频率选择性衰落信道MIMO-OFDM系统同步算法研究

摘要

未来通信系统在实现数据可靠传输的基础上还要满足高速率传输的要求。正交频分复用(OFDM)系统能够有效的对抗多径衰落并具有较高的频谱资源利用率。而多发射多接收天线(MIMO)技术能够大幅度提高系统的吞吐量。因此MIMO与OFDM结合将成为未来移动通信的发展趋势。 同步问题是通信信号处理中首先需要解决的问题，直接关系到后续基带信号处理算法的性能。OFDM系统对同步误差非常敏感，很小的载波频偏都将导致系统性能的急剧下降。因此准确的符号定时和精确的载波频偏估计是OFDM系统正常工作的前提。引入MIMO技术后，同步误差还会引起严重的天线间干扰。因此，MIMO-OFDM系统中的同步问题更为关键。 论文主要就频率选择性衰落信道下MIMO-OFDM系统中的同步理论和算法进行了深入的研究，并将所提出的新的算法与当前国际上的一些经典算法进行了比较。论文的主要研究成果如下： 一、对定时偏移和载波频偏对OFDM系统性能的影响进行了全面的数学建模和理论分析总结，并通过仿真对分析结果进行了验证。理论分析结果为后续章节的同步算法设计提供了理论基础。 二、研究时域相关峰值检测的同步算法。指出在多径衰落信道中，相关窗的长度对时域相关峰值检测算法性能有直接的影响。研究表明，当相关窗长度大于信道最大多径迟延时，采用检测相关值斜率最大值的方法理论上能够有效地估计出接收端第一径的位置。提出了两种基于时域相关峰值检测的同步估计改进算法：1)采用一个OFDM符号做为训练序列，在接收端进行差分相关以解决时间度量函数中出现的平台效应。所提出的算法定时度量函数具有陡峭的波形，大大提高的符号定时估计性能。2)提出了一种采用接收信号与发送导频信号的副本相关的同步算法。在接收端，以多径区域能量和噪声区域能量之比作为符号定时的判决函数，从而使所形成的峰值更加明显。在多天线情况下，随着收发天线数的增加，信道的多径数目将线性增加，从而获得更多的分集增益，同步性能随之变好。 三、研究基于空子载波的载波频偏最大似然比估计算法，指出采用重复训练序列相关的载波频偏估计算法等价于采用等间隔空子载波的载波频偏最大似然比估计算法。进一步分析了在频率选择性衰落信道下，空载波和信道零点的数目与位置对基于空子载波的载波频偏估计算法可辨识性的影响。理论分析证明：采用等间隔放置的空子载波或数据子载波进行载波频偏估计，得到的载波频偏估计结果独立于信道零响应。 四、深入研究了基于子空间的盲估计算法。提出了一种基于多重信号分类(MUSIC)原理的上行交织频分多址(IFDMA)系统载波频偏估计算法。所提出的算法通过设计一种特殊的频率估计因子，解决了传统MUSIC算法中对参数空间进行多维搜索的问题，使得上行IFDMA系统多用户载波频偏估计转换成一个一维估计问题，算法复杂度低。 五、研究了分布式MIMO-OFDM系统中的同步问题，提出了一种改进的分布式MIMO-OFDM系统定时偏移和载波频偏估计算法。该算法利用Gold码良好的相关特性降低天线间干扰，有效地估计各发射天线的迟延和载波频偏。相比其他的分布式MIMO-OFDM同步估计方法，所提出了算法具有更高的定时估计精度。 本论文研究的目的是为宽带移动通信系统的同步问题提供新的理论和解决方案，应用环境为频率选择性衰落信道。论文所提出的新的算法相对于传统算法具有更高的效率，适合实际当中的应用。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第1章绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 未来移动通信产业发展和标准化研究现状

1.1.2 未来移动通信发展中的关键技术

1.1.3 OFDM

1.1.4 MIMO技术

1.1.5 参数估计算法的发展

1.2 多载波系统同步算法综述

1.2.1 基于数据辅助的同步算法

1.2.2 基于CP的同步算法

1.2.3 盲估计算法

1.2.4 OFDMA同步估计算法

1.3 论文主要研究内容

1.4 本章参考文献

第2章OFDM系统原理及同步误差对OFDM系统的影响

2.1 OFDM系统原理

2.2 同步误差对OFDM系统性能的影响理论分析

2.2.1 符号同步

2.2.2 多径衰落信道下定时偏差产生的信号干扰比分析

2.2.3 载波频偏误差

2.2.4 载波频偏产生的信号干扰比分析

2.3 同步性能考察指标

2.3.1 符号同步

2.3.2 载波频偏同步

2.4 同步误差对OFDM系统的性能影响仿真结果及分析

2.5 本章小结

2.6 本章参考文献

第3章时域相关峰值检测同步算法研究

3.1 多径衰落信道下，相关长度对时域相关峰值检测法的符号同步算法性能的影响

3.2 基于重复训练序列差分相关的同步估计改进算法

3.2.1 算法描述

3.2.2 仿真结果及分析

3.3 基于接收信号与发送信号副本相关的同步估计改进算法

3.3.1 算法描述

3.3.2 仿真结果分析

3.4 性能分析

3.5 本章小结

3.6 本章参考文献

第4章基于空子载波同步算法研究

4.1 基于空子载波的ML同步算法研究

4.2 空子载波与信道零点分布对载波同步估计可辨识性的影响研究

4.2.1 空子载波连续放置情况：

4.2.2 空子载波等间隔放置情况：

4.2.3 数据子载波等间隔放置情况：

4.2.4 空子载波间隔互不相等情况：

4.3 本章小结

4.4 本章参考文献

第5章子空间盲同步估计算法研究

5.1 基于MUSIC原理的IFDMA频偏估计算法

5.1.1 IFDMA系统原理

5.1.2 上行IFDMA系统同步数学模型

5.1.3 基于MUSIC原理的IFDMA系统载波频偏估计算法

5.1.4 基于TLS-ESPRIT原理的IFDMA系统载波频偏估计算法

5.1.5 仿真结果及分析

5.2 本章小结

5.3 本章参考文献

第6章MIMO-OFDM系统同步算法研究

6.1 MIMO-OFDM系统同步问题建模

6.2 MIMO-OFDM同步研究现状

6.3 分布式MIMO-OFDM系统同步算法设计

6.3.1 UPSP算法描述

6.3.2 改进的分布式MIMO-OFDM系统同步算法描述

6.3.3 仿真结果及分析

6.4 本章小结

6.5 本章参考文献

第7章总结

7.1 论文主要贡献

7.2 进一步工作展望

附录

攻读博士期间发表论文

致谢