（通信与信息系统专业论文）lte上行链路scfdma系统信道估计与iq不平衡补偿算法.pdf

摘要 摘要 随着通信技术的发展，用户对无线通信系统中的数据传输速率有了更高的要求， 在这种情况下，3 g p p 组织提出了长期演进( l t e ) 系统来满足用户的需求。l t e 下行 链路采用的是o f d m 技术，其对频率选择性衰落不敏感，能有效抑制符号间干扰( i s i ) ， 并具有很高的频谱利用率。然而，o f d m 信号峰值平均功率比( p a p r ) 较高，不适用于 上行链路。单载波频分多址接入( s c f d m a ) 技术是o f d m 技术和单载波频域均衡 ( s c f d e ) 技术的结合，它的性能和复杂度与o f d m 技术基本相同。与o f d m 相比， s c f d m a 的一个突出优势是具有较低的p a p r ，因此，s c f d m a 被选为l t e 上行链 路的多址接入技术。 由于无线信道具有很大的随机性，而无线通信系统的性能又直接受到无线信道的 影响，为了能在接收端准确的恢复发射端的发送信号，我们要知道无线信道的一些信 息，这就需要在接收信息时，对信道的参数进行估计。另外一方面，由于信号在调制 的过程中容易引入i q 不平衡，i q 不平衡对s c f d m a 系统的性能有很大的影响，因 此，对l t e 上行链路s c f d m a 系统进行信道估计算法和i q 不平衡补偿算法的研究 是一项有重要意义的工作。 本文首先介绍了s c f d m a 的传输原理，阐述了无线信道的基本模型。其次，在对 基于s c f d m a 系统的信道估计算法的研究上，先是分别描述了在s i s o 场景中和m i m o 场景中，l s 信道估计算法在s c f d m a 系统中的实现流程，且在m i m o 场景中，专门设 计了一种算法来分离多天线信号。然后又提出了一种m m s e 的改进算法，其思想是利 用一个优化的导频结构以及d f t 矩阵变换的性质，来降低m m s e 算法的复杂度，仿真 结构表明，改进的m m s e 算法有较低的计算复杂度和良好的估计性能。在对基于 s c f d m a 系统的i q 不平衡补偿算法的研究上，本文首先分析y i q 不平衡对系统性能 的影响，接着介绍了一种自适应均衡的方法，但是其不太适合在频率选择性信道下应 用，然后提出了一种时域估计补偿算法，仿真结果表明，该算法无论在a w g n 信道还 是多径衰落信道下都具有良好的性能，且实现复杂度低。 关键词：l t e ；s c f d m a ；信道估计：i q 不平衡 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m t m i c a t i o nt e c h n o l o g y , u s e r sh a v eh i g h e rr e q u i r e m e n t s f o rt h er a t eo fd a t at r a n s m i s s i o ni naw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，i nt h i sc a s e ，3 g p p p r o p o s e dl o n gt e r me v o l u t i o n ( l t e ) s y s t e m o f d mt e c h n o l o g y i s a d o p t e db yl t e d o w n i n k o f d mu s et h eo r t h o g o n a lc a r r i e rt e c h n o l o g ya n di ti sn o ts e n s i t i v et ot h e f r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g ，c a l ls u p p r e s si s ie f f e c t i v e l ya n dh a sh i g hs p e c t r a le f f i c i e n c y h o w e v e r , o f d mh a sh i 曲p a p r ；i td o e sn o ta p p l yt ot h eu p l i n k s c - f d m as y s t e mi st h e c o m b i n a t i o no fo f d ma n ds c f d e ；i th a st h es a m ep e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t y 、析n l o f d mt e c h n o l o g yb a s i c a l l y c o m p a r e d 、丽t 1 1o f d m ，ap r o m i n e n ta d v a n t a g eo fs c f d m a i sl o w e rp a p r t h e r e f o r e ，t h es c - f d m ai ss e l e c t e d 嬲l t eu p l i n k m u l t i p l ea c c e s s t e c h n o l o g y s i n c et h ew i r e l e s sc h a n n e li sr a n d o m ，t h ep e r f o r m a n c e so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m sa r ea f f e c t e db yt h ei m p a c to fw i r e l e s sc h a n n e l i no r d e rt oa c c u r a t er e c o v e r t h es e n d s i g n a l s ；w ew a n tt ok n o ws o m ei n f o r m a t i o no ft h e w i r e l e s sc h a n n e lt oe s t i m a t et h e p a r a m e t e r so ft h ec h a n n e l o nt h eo t h e rh a n d ，t h es i g n a li nt h em o d u l a t i o np r o c e s sw i l lb r i n g t h ev qi m b a l a n c e ，a n dv qi m b a l a n c