毫米波SC-FDE MIMO无线局域网相位跟踪同步技术研究

摘要

随着移动互联时代的来临，高速率无线通信的需求愈加迫切，拥挤不堪的低频谱资源已很难支撑高速率通信的要求，频谱资源相对丰富的毫米波无线频段因此倍受关注。2012年，电气与电子工程师协会(IEEE)802.11标准化组织根据中国提交的毫米波段成立IEEE802.11aj工作组，旨在45GHz实现Gbps速率传输。毫米波频段频率高，因此载波频偏相对较大，也更易受到射频端非线性影响，又因器件工艺限制，毫米波频段也更易受相位噪声影响。相对正交频分复用(OFDM)技术，频域均衡单载波调制(SC-FDE)技术对载波频偏的敏感度较低，峰均比(PAPR)较低，且系统复杂度与OFDM相当，但却降低了对射频端硬件功放的压力，因此是适合毫米波无线通信的传输技术。本文主要讨论SC-FDE技术与多天线技术(MIMO)相结合的毫米波无线局域网通信架构下的载波频偏纠正与相位噪声补偿同步技术，研究内容包括载波频偏和相位噪声的统计模型，SC-FDE与MIMO的结合方案与数据帧格式设计，以及载波频偏和相位噪声的纠正算法等。
　　首先，本文对载波频偏与相位噪声进行统计建模，对常见不同通信系统与应用场景下的相位噪声统计模型进行分析，并具体研究毫米波无线局域网IEEE802.11aj(45GHz)的相位噪声统计模型，对该相位噪声统计模型进行时域和频域的数值仿真，并分析该模型下的相位噪声对高阶调制星座点的影响。载波频偏与相位噪声统计模型为后面章节进一步研究补偿算法提供理论依据。
　　随后，本文提出一种SC-FDE MIMO系统时域训练序列插入方案，该方案可与SC-FDEMIMO发射机中常用的循环移位操作(CSD)和空间扩展操作兼容并存，同时该方案中还提出一种包含时域训练序列的数据帧格式设计，即在每个数据块中均匀插入若干个已知时域训练序列块。时域训练序列的功能与OFDM系统中的导频类似，可在接收端提供已知训练信息并进行相位跟踪。本文提出一种利用该时域训练序列进行载波频偏纠正的线性跟踪与补偿算法。仿真结果表明该算法可有效对载波频偏进行估计与补偿。
　　相对于载波频偏的估计与补偿而言，相位噪声的估计与补偿通常更为复杂。除了载波频偏的线性跟踪与补偿算法，本文还提出一种对相位噪声进行估计与补偿的判决反馈LMS迭代算法。该算法针对IEEE802.11aj(45GHz)相位噪声统计模型，利用相位噪声相邻采样点之间具有较强相关性的特点，通过LMS估计器进行相位噪声估计，逐次迭代进行相位修正。
　　最后，本文研究了将独特字(Unique Word，UW)格式与SC-FDE MIMO系统结合的可行方案。UW是SC-FDE系统中的一种经典时域训练序列插入方式，既可以充当数据块的循环前缀，又可为接收端提供已知训练信息，在不增加开销和额外复杂度的情况下提高系统性能，因此在SC-FDE系统中被广泛利用。但UW难以与MIMO系统直接结合，MIMO系统中常用的CSD和空间扩展等操作都会影响UW的结构，因此本文提出将UW和SC-FDE MIMO系统相结合的方案，将多个时隙的数据符号块或其共轭排成正交或准正交阵实现空间扩展，以取代传统CSD和空间扩展操作，并在此之后插入UW，接收端可通过UW的已知性消除其对正交的影响。对该方案的仿真结果表明，其在完成UW和SC-FDE MIMO结合的同时，还保留了MIMO的优势，实现MIMO的空间分集增益。

目录

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摘要

图目录

表目录

缩略语与数学符号

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 无线局域网(WLAN)的发展

1．1．2 毫米波无线通信研究现状

1．2 无线局域网标准IEEE802．11协议族

1．2．1 低频段标准协议

1．2．2 毫米波频段标准协议

1．3 IEEE802．11aj(45GHz)标准关键技术

1．3．1 MIMO技术

1．3．2 OFDM技术

1．3．3 SC-FDE技术

1．4 相位跟踪

1．4．1 载波频偏和相位噪声

1．4．2 频域导频、时域训练序列和相位跟踪算法

1．5 论文内容及安排

第2章 IEEE802．11aj(45GHz)载波频偏与相位噪声统计模型

2．1 载波频偏模型

2．2 相位噪声常见统计模型

2．2．1 相位噪声的单边带功率谱密度

2．2．2 相位噪声统计模型

2．3 IEEE802．11aj(45GHz)相位噪声统计模型

2．4 本章小结

第3章 SC-FDE MIMO系统数据帧格式设计与载波频偏抑制

3．1 SC-FDE MIMO毫米波系统模型

3．1．1 SC-FDE MIMO收发系统

3．1．2 SC-FDE MIMO系统发射机

3．2 基于SC-FDE MIMO毫米波系统的数据帧格式设计

3．2．1 频域导频

3．2．2 时域训练序列UW

3．2．3 SC-FDE MIMO系统的时域训练序列

3．3 线性跟踪载波频偏抑制算法

3．4 仿真结果

3．5 总结

第4章 SC-FDE MIMO毫米波系统的相位噪声估计与补偿算法

4．1 相位噪声对SC-FDE系统的影响

4．1．1 引入相位噪声的收发信号模型

4．1．2 相位噪声的影响

4．2 判决反馈LMS迭代算法

4．3 判决反馈LMS迭代算法的性能仿真

4．4 总结

第5章 基于UW的SC-FDE MIMO系统的空间分集收发方法

5．1 基于UW的SC-FDE MIMO系统的发射信号模型

5．1．1 基于UW的SC-FDE MIMO系统的发射机结构

5．1．2 空间流数为1的发射信号模型

5．1．3 空间流数为2的发射信号模型

5．1．4 空间流数为3的发射信号模型

5．2 基于UW的SC-FDE MIMO系统的接收方法

5．2．1 对应1个空间流发射机的系统接收方法

5．2．2 对应2个空间流发射机的系统接收方法

5．2．3 对应3个空间流发射机的系统接收方法

5．3 仿真结果

5．4 本章 总结

第6章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 未来展望

参考文献

致谢

硕士期间研究成果