（通信与信息系统专业论文）ofdm移动通信系统中迭代信道估计与信号检测方法研究.pdf

东南大学辫 ：学位论文 摘要 正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g - - o f d m ) 技术具备频谱 利用率高、带宽扩展性强等一系列特点，是未来移动通信系统有竞争力的候选方案。现代 移动通信系统高数据传输速率、高传输质量和高移动性的要求对信道估计与信号检测技术 提出了非常严格的要求，而相对复杂多变的传播环境则使o f d m 系统的信道估计技术面 临更大的挑战。针对上述问题，本论文重点研究了o f d m 系统的迭代信道估计和信号检 测技术。 论文首先针对传统的非相干差分检测，提出差分编码器输入输出联合状态的概念，并 设计出一种递归的网格图化简方法，实现了最大似然意义下的多符号联合差分检测。随后 在此基础上，对其在衰落信道下的应用场合提出一种迭代检测结构，并将其应用于超宽带 o f d m 无线通信系统。在单位符号检测复杂度不变的前提下，检测性能可任意逼近多符 号非相干差分检测的理论极限。同时也为各种类似的无记忆噪声中有限状态m a r k o v 过程 的状态序列估计问题提供了一种新的解决方法。 其次，针对o f d m 系统中多普勒频偏估计进行研究。在现有基于信道自相关特性的 多普勒频偏估计算法基础上，对相关间隔和估计值的关系进行了理论分析，证明了存在使 估计性能不受信噪比和频偏变化影响的最优相关间隔，并推导出该间隔具有的特性。随后 利用该特性提出一种逐次缩小搜索范围的迭代算法实现对其搜索和最大多普勒频偏的估 计。同时也证明了传统算法只能在一定范围内通过提高信噪比改善估计性能，超出此范围 提高信噪比反而会降低估计性能。和传统基于相关估计算法相比，该算法自适应于信噪比 和频偏变化，估计性能基本独立于信噪比和频偏的变化，突破了现有估计算法在低信噪比 条件下不加后继辅助修正估计精度受限的瓶颈，实现多普勒频偏的直接高性能估计。 再次，在现有的o f d m 系统迭代联合信道估计与符号检测算法的基础上，针对高速 移动通信信道，利用r l s 自适应滤波器在菲平稳环境下有效跟踪输入统计量随时问变化 的能力，提出一类基于对迭代初始值进行r l s 自适应预测的迭代信道估计算法。通过对 每次迭代的初始值和迭代步长进行递归计算提高其有效性，减少了后继迭代次数并提高了 ，收敛结果的准确性。在复杂度适当增加的前提下，加快了迭代收敛速度，降低了系统误码 率，提高了系统性能。 最后提出了一种新的减状态维特比泽码算法。该方法在维特比算法思想的基础上，按 照一定规则构造状态集合，进而对状态进行分类、比较、选择。使译码的复杂度由随编码 约束长度的指数增长，降低为线性增长。在牺牲一定纠错能力条件下大量简化了维特比算 法，是一种快速、可行的简化算法。 摘要 关键词：萨交频分复用，信道估计，差分检测，多普勒频偏，联合状态，迭代，减状念 东南大学博士学位论支 a b s t r a c t t h eb a n d w i d t he f f i c i e n c ya n d e x p a n d a b i l i t y l e a d s o r t h o g o n a lf f e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) t ob eap o t e n t i a lc a n d i d a t ef o rm o d e mc o m m u n i c a t i o n s ，s u c ha sb e y o n d 3 r dg e n e r a t i o na n du l t r aw i d eb a n ds y s t e m s t h er e q u i r e m e n t sf o rm o d e mc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ss u c h 觞h i 曲d a t ar a t e ，h i 曲q u a l i t ya n dh i 曲m o b i l i t ym a k ec h a n n e le s t i m a t i o na n d s i g n a ld e t e c t i o nt e c h n i q u e sm o r es t r i c t , w h i l et h ec o m p l i c a t e dt r a n s m i s s i o ne n v i r o n m e n tg i v e s r i s et ot h ed i f f i c u l t yo fc h a n n e le s t i m a t i o n i nt h i st h e s i s ，w ef o c u so ni t e r a t i v ec h a n n e l e s t i m a t i o na n ds i g n a ld e t e c t i o nt e c h n i q u e s f i r s t ，an o v e lc o n c e p to ft h ej o i n ts t a t eo fi n p