勒頻移

【摘要】：多徑傳播引起信道的頻率選擇性衰落導致信號在接收端產(chǎn)生符號間干擾,極大限制了通信速率的提升。為了消除頻率選擇性衰落的影響,眾多技術標準采用了具有抗多徑能力強、頻譜利用率高等優(yōu)點的正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技術。隨著人們對通信質(zhì)量需求的不斷增長,不但要求OFDM系統(tǒng)在靜止或低速運動場景下具有優(yōu)越的通信性能,還要求在終端高速移動場景下表現(xiàn)出良好的特性。然而信道在具有頻率選擇性衰落的同時,終端高速移動造成的多普勒效應導致信道產(chǎn)生時間選擇性衰落。在這種雙選擇信道下,具有不同多普勒頻移的多條路徑疊加后形成多普勒擴展,破壞了OFDM系統(tǒng)中載波間的正交性,從而產(chǎn)生載波間干擾(Inter-Carrier Interference, ICI),給OFDM系統(tǒng)的信號檢測帶來挑戰(zhàn)。一方面,當多普勒頻移較大時,現(xiàn)有檢測算法性能不理想；另一方面當OFDM系統(tǒng)子載波個數(shù)較大時,現(xiàn)有的檢測算法在實際系統(tǒng)中難以實現(xiàn)且檢測效率低下。本文針對該問題,對雙選擇信道下OFDM系統(tǒng)中的信號檢測算法進行深入的分析和研究,主要研究內(nèi)容與貢獻包括以下幾個方面：1.雙選擇信道下OFDM系統(tǒng)中的ICI特性分析方面。首先基于循環(huán)前綴(CyclicPrefix, CP)的OFDM系統(tǒng)模型分析了多徑傳播和多普勒效應導致信道產(chǎn)生雙選擇性衰落的原因,給出了兩種最為經(jīng)典的雙選擇信道建模方法：抽頭時延模型和基擴展模型。然后重點分析并推導了雙選擇信道下OFDM系統(tǒng)中多普勒擴展產(chǎn)生ICI的過程。從信號干擾比(Signal to Interference Ratio, SIR)和信號干擾噪聲比(Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR)兩個角度研究了ICI對OFDM系統(tǒng)帶來的影響。最后介紹了后續(xù)章節(jié)采用的雙選擇信道仿真模型,為后續(xù)研究有效抑制ICI的檢測算法奠定基礎。2.雙選擇信道下OFDM系統(tǒng)中信號檢測算法的性能提升方面。分別提出了基于白化殘留ICI和噪聲的最小均方誤差連續(xù)干擾消除(Minimum Mean Square Error Successive Interference Cancellation, MMSE-SIC)算法和基于過采樣OFDM系統(tǒng)的最優(yōu)線性連續(xù)檢測算法。兩種算法具體為：(1)傳統(tǒng)檢測算法為了降低計算復雜度,對頻域信道矩陣進行帶狀近似并將殘留ICI作為白噪聲處理,從而導致系統(tǒng)誤碼性能下降。針對該問題提出了一種基于白化殘留ICI和噪聲的MMSE-SIC算法。首先通過分析頻域信道矩陣帶狀近似引起性能損失的原因,研究了帶狀近似后殘留ICI的相關性,并推導出了殘留ICI相關矩陣。利用該相關矩陣構(gòu)造白化矩陣,對殘留ICI和噪聲同時進行白化。然后基于白化后的信號模型,利用MMSE準則并結(jié)合連續(xù)干擾消除算法檢測每個子載波上的信號。仿真結(jié)果表明,在雙選擇信道下OFDM系統(tǒng)中,和傳統(tǒng)帶狀近似算法相比,所提出的MMSE-SIC檢測算法能夠顯著改善系統(tǒng)的誤比特率性能。(2)基于過采樣OFDM系統(tǒng)的線性合并方法雖然能夠以較低的復雜度獲得雙選擇信道帶來的多徑分集和多普勒分集增益,但對系統(tǒng)性能造成了較大的損失。針對該問題,提出一種基于過采樣OFDM系統(tǒng)的最優(yōu)線性連續(xù)檢測算法。該檢測算法基于接收信號的過采樣輸出以最大化SINR為準則,建立了求解最優(yōu)線性檢測矩陣的優(yōu)化模型,并將該優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為標準特征值問題進行求解,利用所獲得的最優(yōu)線性檢測矩陣結(jié)合連續(xù)檢測算法對每個子載波上的信號進行檢測。仿真結(jié)果表明,相比于傳統(tǒng)的線性合并次優(yōu)接收方案,所提方法能夠獲得更優(yōu)的系統(tǒng)誤碼性能,并且隨歸一化多普勒頻移和過采樣因子的增大,性能增益得到了進一步提升。3.雙選擇信道下OFDM系統(tǒng)中信號檢測算法的低復雜度實現(xiàn)方面。傳統(tǒng)的低復雜度實現(xiàn)方法均以系統(tǒng)的性能損失為代價,針對該缺點提出一種基于迭代求逆的信號檢測算法�；诮�(jīng)典的MMSE連續(xù)檢測算法,首先從矩陣處理的角度出發(fā),對信道矩陣和檢測矩陣進行擴展,然后建立了擴展矩陣與原矩陣之間的轉(zhuǎn)換關系,在每次檢測中采用擴展矩陣的迭代求逆代替原矩陣的直接求逆。其中,首次擴展矩陣的求逆可通過Greville遞歸求逆算法實現(xiàn),后續(xù)擴展矩陣的求逆可從上一次的計算結(jié)果中迭代獲取,不需要重復進行矩陣求逆操作。仿真結(jié)果表明,提出方法在保持原算法性能的基礎上,大大降低了計算復雜度。從而實現(xiàn)了檢測算法中復雜度與誤碼性能之間的有效平衡。4.