eh a sag r e a ti n f l u e n c et ot h ep e r f o r m a n c eo ft h e s c - f d m as y s t e m t h e r e f o r e ，t or e s e a r c ht h el t eu p l i n ks y s t e mc h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h ma n dv qi m b a l a n c ec o m p e n s a t i o na l g o r i t h mi sv e r ys i g n i f i c a n t t l l i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h es c - f d m at r a n s m i s s i o np r i n c i p l ea n de x p o u n d st h eb a s i c m o d e lo ft h ew i r e l e s sc h a n n e l a b o u tt h ec h a n n e le s t i m a t i o nf o rs c - f d m as y s t e m ，t h e p a p e rd e c r y p t st h ep r o c e s so f l sa l g o r i t h ma c h i e v i n gi ns c - f d m as y s t e mi nt h es i s oa n d m i m o s c e n e p a r t i c u l a r l yi nt h em i m os c e n e ，t h ep a p e rd e s i g n sa na l g o r i t h mt os e p a r a t et h e m u l t i a n t e n n as i g n a l s t h e n , t h ep a p e rp r o p o s e sa ni m p r o v e dm m s ea l g o r i t h m ；t h i s a l g o r i t h mu s e sa l lo p t i m i z e dp i l o ts t r u c t u r ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed f tm a t r i xt o r e d u c et h ec o m p l e x i t yo ft h em m s ea l g o r i t h m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e d m m s ea l g o r i t h mh a sg o o dp e r f o r m a n c ea n dl o wc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y a b o u tv q i m b a l a n c ec o m p e n s a t i o na l g o r i t h m ，t h ep a p e rf i r s ta n a l y z e st h ei m p a c to ft h ev qi m b a l a n c e t os y s t e mp e r f o r m a n c e t h e n , i n t r o d u c e sa l la d a p t i v ee q u a l i z a t i o na l g o r i t h m , b u ti ti sn o tf i t t ot h ef r e q u e n c ys e l e c t i v ec h a n n e l f i n a l l yas i m p l i f i e dt i m e - d o m a i ne s t i m a t i o na n d c o m p e n s a t i o na l g o r i t h mi sp 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 tw h a t e v e ri na w g n c h a n n e lo rm u l t i - p a t hf a d i n gc h a n n e l ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h mh a sg o o dp e r f o r m a n c ea n dl o w c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y n k e yw o r d s ：l t e ；s c f d m a ；c h a n n e le s t i m a t i o n ；x qi m b a l a n c e 1 1 1 广东工业大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t l c o n t e n t s c h a p t e r1 呵t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n d 1 1 2b 3 g 4 gs i g n i f i c a n tt e c h n o l o g y 2 1 2 1o f d m t e c h n o l o g y 2 1 2 2m i m o t e c h n o l o g y 3 1 2 3p a c k e ts w i t c h i n gw i r e l e s si n t e r f a c e 4 1 2 4c a p a b i l i t yo fu e 4 1 3r e s e a r c hs t a t u s 5 1 4m a i nw 6 r ki nt 1 1 i sd i s s e r a t a t i o n 7 c h a p t e r2i j eu p l i n ka n dw 冱l e s sc h a n n e lm o d e l 9 2 1o f d mt e c h n o l o g y 9 2 1 1t h eb a s i cp r i n c i p l e so fo f d m 9 2 1 2f e a t u r e sa n ds h o r t c o m i n g so fo f d m 1 2 2 2t h eb a s i cp r i n c i p l e so fs c - f d n l a t e c h n o l o g y 。