u ta n do u t p u to fe n c o d e ri sp r o p o s e d b a s e d o ni t ，ar e c u r s i v ea l g o r i t h mt h a ti m p l e m e n t st h em u l t i s y m b o ld i f f e r e n t i a ld e t e c t i o ni nc r i t e r i o n o fm a x i m u ml i k e l i h o o di s p r o p o s e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t i t s p e r f o r m a n c ec a l l a p p r o a c h e st ot h e o r e t i c a lb o u n d a r yo fm u l t i s y m b o ld i f f e r e n t i a ld e t e c t i o nw i t h o u ti n c r e a s i n go f c o m p l e x i t yp e rs y m b 0 1 a n di ti se f f e c t i v ei np r a c t i c a ls y s t e m s i ti sa l s oa no p t i m a la l g o r i t h mt o s o l v et h ep r o b l e m so fe s t i m a t i n gt h es t a t es e q u e n c eo ff i n i t e - s t a t ef e e d b a c ke n c o d i n gs i g n a l s o b s e r v e di nm e m o r y l e s sn o i s e s e c o n d ，r e s e a r c ho fr e l a t i o nb e t w e e nc o r r e l a t i o n i n t e r v a la n de s t i m a t i o na c c u r a c yi s c a r r i e do n ，a n dt h e o p t i m a lc o r r e l a t i o n i n t e r v a li sp r o v e dt ob ee x i s tt h a t i sa d a p t i v et o s i g n a l t o n o i s er a t i oa n dv e l o c i t yv a r i e t i e s t h e ns o m es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo p t i m a l c o r r e l a t i o n i n t e r v a la r ee x p l o r e d b a s e do nt h e ma l li t e r a t i v ea l g o r i t h mi sp r o p o s e d i to p t i m i z e s t h ec o r r e l a t i o n i n t e r v a la n dc a l c u l a t e st h ed o p p l e rs p r e a db yi n c r e a s i n gt h er e s o l u t i o no n t i m e - d o m a i ni t e r a t i v e l y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc o n t r a s t e dt oc o n v e n t i o n a ls c h e m e st h e p r o p o s e da p p r o a c hi sl e s ss e n s i t i v et os i g n a l t o n o i s er a t i oa n dv e l o c i t yv a r i e t i e s ，e s p e c i a l l y i m p r o v e s t h ep e r f o r m a n c ed r a m a t i c a l l yi nl o ws i g n a l - t o n o i s er a t i oe n v i r o n m e n ti nw h i c ht h e c o n v e n t i o n a ls c h e m e sh a sap o o rp e r f o r m a n c e i ta c h i e v e st h eh i 曲a c c u r a t ee s t i m a t i o no f d o p p l e rs p r e a dd i r e c t l y t h i r d ，c o n s i d e r i n gt h ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c so fh i g h s p e e dm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n d r e s o l i n gt oar l sa d a p t i v ef i l t e rw h i c hc a nt r a c kt i m ev a r i a t i o n so fi n p u ts t a t i s t i c su n d e r n o n - s t a t i o n a r yc o n d i t i o n s ，w ep r e s e n t a ni t e r a t i v e j o i n t c h a n n e l e s t i m a t i o na n d s y m b o l d e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nr l sa d a p t i v ep r e d i c t o r b ym e a n so fc a l c u l a t i n gi n i t i a l c h a n n e lv a l u e so fe a c hi t e r a t i v ee s t i m a t i o nr e c u r s i v e l y , t h es u c c e s s i v ei t e r a t i o nt i m e sa l e r e d u c e da n dc o n v e r g e n c ev a l u e sb e c o m em o r ea c c u r a t e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e d t oc o n v e n t i o n a l a l g o r i t h mi ti m p r o v e sc o n v e r g e n c ec a p a b i l i t ya n ds y s t e mp e r f o r m a n c e i i i d r a m a t i c a l l y al a s t ，an e wr e d u c e d s t a t em e t h o di s p r e s e n t e di nt h i sp a p e lt h em e t h o dc o n s t r t l c t s s t a t e s e t s ，t h e nc l a s s i f i e s ，c o m p a r e sa n ds e l e c t st h es t a t e st h r o u g hc e r t a i nr u l e sb a s e do nv i t e r b i a l g o r i t h m i tr e d u c e st h ec o m p l e x i t yo fd e c o d e rt h a ti n c r e a s e se x p o n e n t i a l l ya l o n gw i t h c o n s t r a i n l e n g t h i nc o n v e n t i o n a lv i t e r b ia l g o r i t h mt ot h a ti n c r e a s e s l i n e a r l ya l o n gw i t h c o n s t r a i n l e n g t h ，s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h em e t h o de x c e s s i v e l ys i m p l i f i e st h ev i t e r b i a l g o r i t h ma tt h ec o s to fc e r t a i np e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n i th a ss e v e r a la d v a n t a g e ss u c ha s s i m p l yi m p l e m e n t ，e a s yp r o g r a m m i n ga n df a s tc o m p u t a t i o ns p e e d k e yw o r d s ：o f d m ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，d i f f e r e n t i a ld e t e c t i o n ，d o p p l e rs p r e a d ，j o i n ts t a t e i t e r a t i o n ，r e d u c e d s t a t e - 1 v 一 东南大学博j 学位论文 符号 矩阵或矢量的共轭转置 矩阵或矢量的转置 标量的共轭 线性卷积 标量x 的绝对值 矢量x 或者矩阵x 的f r o b e n i u s 范数 统计平均 矩阵a 第所行第 列对应的元素 矩阵a 的迹 矩阵a 的行列式 矢量x 的第m 个元素 n n 单位矩阵 矢量，其第m 个元素 d i a g ( x ) 】卅= 【x 】卅。 