OFDM无线宽带移动通信系统中信道估计与均衡技术研究

摘要

在诸多的宽带无线通信技术中,Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)无疑是最具有应用前景的技术之一.在信道的衰落特性中,对宽带无线移动业务影响最大的是多径衰落和多普勒频移.而OFDM不但可以通过插入循环前缀(CP)的方法,有效地抑止多径带来的符号间干扰,还可以通过对信道时变特性的合理估计,灵活地设计系统的符号长度,减轻信道时变特性对系统性能的影响.由于OFDM的这些技术特点,避免了在接收机中采用复杂的时域均衡器和白适应跟踪算法.并且,通过使用快速傅立叶变换(FFT),可以保证在相对简单的系统硬件结构下,提供可靠、稳定的通信质量.正是因为这些优势,OFDM技术已经被各种无线通信标准所广泛采用.虽然系统结构可以消除符号间干扰,OFDM系统仍然需要精确的信道信息来进行信道均衡,从而完全补偿多径衰落.OFDM的信道估计和均衡技术对整个系统的性能具有决定性的影响.本文将讨论OFDM系统在无线宽带移动通信环境下的信道估计和信道均衡技术,紧密结合OFDM技术的最新发展动向,研究各种OFDM系统中的各种信道估计及均衡技术. 首先,本文对经典的各种基于频域导频的信道估计和频域均衡技术进行了归纳总结.我们将基于频域导频的信道估计算法分为频域估计算法和时域估计算法两类,对它们各自的技术优点和缺陷进行了分析和比较.同时,对OFDM信道估计中可能利用到的各种内插算法和信道跟踪算法进行了归纳总结.基于时域训练序列的OFDM信道估计技术近年来得到了广泛的关注.在本文中,首先对现有的各种时域训练序列的设计和相应的信道估计算法进行了总结归纳,并在此基础上提出了一种基于LMS自适应跟踪算法的信道估计方法,同其它基于时域训练序列的信道估计方法比较,这种方法具有更高的估计精度；并且,通过对时域训练序列进行特殊的设计,这种方法可以有效地提高系统频谱利用效率. OFDM最大的优势之一就是可以进行简单的频域均衡.由于引入了循环前缀,在接收端可以通过简单的除法实现信道均衡.为了能对接收信号进行有效均衡,在大多数实际OFDM系统中,都假设循环前缀的长度大于信道冲击响应的长度.然而,当信道冲击响应的长度大于循环前缀长度时,传统的OFDM频域均衡算法不能对信道进行有效均衡.为了解决这一问题,本文将提出两种分别基于频域导频和时域训练序列的OFDM信道估计和均衡算法.这两种算法都可以在超长信道环境下(信道冲击响应长度大于循环前缀)提供良好的系统均衡性能,从而在一定程度上降低OFDM系统对循环前缀的依赖性,在适当增加接收机复杂度的前提下,提高系统的频谱利用率.在移动通信环境中,多普勒频移将造成信道的快速衰落.当移动速度很快时,OFDM信号的子载波间干扰(ICI)就会严重影响系统的性能.在大多数实际应用中,OFDM均衡技术无法有效对抗ICI产生的影响.随着OFDM接收机移动速度加快,如何消除由于信道时变所带来的子载波间干扰就变得十分有意义.本文在对现有ICI消除技术分析的基础上,提出了一种基于并行判决反馈的ICI消除技术,可以有效地提高OFDM系统在快速移动环境下的接收性能.但是,这种并行IcI消除技术需要进行矩阵求逆运算,具有较大的计算复杂度,本文在并行IcI消除技术的基础上,继续提出了一种不需要矩阵求逆、结构简单的串行ICI干扰消除技术,在保持相同ICI消除性能的基础上,可以大大地降低实现复杂度. 近年来,以MIMO(多天线发射多天线接收)为代表的多天线技术成为研究的热点.MIMO技术和OFDM技术相结合(MIMO-OFDM),已经被认为是下一代宽带无线通信的典型技术之一.在本文中,首先归纳了MIMO-OFDM系统中各种导频的正交化设计方案.现有的大多数基于正交导频的MIMo_OFDM信道估计算法都是在频域中进行的,本文中提出了两种时域信道估计算法FPTA(Frequency domain pilot time domain average)和FPTC(Frequency domain pilottime(tomain correlation)在MIMO-OFDM中的应用,这两种时域信道估计算法具有同频域算法相同的信道估计性能,却具有更为简单的实现结构.此外,为了降低信道估计对导频个数的要求,本文讨论了判决反馈在MIMO-OFDM系统信道估计中的应用,提出了基于判决反馈的MIM0一OFDM联合信道估计一信号检测算法,可以有效地提高系统的带宽利用率,并提高系统在移动环境下的性能.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2 OFDM技术的技术背景

1.3 OFDM技术基础

1.3.1 OFDM基本模型

1.3.2保护间隔和循环前缀

1.3.3虚拟子载波与成形滤波

1.4本课题的研究意义

1.5本文主要内容和研究创新成果

1.5.1主要内容

1.5.2研究创新

第二章无线信道及建模仿真

2.1引言

2.2无线信道传输环境

2.2.1无线信道容量

2.2.2无线信道的大尺度衰落

2.2.3无线信道的小尺度衰落

2.3无线信道的建模与仿真

2.3.1 Clarke信道模型和多普勒功率谱

2.3.2平坦衰落信道的仿真

2.3.3频率选择性衰落信道的仿真

2.3.4矢量信道的仿真

2.4本章小结

第三章SISO-OFDM系统中的信道估计技术

3.1引言

3.2衰落信道对OFDM系统的影响

3.3基于频域导频的信道估计算法

3.3.1基于导频的频域信道估计算法

3.3.2基于导频的时域信道估计算法

3.4基于时域训练序列的信道估计算法

3.4.1基于时域训练序列和DFT变换的信道估计算法(TT-DFT)

3.4.2基于时域训练序列和相关运算的信道估计算法(TTTC)

3.4.3基于时域训练序列和LMS的信道估计算法(TT-LMS)

3.5本章小结

第四章SISO-OFDM系统的信道均衡技术

4.1引言

4.2超长多径信道环境下的OFDM均衡技术

4.2.1超长信道下基于导频的联合信道估计和均衡算法(PJEE)

4.2.2超长信道下基于时域训练序列的联合信道估计和均衡算法(TJEE)

4.3快速时变信道环境下的OFDM均衡技术

4.3.1快速时变信道下的系统描述

4.3.2快速时变信道下的信道均衡和ICI消除技术

4.3.3快速时变信道下的联合信道估计和信道均衡技术

4.4本章小结

第五章MIMO-OFDM系统的信道估计技术

5.1引言

5.2 MIMO-OFDM技术简介

5.2.1基于发射分集的STBC-OFDM技术

5.2.2基于空间复用的BLAST-OFDM技术

5.3基于正交化导频设计的MIMO-OFDM信道估计技术

5.3.1基于子载波正交的导频设计及MIMO-OFDM信道估计

5.3.2基于时域正交的导频设计及MIMO-OFDM信道估计

5.4 MIMO-OFDM的联合信道估计-信号检测技术

5.4.1基于STBC-OFDM系统的联合信道估计-信号检测技术

5.4.2基于VBLAST-OFDM系统的联合信道估计-信号检测技术

5.5本章小结

第六章总结与展望

6.1全文成果总结

6.2进一步研究方向

参考文献

作者攻读博士学位期间撰写和发表的论文

致谢