1 3 2 2 1t h eb a s i cp r i n c i p l e so fs c - f d m a 13 2 2 2f r a m es t r u c t u r e 15 2 2 3t h er e f e r e n c es i g n a lo fs c - f d m a 16 2 2 4l r e u p l i n ku s e rd a t et r a n s m i s s i o n 17 2 3 1 ，i 】e l e s sc h a n n e lm o d e l 19 c h m t e r3c h a 卜眦le s t i n i a t i o na l g o r j t h mf o rl r eu p l n q k 2 2 3 1e x i s t i n gc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m 2 2 3 1 1c l a s s i f i c a t i o no fp i l o t 一2 2 3 1 2l sc h a n n c le s t i m a t i o na l g o r i t h m 2 6 3 1 3m m s ec h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m 2 8 3 2l sc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m a c h i e v i n go nt h el r eu p l i n k 3 0 3 3a i m p r o v e dm m s ec h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mf o rl 1 忑u p l i n k 3 3 3 3 1s c - f d m as y s t e mm o d e lb a s e do np i l o t - a s s i s t e d 3 3 3 3 2d f ta n di d f tm a t r i xt r a n s f o w i n 3 5 3 3 3a i m p r o v e dm m s ec h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m 3 6 3 3 4s i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i s 3 7 c h a p t e r4i qi m b a l a n c ec o m p e n s a t i o nf o rl t eu p l i n k 4 2 4 1n e i m p a c to fi qi m b a l a n c e 4 2 4 2a d a p t i v ee q u a l i z a t i o na l g o r i t h m 4 3 4 3t i m e - d o m a i ne s t i m a t i o na n dc o m p e n s a t i o na l g o r i t h m 4 4 4 4s i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i s 4 7 c o n c l u s i o na n de x p e c l j a t i o n 4 9 c o n c l u s i o n 4 9 e x p e c t a t i o n 5 0 r e f e r e n c e 51 a c a d e m i cp a p e rd u r i n gt h e 【a s t e rp e i u o d 5 5 o i u g i n a l i t ys 仉盯e m e n t 5 6 a u t h o 对z a t i o ns t a t e m e n to fd i s s e r t a t i o n sc o p y g h t 5 6 t h a n k s 。5 7 v 玎 第一章绪论 1 1 论文的研究背景 第一章绪论 随着全球微波接入互操作( w i m a x ，w o r l di n t e r o p e r a b i l i t ym i c r o w a v ea c c e s s ) 技 术的迅猛发张，2 0 0 4 年年底，第三代合作伙伴计划( 3 g p p ，3 川g e n e r a t i o np a r t n e r s h i p v r o j e c t ) 组织为了更好的与w i m a x 进行竞争，发起了通用移动通信系统( u m t s ， u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 的长期演进( l t e ，l o n gt e r me v o l u t i o n ) 项目的开发。它与3 g p p 2 所发起的移动超宽带( u m b ，u l t r am o b i l eb r o a d b a n d ) 技术 被合称为3 g 演进( e 3 g ，e v o l v e d3 g ) 技术。由于其已经具备了4 g 的相关特征，所以 有的学者也将这些技术看作是“准4 g 技术【l 】。 为了能和可以支持2 0 m h z 带宽的w i m a x 技术相抗衡，l t e 也必须将最大系统带宽 从5 m h z 扩展到2 0 m h z 。为此，3 g p p 不得不放弃长期采用的码分多址( c d m a ) 技术， ( c d m a 技术在实现5 m h z 以上大带宽时复杂度过高) ，选用新的核心传输技术，及 o f d m f d m a 技术。在无线接入网( r a n ) 结构层面，为了降低用户面延迟，l t e 取 消了重要的网元一无线网络控制器( i c ) 。在整体系统构架方面，和l t e 相对应的的 系统框架演进( s y s t e ma r c h i t e c t u r ee v o l u t i o n ，s a e ) 项目则推出了崭新的演进型分组 系统( e v o l v e dp a c k e ts y s t e m ，e p s ) 架构。以l t e s a e 为标志的这次“革命”使系统 不可避免的丧失了大部分和3 g 系统的后向兼容性。