等价符号 以口为模对口求余数 取实部 取虚部 零阶第一类贝塞尔函数 悴、 对江 。 酊 州 ； 0 ， 1j r i t 1 l a 日 ，i z 盯 。m 州 州州乩k 一 曹嘶 附 埘 a w g n b e r c p d a b d v b d f t f d m i c i l d f t 1 s i m a p m l m m s e m s e o f d m p e p r l s r m s s n r u w b w l a n w s s u s 缩略词 a d d i t i v ew h i t eg a u s s j a nn o i s e加性百高斯噪声 b i te r r o rr a t e c y c l i cp r e f i x 误码率 循环前缀 d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g d i g i t a l 数字音频视频广播 v i d e ob r o a d c a s t i n g d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m离散傅立叶变换 f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 频分复用 i n t e r - c a r t i e ri n t e r f e r e n c e载波间干扰 i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m离散傅立叶反变换 i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e 码间干扰 m a x i m u map o s t e r i o r i 最大后验概率 m a x i m u ml i k e l i h o o d最大似然 m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r最小均方误差 m e a ns q u a r ee r r o r 均方误差 o r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o n 正交频分复用 m u l t i p l e x i n g p a i r w i s ee r r o rp r o b a b i l i t y 成对错误概率 r e c u r s i v el e a s ts q u a r e r o o t m e a n 。s q u a r e s i g n a l - t o - n o i s ep o w e r r a t i o u l t r aw i d eb a n d w i r e l e s sl o c a la c c e s sn e t w o r k 递归最小二乘 均方根 信号与噪声功率比 超宽带 无线局域网 w i d e s e n s es t a t i o n a r yu n c o r r e l a t e d 广义平稳不相干散射 s c a t t e r i n g v 1 1 1 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特另i j 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明荠表示了 谢意。 研究生签名：盟日期：堕业 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：鍪塾导师签名：煎日期：! 生丝丝 东南人学辩1 学位论文 第一章绪论 在人类追求生存与发展的过程中，科学一直扮演着柱石的角色，物质上推动社会进步， 同时丌拓着人类精神。波澜壮阔、五彩纷呈的人类文明从十六世纪开始重新燃起了崇尚科 学宣扬人文精神的火种。历经几百年来的发展。诸多专业学科抽穗于各个领域，闪耀着人 类的智慧，革新着人们的生活。年轻的无线通信学科正英姿勃发地昂首于历史的赛道上。 1 1引言 人类采用通信的历史可以追溯到遥远的古代。但直到1 9 世纪米，人们都是采用十分 直观的方式实现简单的信息传输。烽火衔连、飞鸽传书、驿外奔马体现着古入对信息交流 的渴望。1 8 8 8 年德国物理学家h ，h e r t z 实验证明了电磁波的存在，确认了j c m a x w e l l 的 预言。1 8 9 7 年意大利科学家g m a r c o n i 首次成功的运用电磁波进行信息传输。随后的一个 世纪里，在飞速发展的计算机和半导体技术的推动下，无线通信技术取得日新月异的进步。 现代移动通信技术肇始于上世纪二十年代。但直到上世纪七十年代中期才迎来了移动 通信的蓬勃发展时期。