高动态场景中GFDM系统Doppler频移抑制方法

摘要

在下一代移动通信（5G）中，应用场景不再是单一的，诸如物联网（Internet of Things，IoT）、车联网（Internet of Vehicle，IoV）、虚拟现实（Virtual Reality，VR）等新的应用场景被逐渐的提出来，这就要求在5G中应用的空口波形技术能够同时满足不同应用场景的要求，如较短的通信时延，较大的通信带宽和系统容量等等。由于第四代移动通信（4G）中的波形技术——正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）只能满足单一通信场景的需求，且具有如带外泄露大，对频偏敏感，功率峰均比（Peak to Average Power Ratio，PAPR）较大等缺点使得其不再适合用于5G中，因此需要寻找一种新的波形技术来满足5G的通信需求。
　　本文以5G和高动态通信场景（High Dynamic Communication Scenarios，HDCS）作为主要的研究背景，以新型空口波形技术——广义频分复用技术(Generalized Frequency Division Multiplexing, GFDM)作为主要的研究对象，通过对GFDM系统在HDCS中的误比特性能进行改进提高以及降低系统的实现复杂度，来达到使得这一技术在第五代移动通信中具有更好的适应性和更广的适用场景的目的。
　　本文中对于GFDM通信系统的改进主要分为以下两个步骤进行：
　　首先，在原有的GFDM系统中，其接收端采用的是几种标准的接收方案，例如迫零（Zero Forcing, ZF）接收，匹配滤波（Matcheing Filter, MF）接收以及最小均方误差（Minimum Mean Square Error, MMSE）接收，在这几种接收方案中对信号采用矩阵的表达形式，具有直观，简洁的效果，但是当子载波数和符号数较大时（如在4G LTE中子载波数为2048，符号数为15），系统的运算量将非常大，不利于系统的实际实现。
　　在课题研究过程中通过对比GFDM信号表达式和Gabor展开式发现前者就是后者在临界采样时刻的表达式，因此可以用Gabor展开式的临界采样表达式来表示GFDM信号。同理，可以用Gabor变换在临界采样情况下的表达式来表示GFDM解调信号。在Gabor变换中，由于分析窗函数和综合窗函数满足双正交条件（即Wexler-Raz对偶条件），在给定发送端综合窗函数的情况下，通过双正交条件可以求得接收端分析窗函数。由于在求解的过程中利用了Zak变换，对双正交条件在Zak变换域进行求解，可以大大降低求解的难度和复杂度。把得到的分析窗函数代入Gabor变换表达式即可得到 GFDM解调信号，从而达到降低系统实现复杂度的目的。这也就是本文提出的基于Gabor变换和展开的GFDM实现方案。
　　其次，在GFDM系统中子载波间不再要求严格正交，对于频偏的敏感度较OFDM系统低，也就是说在存在Doppler频移（Doppler Frequency Shift, DFS）的信道中，GFDM系统相比于OFDM系统有更好的抗时间选择性衰弱性能。但是当信号发送端和接收端相对速度很大时，产生的DFS也会对GFDM系统的通信性能产生很大的影响。另一方面，在第五代移动通信中，在多样化的应用场景中高“移动性”就是一个重要的应用场景，因此对GFDM系统抗时间选择性衰弱性能的改进，有助于其实现具有更好的适应性和更广的适用场景的目的。
　　在本文中利用chirp基函数来代替GFDM信号中原有的正弦基函数，这样一来子载波的载频不再是某个固定的值，而是一个随着时间变化的值，具有一定的时变性和抗时变衰弱的能力。在实际的信号处理过程中可以借鉴分数傅里叶变换的概念，通过选择最优的变换阶次，使得系统在该变换阶次对应的变换域中具有最优的性能，从而达到提高系统抗信道时间选择性衰弱能力的目的。
　　通过仿真结果可以看出，基于Gabor变换和展开的GFDM实现方案可以有效的降低GFDM系统的实现复杂度，基于广义分数阶多路复用（Generalized Fractional Division Multiplexing, GFrDM）技术可以有效的改善系统的抗时间选择性衰落的性能。因此可以得出以下结论：本文对于GFDM系统的两步改进达到了降低系统实现复杂度和增强系统抗时间选择性衰落的能力。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究意义

1.2 研究现状

1.3 论文主要内容及章节安排

第2章 信号时频分析工具及信道建模

2.1 信号时频分析工具

2.2 宽带无线信道建模

2.3 本章小结

第3章 广义频分复用技术及其性能的研究

3.1 GFDM基本原理

3.2 GFDM技术的相关性能研究

3.3 本章小结

第4章 低复杂度实现方案

4.1 GFDM通信系统低复杂度实现方案

4.2 时变多径信道简化模型

4.3 本章小结

第5章 GFDM技术在时变多径信道中性能的改进

5.1 分数傅里叶变换

5.2 分数阶Gabor变换

5.3 广义分数阶多路复用技术

5.4 GFrDM系统性能分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