单载波频域均衡多天线系统关键技术研究

摘要

单载波频域均衡（Single Carrier-Frequency Domain Equalization，SC-FDE）是一种有效抵抗多径衰落信道影响的技术，并且可以克服正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）系统峰均功率比（Peak to Average Power Ratio，PAPR）高的缺陷，因此适用于功率受限设备的发送方案。当发射端部署多根天线时，多天线 SC-FDE系统能进一步提升传输链路的可靠性。但针对多天线SC-FDE系统在高速移动环境中的应用，系统地研究空时码设计、导频设计、信道估计方法以及时频同步等问题的研究较少。
　　本文针对以空地通信链路为代表的高速移动通信环境，针对短突发、非连续传输要求，分别研究了收发端均部署多天线时的多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）SC-FDE系统的空时编码设计问题、信道估计问题及同步问题，重点对基于频域均衡的接收机信号检测技术、为充分利用低复杂度 FDE特点的空时码设计框架、可适应高速移动信道环境的导频及信道估计方法、稳健的时间同步方法开展了相关研究和仿真。本文的主要内容如下所述：
　　第一章概述了 MIMO-SC-FDE技术的研究现状，并对本文需要研究的高速移动通信环境及各项关键技术的研究现状进行了描述，并指出本文的研究内容和结构安排。
　　第二章先阐述了 SC-FDE系统模型，简述了迫零(Zero-Forcing，ZF)均衡和最小均方误差(Minimum Mean-Square Error，MMSE)均衡技术的基本原理。本章重点针对SC-FDE系统残留码间干扰问题，分析了MMSE-RISIC（Minimum Mean-Square Error-Residual ISI Cancellation）算法的局限性，提出了一种时频混合的残留码间干扰消除算法。在两种静态信道条件下，利用Matlab仿真验证了其性能，结果表明本文所提算法的误码率性能优于MMSE-RISIC算法。面对短突发非连续传输需求，针对 SC-FDE系统与多天线空时编码的联合设计问题，本章的第二部分比较研究了包括空时编码，循环延时分集和空频编码应用于 SC-FDE系统的性能，并分析了三种分集技术应用于 SC-FDE系统时，接收端的最优接收检测方法，通过仿真比较了几种分集技术在特定信道下的误码性能，指出了不同分集技术的适用场景。
　　第三章针对 MIMO-SC-FDE的导频设计与信道估计，重点研究了 MIMO-SC-FDE系统的不同信道估计方法。首先，基于对SC-FDE系统常用帧结构的比较研究，分析对比了不同设计方法的带宽利用率和结构优缺点。然后，针对不同的帧结构，本文分别研究三种相应的信道估计方法，包括传统的频域信道估计方法，m序列信道估计方法，和特殊字信道估计方法。最后，在静态及高速移动信道下进行的仿真结果表明：传统的频域信道估计方法不论是在带宽利用率还是在估计性能方面都不是很理想；m序列时域信道估计方法其忽略了信息序列对导频的干扰，而且其性能还依赖于m序列的长度；特殊字（Unique Word，UW）信道估计方法主要应用于信息序列前后都添加 UW的帧结构，相同信道环境下，其性能要优于前面两种估计方法。根据前述仿真结果，本文进一步对特殊字信道估计方法进行了改进，通过对导频序列求平均及设定阈值的方式，进一步降低了系统的误码性能。
　　第四章研究了SC-FDE系统的同步技术，包括符号定时同步和载波频偏估计。首先概述了基于循环前缀的非数据辅助的定时同步算法，然后重点分析了几种经典的基于数据辅助的同步算法，包括Schimidl&Cox算法，Minn算法和Park算法，通过仿真验证了不同同步算法的算法特点及同步性能，最后根据系统设计的帧结构提出了一种符号定时同步算法且其性能满足系统设计要求。
　　第五章对本论文的工作进行了总结，并探讨单载波频域均衡多天线系统关键技术下一步的研究方向。

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缩略词表

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第一章 绪论

1.1 研究背景及现状

1.2 本论文主要研究工作及结构安排

第二章 单载波系统空间分集波形设计

2.1 引言

2.2 SC-FDE系统基本原理

2.3 MIMO-SC-FDE系统模型

2.4 性能仿真与分析

2.5 本章小结

第三章 单载波频域均衡系统信道估计技术

3.1 引言

3.2 SC-FDE系统帧结构

3.3 传统的信道估计方法

3.4 m序列信道估计方法

3.5 特殊字信道估计方法

3.6 本章小结

第四章 单载波频域均衡系统同步技术

4.1 引言

4.2 基于循环前缀的同步算法

4.3 基于数据辅助的同步算法

4.4 本章小结

第五章 全文总结

5.1 本文总结

5.2 对下一步工作的建议及未来研究方向

致谢

参考文献

个人简历

本文作者在攻读硕士期间参加的科研项目

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