1 9 7 8 年，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统( a m p s ) 建 立了蜂窝状模拟移动通信网，大大提高了系统容量。与此同时，其它发达国家也相继开发 出蜂窝式公用移动通信网。这一阶段的特点是蜂窝移动通信网成为实用系统，并在世界各 地迅速发展。移动通信得到迅猛发展的原因，除了用户要求迅速增加这一主要推动力之外， 还有几方面技术进展所提供的条件。首先，微电子技术在这一时期得到迅速发展，使得通 信设备能够实现小型化、微型化。其次，提出并且形成了移动通信新体制，即贝尔实验室 在7 0 年代提出的蜂窝网的概念，即所谓的小区制，由于实现了频率再用，大大提高了系 统容量。第三方面进展是随着大规模集成电路的发展出现的微处理器技术日趋成熟以及计 算机技术的迅猛发展，从而为大型通信网的管理与控制提供了技术手段。这一阶段所诞生 的移动通信系统一般被当做是第一代移动通信系统。 从2 0 世纪8 0 年代中期丌始，数字移动通信系统进入发展和成熟时期。蜂窝模拟网 的容量己不能满足闩益增长的移动用户的需求。8 0 年代中期，欧洲首先推出了全球移动 通信系统( g s m ) 随后美国和同本也相继指定了各自的数字移动通信体制。2 0 世纪9 0 年代 仞，美国q u a l c o m m 公司推出了窄带码分多址( c d m a ) 蜂窝移动通信系统，这是移动通信 系统中具有重要意义的事件。从此，码分多址这种新的无线接入技术在移动通信领域占有 了越柬越重要的地位。这些目的诈在广泛使用的数字移动通信系统是第二代移动通信系 统。 第二代移动通信系统主要是为支持话音和低速率的数据业务而设计的。但随着入们对 第一章绪论 通信、i 卫务范围和业务速率要求的不断提高，己有的第二代移动通信网将很难满足新的业务 需求。为了适应新的市场需求，人们正在制定第三代移动通信系统。但是由于三代系统的 垓心网还没有完全脱离第二代的核心网结构，所以普遍认为第三代系统仅仅是一个从窄带 向未柬移动通信系统过渡的阶段。目前，人们己把目光越来越多地投向三代以后( b e y o n d 3 0 ) 的移动通信系统中 2 - 4 】，使其可以容纳市场庞大的用户数、改善现有通信品质不良，以 及达到高速数掘传输的要求。若从技术层面来看，第三代移动通信系统主要是以c d m a 为核心技术，三代以后的移动通信系统则以f 交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ：o f d m ) 最受瞩目，特别是有不少专家学者针对o f d m 技术在移动通信技术 上的应用，提出相关的理论基础，例如无线区域环路( w l l ) 、数字音讯广播( d a b ) 等，都 将在未来采用o f d m 技术f 5 11 1 。 1 2 多载波及o f d m 技术的发展与应用 多载波技术的使用可以追溯到上个世纪中期。那时，许多低速率信号，即使用不同的 载波频率在同一个宽带信道中并行传输 1 2 1 。在传统的多载波系统中，数据频带被划分成 多个互不交迭的子带，数据在不同的子带上并行传输，接收端利用带通滤波器实现子带信 号的分离。由于具有陡峭截止频率的带通滤波器难以实现，子带之问通常要留有一定的保 护频带，子带数目越多，保护频带占整个信号带宽的比例越大，这种低频谱效率限制了传 统多载波技术的发展，也促使人们去寻求提高频谱利用率的高效多载波传输技术。 6 0 年代中期，r wc h a n g 提出了一种可以完全消除i c i 和i s i 的正交信号多载波传 输方案【6 1 ，b r s a l t z b e r g 随后对此方案做了性能分析，得出“子载波之间的i c i 是多载 波系统性能下降的主要原因”的结论，并以此结论为依据对c h a n g 的方案予以肯定【1 3 】。 c h a n g 的方案仅为o f d m 的雏形，多载波o f d m 技术真正的普及和推广要归功于s b w e i n s t e i n 等人于1 9 7 1 年发表的题为“d a t at r a n s m i s s i o nb yf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g u s i n gt h ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ”的文章【1 0 】。该文章提出利用i d f t 和d f t 变换实现 子载波发送端的信号并行传输即合并和接收端的信号分离，并将此合并和分离过程做为调 制和解调的部分，这样就可以用一个模拟莳端末代替传统多载波系统中各子载波分别需 要的多个模拟前端，并且d f t 可用f f t 快速算法来实现，大大减小了系统复杂度。伴随 着v l s i 技术的发展，o f d m 技术于8 0 年代初期迎来了它的第一个发展高峰 1 4 ，1 5 1 。 近年来，随着高速数据传输需求的增大，o f d m 技术的应用日益广泛。由于它具有很强 的抗频率选择性衰落的能力，因此被采纳为欧洲d a b d v b 系统的标准 1 6 ，1 7 ，在有线 通信系统中，o f d m 技术被应用在v h d s l 和a d s l 系统中，并被冠名为离散多音频 ( d i s c r e t em u l t i t o n e ，d m t ) 调制【1 8 】。