OFDMA上行多用户系统中频偏及时延的估计和补偿技术研究

摘要

OFDMA近年来吸引了大量的关注，目前它已经被IEEE MAN802.16d/e标准采纳为三种物理层模式中的一种。尽管OFDMA有许多的优点，设计一个OFDMA系统还面临着一些技术上的难题，其中一个重要的问题是严格的频率和时间同步要求。与OFDM类似，OFDMA对频率和时间同步误差非常敏感，尤其是在OFDMA上行系统中，多个用户的存在使得同步问题变得更加复杂。
　　 本论文主要针对OFDMA系统上行同步问题中的多用户时延估计、多用户载波频偏估计以及多用户载波频偏补偿三方面进行了研究。在OFDMA上行系统中，由于多个用户共存，且不同用户具有不同的时延和载波频偏参数，使得时延和载波频偏的估计由于多参数的问题变得复杂，另外由于多个用户信号的叠加，对单个用户进行载波频偏补偿会对其它用户的信号形成更大的干扰，因此如何对OFDMA上行系统进行多用户时延估计、载波频偏估计以及载波频偏补偿就成为重要的研究课题。
　　 在目前的IEEE MAN802.16d/e标准中，OFDMA模式的上行多用户时延估计是在初始测距过程中完成的。针对现有初始测距同步算法存在的不考虑载波频偏的影响、估计性能对多径信道敏感、以及需要多个符号等问题，本文提出了一种用于OFDMA上行的最大似然测距同步方法。该方法设计了在时域具有重复结构的测距码，通过最大似然方法在时域检测存在的测距用户，并估计多个用户的时延，同时还可以估计整数倍采样间隔的载波频偏。与已有的频域相关算法相比，提出的算法只需要一个OFDMA符号间隔，利用更少的信道资源提高了时延的估计性能，同时降低了下行频率同步的苛刻要求，且没有长CP的限制，更适合于大范围小区情况。
　　 对于OFDMA上行的载波频偏估计，当前标准中是将下行同步估计到的参数值作为上行传输的参考，但是由于多普勒频移、下行估计误差以及收发频率不稳定性，上行系统中载波频偏的影响不可忽略。本文提出了一种在上行接收端进行多用户小数倍载波频偏估计的迭代MUSIC算法，该算法基于MUSIC阵列处理算法，结构简单，不需要训练序列，是一种盲估计算法。该算法克服了MUSIC算法存在的峰值模糊性、频偏不匹配和复杂度高等弱点，在载波频偏较大的情况下提高了估计准确度，且利用迭代算法降低了计算复杂度。论文中又将迭代MUSIC算法与多址干扰消除结合，得到一种非盲的载波频偏估计算法，该算法在用户数较多时提高了载波频偏估计的准确率。
　　 一旦载波频偏被估计出来，就可以利用这些估计到的参数去消除载波频偏带来的恶劣影响。OFDMA上行系统中载波频偏补偿由于多参数的问题而变得复杂，已有的做法是将估计到的参数传回用户发射端来重新调整。此种方法浪费了宝贵的信道资源，增加了时间延迟，不适合在时变信道中传输，因此本文提出了一种无需参数回传，在基站端可以直接进行多用户载波频偏补偿的算法。该算法采用了并行干扰消除的思想，首先用MMSE算法从和信号中估计用户的信号，之后利用已知的载波频偏值来进行干扰矩阵的重建，并从和信号中减去其影响，消除载波频偏引起的载波间干扰和多址干扰，最后补偿载波频偏带来的恶劣影响。另外将干扰矩阵用带状矩阵代替，简化了算法的复杂度，并达到了复杂度和补偿性能的折中。