基于加权分数傅立叶变换的双选信道下干扰抑制方法研究

摘要

随着当前通信系统应用场景的多样化，信号传输经历的信道环境亦随之复杂化。其中时变无线多径信道和水下声纳信道等引起的多普勒频移和多径传输效应将导致通信信号能量在时域和频域分别发生时延扩展(弥散)和多普勒扩展(弥散)。这种使信号在时、频域同时发生弥散的双选(双弥散)信道将严重影响传统单载波频域均衡(single carrier frequency domain equalization, SC-FDE)和正交多载波调制(multi-carrier modulation, MCM)体制通信系统的性能。首先，收、发终端的相对位移为信道引入了时变特性，增大了接收端中信道均衡的难度；其次，信号的时域弥散使得时域采样间发生相互干扰；最后，信号的频域弥散使原本正交子载波上的信号发生相互干扰。这种由信号在时、频域弥散而引起的采样间/载波间干扰(inter-sample/carrier interference, ISI/ICI)是导致传统单载波和多载波调制系统的性能出现损失的主要原因。
　　为了解决双选信道下的ISI/ICI问题，现有文献中提出了多种干扰抑制方法。除了传统单载波调制(single carrier modulation, SCM)和MCM系统中采用的时域窗滤波及信道均衡等技术外，近年来从事相关研究领域的学者开始考虑通过引入新的载波调制技术来进一步改善对ISI/ICI的抑制效果。本文的主要工作为：在一种基于加权类分数傅立叶变换(weighted-type fractional Fourier transform, WFRFT)的新型载波调制――混合载波调制(hybrid carrier modulation, HCM)体制下，结合现有时域窗滤波和信道均衡，设计高效的ISI/ICI抑制方法，获得系统误码性能的提升。本文采用这种基于WFRFT的HCM体制的原因在于：WFRFT作为一种经典的数学工具，可被视为傅立叶变换的扩展。其被应用于通信系统中时，不同信号域上信号之间的变换可获得完备的数学理论支撑。此外，HCM作为SCM和MCM两种传统载波体制的扩展，可较好的兼容现行通信系统。鉴于多普勒频移的强弱对系统性能的影响较大，因此本文针对不同多普勒频移的双选信道条件，分别提出了不同的干扰抑制方法。并针对多用户上行双选信道，提出了混合载波频分多址(frequency division multiple access, FDMA)系统框架和适用于该系统的迭代多用户检测方法。
　　本文首先着眼于多普勒频移较小的无线信道，提出了混合载波调制多抽头线性均衡方法，并研究了HCM体制与传统信道均衡技术的结合，在不同信道条件下表现出的性能差异，解释了HCM体制与传统载波调制体制相比的优势机理：即均衡后在WFRFT域上获得残余干扰幅度的更低概率峰值。本文采用了三种线性均衡方法：针对整个数据块进行并行处理的块线性均衡和两种串行的连续线性均衡方法。采用线性均衡的HCM体制系统，其性能与HCM系统调制阶数、信道多径时延功率谱和多普勒频移参数有关。随着信道多普勒频移的增大， HCM体制开始表现出更优于传统SCM和MCM体制的误码率性能。
　　为了降低如水下声纳信道等大多普勒频移双选信道对系统性能的影响，本文对传统时域迭代(非线性)MMSE均衡方法进行了改进，提出了适用于HCM体制系统的，通过更新并反馈WFRFT域先验信息实现的时域迭代MMSE均衡方法。该方法的干扰抑制效果取决于先验信息的收敛效果，而这种HCM体制与时域迭代均衡的联合实现方法，可在WFRFT域获得更优的先验信息收敛性，从而在大多普勒频移的信道下获得优越的误码性能，并表现出相比于SCM和MCM体制下时域迭代MMSE均衡更优的误码性能。
　　然而，随着信道时延扩展的增大，时域迭代均衡方法的实现复杂度随之急剧增大，且时域迭代MMSE均衡对频分多址系统的兼容性较差。鉴于上述时域算法的应用限制，本文进一步对传统的频域迭代MMSE均衡方法进行改进，提出了HCM体制下的频域迭代MMSE均衡方法。通过这种HCM体制与频域迭代均衡的联合实现方法，系统可获得实现复杂度和误码性能的良好折中。由于WFRFT域先验信息具有更优收敛性，与传统SCM和MCM体制下频域迭代均衡方法相比，HCM体制下的频域迭代均衡方法在大多普勒频移的双选信道下表现出了明显的误码率优势。
　　最后，针对多用户上行双选信道引起的用户间干扰，利用WFRFT以及HCM体制对传统载波体制的兼容性，本文对传统FDMA结构进行了扩展，提出了混合载波频分多址(hybrid carrier FDMA, HC-FDMA)系统框架，并定义了多用户上行双选信道的联合频域信道矩阵。基于这个联合频域信道矩阵，提出了迭代多用户检测方法。虽然HC-FDMA系统中用户发送信号的PAPR与单载波FDMA(single carrier FDMA, SC-FDMA)系统相比有所增大，但在HC-FDMA系统中，各用户可根据各自经历的信道条件，采用不同的混合载波调制阶数，以获得最优的系统误码性能。当系统采用集中式频域子载波映射方式时，与SC-FDMA系统相比，HC-FDMA系统在双选信道下的误码性能优势较为明显，且该优势随着信道多普勒频移的增大而增大。

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英文缩写表

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 双选信道对现行载波体制的影响

1.3 现行双选信道下干扰抑制技术

1.4 论文内容安排

第2章 基于加权分数傅立叶变换的混合载波调制及

2.1 基于加权分数傅立叶变换的混合载波调制技术

2.2 双选信道特性及建模

2.3 时、频域及WFRFT域信道矩阵建模

2.4 本章小结

第3章 混合载波线性均衡方法

3.1 双选信道线性均衡方法

3.2 混合载波线性均衡方法

3.3 复杂度分析及仿真

3.4 本章小结

第4章 混合载波时域迭代均衡方法

4.1 引言

4.2 传统单载波体制下TD-IMSE方法

4.3 混合载波体制下的TD-IMSE方法

4.4 性能分析及仿真

4.5 本章小结

第5章 混合载波频域迭代均衡方法

5.1 引言

5.2 传统载波体制下的FD-IMSE方法

5.3 混合载波体制下的FD-IMSE方法

5.4 性能分析及仿真

5.5 本章小结

第6章 混合载波频分多址系统

6.1 引言

6.2 传统频分多址系统模型

6.3 混合载波频分多址系统

6.4 性能分析及仿真

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及其它成果

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致谢

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