移动w l a n 的标准i e e e 8 0 2 1 1 a 、m m a c 和 h i p e r l a n 2 也把o f d m 做为物理层的传输手段【1 9 ，2 0 】。由于o f d m 技术可以较好的 解决高速无线移动通信中的多径干扰和宽带传输等问题，它已经成为b 3 g 2 1 ，2 2 1 n 超宽 带u w b 2 3 ，2 4 1 等系统的候选方案。 东南大学博士学位论文 1 3o f d m 系统特点及研究现状 近年来，o f d m 系统己经越来越得到人们的广泛关注，其原因在于o f d m 系统存在 如下的主要优点： 1 ) o f d m 系统是一种分块传输系统，通过在每个数据块的前端插入c p ，该系统可 以完全消除i s i 和i c i ，因此其信道均衡可以由单抽头均衡器完成，与具有多抽头的单载 波信道均衡器相比，其复杂性大大降低，与传统的无c p 多载波系统只能部分的消除i s i 也有着本质区别。 2 ) 传统的频分多路传输方法中，将频带分为若干个不相交的予频带来传输并行的数 据流，在接收端用一组滤波器来分离各个子信道。这种方法的优点是简单、直接，缺点是 频谱的利用率低，子信道之间要留有足够的保护频带，而且多个滤波器的实现也有不少困 难。而o f d m 系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此 与利用带通滤波器实现子载波分离的传统多载波系统相比，o f d m 系统具有更高的频谱 利用率 2 5 1 。 3 ) 各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用i d f t 和d f t 方法来实现。对于载 波数 霞大的系统中，我们可以通过采用快速傅立叶变换( f f t ) 来实现。随着大规模集成电 路技术与d s p 技术的发展，i f f t 和f f t 都是非常容易实现的。 爸 4 ) 无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于上行 链路c 稍数据传输量，如i n t e m e t 业务中的网页浏览、f t p 下载等。另一方面，移动终端 功率二般小于1 w ，在大蜂窝环境下传输速率低于1 0 1 0 0 k b s ，而基站发送功率可以较大， 有可能提供1 mb s 以上的传输速率。因此无论从用户数据业务的使用需求，还是从移动 通信系统自身的要求考虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输，面o f d m 系统可以 很容易地通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。 5 ) 由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波都同时处于比较深的衰落情 况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比较高的子 信道，从而提高系统的性能。而且对于多用户系统来说，对一个用户不适用的子信道对其 它用户来说，可能是性能比较好的子信道，因此除非一个子信道对所有用户来说都不适用， 该子信道才会被关闭，但发生这种情况的概率非常小。 6 ) o f d m 系统可以容易与其它多种接入方法相结合使用，构成o f d m a 系统，其中 包括多载波码分多址m c c d m a 2 6 ，跳频o f d m 2 7 】以及o f d m - - t d m a 2 8 等等，使得 多个用户可以同时利用o f d m 技术进行信息的传递。 但是o f d m 系统内由于存在有多个正交子载波，而且其输出信号是多个子信道信号 的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下主要缺点： 第一章绪论 】) 易受频率偏差的影响。由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的i f 交性提 了严格的要求。然而出于无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信号的频率偏 移，例如多普勒频移，或者由于发射机载波频率与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差， 都会使得o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子信道问的信号相互干扰 ( i c i ) ，这种对频率偏差敏感是o f d m 系统的主要缺点之一。 2 ) 存在较高的峰值平均功率比。与单载波系统相比，由于多载波调制系统的输出是 多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率 就会远远大于信号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比。