基于周期结构前导的MIMO-OFDM/OFDMA系统的频率同步技术研究

摘要

相对于传统的单输入单输出(SISO)系统，多输入多输出(MIMO)系统具有极大的信道容量。这个容量随着天线对数的增长而呈现线性增长。一般地，分集和复用技术能够分别被利用来改善通信系统的可靠性和有效性。正交频分复用技术(OFDM)将一个宽的频带划分为若干比较窄的子带。虽然整个频带上可能遭受频率选择性衰落，但是在每一个子带上可被看作是平坦性衰落。通过在OFDM符号前端插入CP，OFDM系统能够克服多径时延造成的符号间干扰(ISI)。MIMO和OFDM技术被看作是未来通信系统的重要物理层技术。作为多用户技术和OFDM技术的结合，正交频分复用多址接入(OFDMA)技术拥有和OFDM相同的优点。此外，还可以获得频率分集，多用户分集效应，并且能够很好地抑制多接入干扰(MAI)。OFDMA相关技术是一个非常具有前景的研究和应用课题。　　 本文研究了两种基于OFDM的无线系统的频偏估计技术，即MIMO-OFDM系统和交织型OFDMA上行链路系统。对于MIMO-OFDM系统中的频偏估计，利用周期性前导序列进行频率同步，我们提出了改进的最大似然估计器和四种最佳线性无偏估计器。最大似然估计器对多天线的信号进行叠加，并基于序列的加权自相关。第一个最大似然估计器的估计范围是整个OFDM的信号带宽。第二个估计器的运算复杂度比第一个估计器低，但频偏估计范围也相应地比第一个估计器小。　　 对周期性序列计算延时自相关，如果延时长度是序列周期长度的整数倍，相关值的相位或者差分相位可以被应用到最佳线性无偏估计器中来估计频偏。估计器在计算协方差的过程中，处理噪声与噪声乘积项的方法影响频偏估计的精度。基于这些信号处理方法，本文提出了四种适合于MIMO-OFDM的低复杂度最佳线性无偏估计器。所有的最佳线性无偏估计器的加权系数都是闭式解并且与信噪比无关。四种最佳线性无偏估计器拥有渐进一致的协方差。随着信噪比的增加，估计器能够逼近理论的克拉美劳下界。　　 接着我们研究了OFDMA系统上行链路的多频偏估计问题。交织型载波分配机制能够带来最大的频率分集效应，所以这种载波分配机制受到了很大的关注。在这种机制下的多频偏估计问题的信号结构和阵列信号处理理论里面的到达方向(DOA)估计非常相似，所以基于子空间的多重信号分类方法(MUSIC)的算法能够被用来进行多频偏估计。本文提出了两种估计器，基于酉空间的MUSIC和求根MUSIC算法。和传统的基于复数特征分解方法的MUSIC算法相比，我们采用实数协方差计算，所提出的酉空间的MUSIC和求根MUSIC算法具有更低的复杂度，但是具有相比拟的性能。算法的性能在文中用计算机仿真进行了验证。　　 最后，基于软件无线电平台，对IEEE802.11n无线局域网标准物理层技术在平台上进行了验证。在验证中，频率同步技术采用所提出的最佳线性无偏估计器。验证表明，同步技术和相关信号处理技术在实际系统中是有效的并且性能良好的。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 基于MIMO-OFDM技术的宽带无线通信系统概述

1．2．1 正交频分复用(OFDM)技术

1．2．2 多输入多输出(MIMO)技术

1．2．3 OFDMA多接入系统

1．3 本论文所做的工作

1．4 论文结构

第二章 MIMO-OFDM系统中的同步技术

2．1 MIMO-OFDM系统同步技术概述

2．1．1 MIMO-OFDM系统中的定时估计技术

2．1．2 MIMO-OFDM系统中的频偏估计技术

2．2 本章小结

第三章 基于周期结构的MIMO-OFDM系统频偏估计

3．1 最大似然频偏估计器

3．1．1 频偏估计器MLE-MA

3．1．2 频偏估计器MLE-MAS

3．2 最佳线性无偏估计器

3．2．1 频偏估计器BLUE-PA

3．2．2 频偏估计器BLUE-PA-N

3．2．3 频偏估计器BLUE-DPA

3．2．4 频偏估计器BLUE-DPA-N

3．3 复杂度分析与比较

3．4 仿真结果

3．4．1 前导结构

3．4．2 信道模型

3．4．3 数值结果

3．5 本章小结

第四章 交织型OFDMA上行链路频偏估计技术

4．1 OFDMA同步技术概述

4．2 交织型OFDMA上行同步技术回顾

4．3 交织型OFDMA上行链路频偏估计技术

4．3．1 基于酉空间的MUSIC算法

4．3．2 基于酉空间的求根MUSIC算法

4．4 仿真结果

4．5 本章小结

第五章 基于软件无线电平台的IEEE 802．11n物理层技术传输与验证

5．1 软件无线电平台介绍

5．1．1 平台的结构组成

5．1．2 基于IEEE 802．11n的数据传输

5．2 信号处理算法

5．2．1 空时编码

5．2．2 空时译码

5．2．3 同步

5．2．4 信道估计

5．3 传输验证结果

第六章 总结和展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的国家发明专利及论文

学位论文评阅及答辩情况表