現(xiàn)有關于4項加權分數(shù)階傅里葉變換(4 Weighte-type Fractional Fourier Transform,4-WFRFT)的研究,均未考慮載波體制與信道狀態(tài)信息(Channel State Information, CSI)之間的匹配關系。針對該問題,提出一種雙選擇信道下基于4-WFRFT的混合載波體制的最優(yōu)階選取算法。首先基于所建立的4-WFRFT信號模型,推導出了該模型下接收信號的載波干擾比(Carrier to Interference Ratio, CIR),然后以最大CIR為準則,對最優(yōu)階4-WFRFT變換因子進行求解。根據(jù)所獲得的最優(yōu)階變換因子對發(fā)送信號進行4-WFRFT調(diào)制,在接收端通過相應階次的逆4-WFRFT,能夠準確解調(diào)出發(fā)送數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果表明,相比于傳統(tǒng)的單載波和OFDM體制,所提混合載波體制通過選取最優(yōu)階變換因子實現(xiàn)了載波體制與信道之間的最佳匹配,能夠有效抵抗信道的雙選擇性衰落。
【關鍵詞】：信號檢測 正交頻分復用 雙選擇信道 載波間干擾 多普勒頻移
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN929.53
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 符號對照表13-14
• 縮略語對照表14-20
• 第一章 緒論20-42
• 1.1 研究背景與意義20-22
• 1.2 雙選擇信道下OFDM系統(tǒng)檢測算法面臨的問題22-25
• 1.2.1 單一頻偏估計并補償?shù)乃惴ㄊ?/span>23-24
• 1.2.2 子載波個數(shù)過大時算法的性能和復雜度難以平衡24
• 1.2.3 檢測算法對信道估計要求的高精度難以實現(xiàn)24-25
• 1.3 雙選擇信道下OFDM系統(tǒng)檢測算法的研究現(xiàn)狀25-38
• 1.3.1 雙選擇信道下的ICI抑制類方法25-30
• 1.3.2 雙選擇信道下的均衡算法30-37
• 1.3.3 新型調(diào)制解調(diào)方法37-38
• 1.3.4 空域處理方法38
• 1.4 論文組織結(jié)構(gòu)38-42
• 第二章 雙選擇信道模型及OFDM系統(tǒng)中的ICI分析42-58
• 2.1 引言42-43
• 2.2 基于CP的OFDM系統(tǒng)模型43-46
• 2.3 雙選擇信道特性及其對OFDM的影響46-52
• 2.3.1 多普勒效應46-47
• 2.3.2 雙選擇信道建模47-50
• 2.3.3 ICI的成因50-52
• 2.4 雙選信道下OFDM系統(tǒng)中的ICI分析52-56
• 2.4.1 ICI能量分布52-54
• 2.4.2 SIR和SINR分析54-56
• 2.5 雙選擇信道仿真模型56-57
• 2.6 本章小結(jié)57-58
• 第三章 基于白化殘留ICI和噪聲的MMSE-SIC算法58-70
• 3.1 引言58-59
• 3.2 系統(tǒng)模型及殘留ICI相關性分析59-63
• 3.3 基于白化殘留ICI和噪聲的MMSE-SIC檢測算法63-65
• 3.3.1 MMSE-SIC檢測算法63-65
• 3.3.2 復雜度分析65
• 3.4 仿真結(jié)果及分析65-69
• 3.5 本章小結(jié)69-70
• 第四章 雙選擇信道下基于過采樣OFDM系統(tǒng)的最優(yōu)線性連續(xù)檢測算法70-84
• 4.1 引言70-71
• 4.2 過采樣OFDM系統(tǒng)71-73
• 4.3 最優(yōu)線性連續(xù)檢測73-78
• 4.3.1 最優(yōu)化建模73-75
• 4.3.2 求解最優(yōu)化問題75-76
• 4.3.3 低復雜度實現(xiàn)方法76-77
• 4.3.4 復雜度分析77-78
• 4.4 仿真結(jié)果及分析78-81
• 4.5 本章小結(jié)81-84
• 第五章 雙選擇信道下OFDM系統(tǒng)中檢測算法的低復雜度實現(xiàn)84-96
• 5.1 引言84-85
• 5.2 系統(tǒng)模型及MMSE-SD算法85-88
• 5.3 低復雜度MMSE-SD算法88-92
• 5.3.1 首次檢測迭代求G_i(i=1)88-89
• 5.3.2 后續(xù)N-1次檢測迭代求G_i(2≤i≤N)89-91
• 5.3.3 復雜度分析91-92
• 5.4 仿真結(jié)果及分析92-95
• 5.5 本章小節(jié)95-96
• 第六章 加權分數(shù)傅里葉變換在雙選擇信道中的最優(yōu)階選取96-108
• 6.1 引言96-97
• 6.2 加權分數(shù)階傅里葉變換及系統(tǒng)模型97-100
• 6.3 WFRFT在雙選擇信道中的最優(yōu)階選取100-103
• 6.4 仿真結(jié)果及分析103-106
• 6.5 本章小結(jié)106-108
• 第七章 結(jié)論與展望108-112
• 7.1 主要工作與貢獻108-109
• 7.2 有待于進一步研究的問題109-112
• 參考文獻112-124
• 致謝124-126
• 作者簡介126-127

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