这样就对发射机内放大 器的线性提出了很高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会为信号带 柬畸变，使叠加信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道信号之间的正交性遭到破坏， 产生相互干扰，使系统性能恶化。 上述特点使o f d m 技术成为宽带无线传输领域的研究热点，关于o f d m 系统的研究 包括信道估计和信号检n 1 1 1 2 9 ，3 0 1 、最大信道容量比特分配、时频同步【3 l 】、降低峰均比 【3 2 1 、自适应编码调制【3 3 】以及与m i m o 相结合的m i m o o f d m 技术 3 4 1 等许多方面。 1 4 论文主要研究内容和贡献 本文分别针对o f d m 不同应用场景下，需要解决的特殊问题分别进行了探索。 首先针对非相干o f d m 系统中差分检测方法进行研究。由于信道的时变特性、用户 的快速移动等原因，在某些无线应用环境中，对信道的精确估计十分困难，在这种情况下， 差分检测成为了很有吸引力的一种方案，差分检测技术可以克服相干检测中载波相位难以 恢复的缺点，同时简化了接收机设计 3 5 1 。传统的差分检测假设载波参考相位至少在两个 相邻符号间隔内不变1 3 6 ，3 7 ，而在实际信道中载波参考相位在连续若干个码元间隔内是 保持不变的，充分利用该信息将能进一步提高系统性能。基于该思想，d i v s a t a r 提出了多 码元差分检测f 3 8 1 。基本思想是在接收端延长观察时间，对几个码元同时进行联合判决。 当观察时间趋于无穷时其性能逼近于差分相干解调。使用符号数的增加可以提高多符号联 合差分检测的性能，减少系统开销。但是由于检测复杂度会因符号数的增加大幅度上升， 无性能损失的长序列联合检测难以工程实现。本论文在最大似然检测基本思想的基础上对 多符号差分检测进行分析，找出其网格图的特殊性，进而提出联合状态的概念和后继的检 测方法。 由于沿不同路径到达的不同时延的多径信号在接收端叠加产生了相互间的干扰，所以 移动台接收到的信号随着时间和空间的不同，幅度和相位在不停地变化。而接收信号这种 变化或衰落的快慢的参数便是与波长和移动速度有关的最大多普勒频移【3 9 】。既然接收技 术的性能与接收信号的衰落速率有着紧密的联系，那么利用多普勒信息去自适应地控制接 东南大学博士学位论文 收机的各种参数，例如：导频滤波器的带宽、自动增益控制环路的带宽、交织深度以及蜂 窝移动通信系统中越区切换的功率测量时间等，显然可以提高系统性能并降低接收算法的 实现复杂度 4 0 ，4 1 1 。利用信道自相关特性估计是一类主要的估计方法 4 2 ，4 3 】。但这类 方法在低信噪比下估计误差较大，不能很好的自适应于信道变化。本论文从相关间隔和估 计结果关系的角度着手，对如何自适应选取相关间隔的问题展开研究，对相关类估计算法 进行优化设计。 信道估计是指接收机获知信道状态信息( c s i ) 的方法和过程，准确的信道估计是高 速数据传输的瓶颈、提高数据传输速率和传输质量的关键。一般说来，信道估计方法分为 两大类。一类称为导频辅助信道估计。发送端首先发送部分接收机确知的信息，又称为导 频，接收机根据导频和相应的接收信号来判断c s l l 4 4 - 4 6 】。另一类称为盲信道估计，此类 估计无需导频，接收机直接根据接收信号来判断c s i 4 7 - - 4 9 。盲信道估计通常要利用大量 的累积数据来获取各类统计量，导致系统的时延和复杂度相当高，相比较而言，导频辅助 信道估计的复杂性和时延要小得多，具有很强的实用性 5 0 1 。除了简单实用的优点，导 频辅助信道估计方法也存在其固有的缺陷，导频的加入加大了系统开销，降低了频谱效率， 以往系统中采用的的导频模式、信道估计方法和信号检测技术已显然无法满足新一代系统 的高传输质量和高频谱效率的要求。设计更为合理有效的导频模式和信道估计以及信号检 测方法，在提高系统的性能的同时保证高效的频谱利用率是信道估计与检测技术的发展方 向。最新的研究提出了一类迭代联合信道估计与符号检测的算法，它在传统导频辅助信道 估计的基础上同时利用导频和检测获得的数据信息对信道进行迭代估计 5 1 5 6 。本论文 在o f i 舀m 系统平台上，以提高系统性能和效率为目的对其加以改进。 凳 维特比算法是一种基于最大似然序列估计的算法，卷积编码和维特比译码被认为是一 种较佳的差错控制方案。维特比译码实现了最大似然意义下对编码序列的译码，但它的运 算量和存储空阎随编码约束长度呈指数增长，使译码过程变的非常复杂。各种减状态的方 法已被提出。本论文试图寻找到一种新的检测性能和实现复杂度之间的折衷方案。 本论文工作的主要贡献： 第三章提出差分编码器输入输出联合状态的概念，并设计出一种递归的差分调制信号 网格图化简方法，并将其应用于差分检测。在此基础上进一步提出一种衰落信道下的迭代 算法，在超宽带无线准静止信道下证明了其有效性。联合状态概念的提出，也为各种类似 的无记忆噪声中有限状态m a r k o v 过程的状态序列估计问题提供了一种新的解决方法。 第四章针对基于相关的多普勒频偏估计方法，对相关问隔和估计值的关系进行了理论 分析，证明了存在使估计性能不受信噪比和频偏变化影响的最优相关间隔，并推导出该间 隔具有的特性。随后利用该特性提出一种逐次缩小搜索范围的迭代算法实现对其搜索和多 普勒频偏的估计。同时证明了传统算法只能在一定范围内通过提高信噪比改善估计性能， 超出此范围提高信噪比反而会降低估计性能。 第章绪论 第五章在现有的o f d m 系统迭代联合信道估计与符号检测算法的基础上，针对高速 移动通信信道，利用r l s 自适应滤波器在非平稳环境下有效跟踪输入统计量随时间变化 的能力，提出一类基于对迭代初始值和反馈值进行自适应预测的改进算法。 第六章提出了一种新的减状态卷积码译码算法。在维特比算法思想的基础上，按一定 觇则构造状态集台，进而对状态进行分类、比较、选择。使译码的复杂度由随编码约束长 度的指数增长，降低为线性增长。 东南大学博上学位论文 2 1 引言 第二章o f d m 系统模型及无线衰落信道模型 任何信号都必须通过信道进行传送，因此我们研究无线移动通信系统中需要采用的各 种技术时，必须先了解无线信道的特点，这样才能选择合适的解决方案无线移动通信是 借助电磁波在空间中的传播来实现信息传输的，而电磁信号在无线发射机和接收机之间传 播时会存在直射、反射、衍射和散射等多种传播机制。同时，发射机和接收机还可能处于 随机运动中，即使发射机和接收机保持固定，但是由于无线信道的开放性，它们之间还可 能存在其它无法预测的障碍物和移动物体。所有这些因素都会造成收发信号之间很大的差 异，对无线信道进行充分的研究是构建通信系统及后继复杂的信号处理技术的基础。 无线信道具有很多自身的特性，深刻理解其特点是研究各种无线移动通信技术的前 提。对无线信道进行精确建模，直接决定了能否在构建通信系统的可靠性和有效性，无线 信道测量和建模一直是学术和工程领域所关心的焦点问题。 本章将首先对o f d m 系统进行简要介绍，给出其基本原理和基本数学模型。其次， 一般来说可以把信道模型分成两个部分：大尺度传播模型和小尺度衰落模型。在无线通信 系统的算法设计中起主导作用的是小尺度衰落模型，本章将重点介绍经典的衰落信道模 型，为以后章节提供工作基础。 2 2o f d m 系统模型 2 2 1o f d m 基本原理 以乱表示第k 个子载波上传输的经过调制之后的信号，其符号持续时间为t ，信号的 起始时刻为t 。，对于含有c 个子载波的0 f d m 系统，发送信号在一个符号持续时间t 内的 复基带表达式为 5 7 ： 删：笠1 exp(j2刀-叁(t-t,sk+l。t2exp j 2 ) 1 工，i s i 对接收信号的影响可以通过如下表达式反映： r ( h ) = h o x ( 哟+ h 】x ( n 1 ) + i i ( 抑) ( 2 5 ) 其中i i 0 ) 是白高斯噪声矢量，h 。和h ，均为 r 矩阵，h 。反应了当前段内信号的相 互影响，h ，则反应了前一段内的信号对当前段内信号的影响，h 。和h ，可具体表示为： h o = 矗( 0 ) ： 五( 工) ： 0 0 矗( 0 ) ，- 0 0 ： 0 矗( o ) ，h ，= 而( 工) o o 分块传输是o f d m 技术中消除i s i 的关键技术之一，目前正被许多无线传输系统所 借鉴1 5 9 ，6 0 。事实上，o f d m 系统能够完全消除i s l 这一结论是针对式( 2 3 ) 中的调制 信号j ( 向来说的，对进入信道之前的信号x ( ) 来说，只要多径信道存在，i s i 就不可能消 失，分块传输技术所做的只不过是消除了信号x ( ) 的“块间干扰”1 1 3 i 。 首先，将发送信号序列x b ) 分为长度为n c 的小段，第n 段由x ( n ) 表示，x ( n ) = i x ( n n c ) ， x ( n n c + 1 ) ，x ( n n c + n c 1 ) 】t ，由于i b i 的影响全部来自前一数据段x ( n 一1 ) 1 匀1 最后工个符 号，因此在分段之后，从每段的尾部复制长度为云的一段 x ( n n c 一云) ，x ( n n c + n c 一1 ) i t ， ，称为c p 或保护间隔。将c p 添加到x ( n ) 的前端，形成长度为n s = n c + 三的一段新 的数据，用i b ) 表示。图2 2 所示为添加c p 过程的示意图，该过程用数学形式可以表达 为i 0 ) = t c ，x 0 ) ，其中k = ：。心i j 。j ，称为c p 添加矩阵，i l x 心是单位阵i 坼的最后l 行。 i ( ”) 称为一个完整的o f d m 数据块或符号块，简称o f d m 块。o f d m 系统的数据就是以 这种块为单位传输的，故称为分块传输。传输一个块所需要的时间称为一个o f d m 符号 ，=_l川ll 7。 o o 一弛 第二章o f d m 系统发无线袭落信道模型 持续时l 日j 兀，其中c p 的时间为t c p ，t s = t + t o p 。 。，、 c p h 三 i r - n r 图2 - 2 添加c p 过程的示意图 数据块熏0 ) 前后相继，串行经过多径信道到达接收端，接收端对接收数据也是以长度 为s 的块为单位进行处理。在去掉块前端的冗余c p 之后，块内剩余数据的i s i 均来自x ( n ) 内部，与x ( n 一1 ) 再无关系，从而消除了i b i ，该过程的数学表达式为： r i n ) = r c p ( h o i ( h ) + h 1 i ( 玎一1 ) ) + i i ( 筇) = r c