也就是说，l t e 系统虽然可以部署 于3 g ( 即i m t 2 0 0 0 ，国际移动通信2 0 0 0 ) 的现有频谱，但从网络侧和终端侧都要大规 模的更新换代【2 】。因此，很多公司实际上将l t e 看做b 3 g 技术范畴。 3 g p p 对l t e 系统的需求指标进行了定义1 3 j ，概括如下： 峰值数据速率。在最大2 0 m h z 下，下行的峰值瞬时数据速率可达1 0 0 m b i t s ( 频谱 效率为5 b i t s h z ) ，上行瞬时峰值数据速率达到5 0 m b i t s ( 频谱效率为2 5 b i t s h z ) 。 控制平面延时。激活驻留状态的时间延迟要小于1 0 0 m s 。 控制面容量。在5 m h z 的系统带宽下，每个小区最少可以支持2 0 0 个用户。 用户面延时。在小i p 分组、数据流量较少、只有一个用户、负荷为零的条件下时 延小于5 m s 。 用户吞吐量。与r 6h s d p a 相比，l t e 下行链路的用户吞吐量为其3 4 倍，上行链 广东工业大学硕士学位论文 路的用户吞吐量是它的2 3 倍。 移动性。0 - - 1 5 k m m 氐速移动下实现高的系统系能、1 5 1 2 0 k m h 高速移动性实现较 好的通话质量，在1 2 0 - - 3 5 0 k m h 下能够保持网络移动性。 覆盖。吞吐量和移动性等指标在半径5 k m 以下的小区中应实现高性能，在半径3 0 k m 的小区中性能可能有所下降，但下降幅度不多，最大支持为1 0 0 k i n 的小区。 增强的e m b m s ( 增强型多媒体广播组播业务) 。e m b m s 与单播采用相同的调制 编码方法以及多址方方式，这样做是为了降低系统复杂度。同时增强的e m b m s 可向用 户提供m b m s 业务；可以支持成对和非成对频谱。 频谱灵活性。支持不同的频带大小，频带范围为1 2 5 2 0 m h z ，支持成对和非成对 频谱，以及不同频段之间的整合。 与3 g p p 无线其它接入技术保持共存与互操作性。与相邻的g e r a n u t r a n 系统可 以共站址，e u t r a n 的终端能够测量g e r a n u t r a n ，且其可以支持e u t r a n 和 g e r a n u t r a n 之间的切换。e u t r a n 与g e r a n u t r a n 之间关于实时业务的切换中 断时间延迟应该小于3 0 0 m s 。 系统架构演进。基于分组的e u t r a n 系统架构支持会话业务以及实时业务，同时 也支持端到端q o s 。 复杂度。尽可能的降低终端功耗，减少终端的复杂度和成本。 1 2b 3 g 4 g 主要技术 1 2 1 正交频分复用技术 经过长期的、艰苦的讨论，2 0 0 5 年1 2 月，3 g p p 正式决定：l t e 下行选用正交频分 复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e ，o f d m ) 技术：上行选用单载波频分复用 ( s i n g l e c a r t i e rf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，s c - f d m a ) 技术。o f d m 采用的是多 载波技术，s c f d m a 采用的是单载波技术，但两者之间是具有很大程度公共性的。 o f d m 技术的主要思想是将信道分成许多个相互正交的子信道，在每个子信道上 进行窄带调制和传输，这样既减少了子信道之间的干扰，又同时提高了频谱效率1 4 j 。由 于每个子信道的带宽小于无线信道的相关带宽，因此，对于每个子信道而言，它们是 平坦衰落信道，这样就可以大大减少符号间干扰。各个子信道的的正交调制可以通过 2 第一章绪论 逆快速傅立叶变换( i f f t ，i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 和快速傅立叶变换( f f t ， f a s tf o u r i e rt r a n s f o i t n ) 的方法来实现。通过大规模集成电路来实现i f f t 和f f t 是非常 容易的，这样便可以大大降低系统的复杂度。 但是，由于o f d m 信号的p a p r 过高，这是u e 侧的发射机所不能容忍的，因为需要 在输出功率、功率放大器成本和功耗之间进行合理的折中。s c f d m a 是一种与o f d m 有许多相似之处的复用技术，其最大的相似之处是频域的灵活性及在每个发送符号的 开始都插入了保护间隔，这样接收端就能够实现低复杂度的频域均衡【5 】。而且， s c f d m a 技术拥有相当低的p a p r ，这是其被选定为l t e 系统上行多址方式的重要原因 之一，s c f d m a 既利用了多载波技术的优点，同时又避免了移动终端发射机成本过高 的问题，并且使上、下行多址技术保持了最大程度的公共性。 1 2 2 多输入多输出技术 l t er e l e a s e8 标准支持传输分集中的多天线操作，也支持4 层空分复用中的多天线 操作。多输入多输出( m i m o ) 信号具备有效处理多多径干扰的能力，因为其采用了 两种方法来改善通信系统：第一种是分集接收方法，第二种是空间复用方法。我们知 道发射天线和接收天线之间存在多条路径，分集接收就是通过利用多径信号来增强无 线通信的健壮性，以此来改善无线通信系统的误码率( b e r ) 。在利用分集接收的时候， 我们需要对发射天线之间的信号干扰进行研究，这就需要利用空时编码来抗信号间干 扰。这里，我们给出分集阶数的概念，分集阶数就是误码率对信噪比的斜率。举个例 子，一个m i m o 系统，假设其有m ，根接收天线和m ，根发送天线，其分集阶数可以通 过空时编码达到m ，m ，1 6 j 。 另一种技术是空间复用机制，一个m i m o 系统，其系统性能的增益来自多径信道， 这就表示空间复用。在l t e 中，支持空间复用的m i m o 模式包括开环空分复用和闭环空 分复用。开环空分复用：u e 可以报告等级指示( 础) ，不存在预编码反馈，基于， 基站调度器可以选择空分复用所使用的层数。当等级为1 时，采用发射分集；当等级较 高时，采用具有确定性预编码的循环延迟分集( c d d ) 。闭环空分复用：u e 既可以报 告对，也可以报告首选预编码矩阵编码，基站端支持动态等级适配，它可以将所用的 预编码矢量发送到处于下行链路许可状态的u e 处。 3 广东工业大学硕士学位论文 1 2 3 分组交换无线接口 l t e 系统所采用的交换协议是分组交换协议，而不是以前的系统中通用的面向连 接的电路交换协议。在l t e 中，分组交换原理在协议栈的所有层中都有应用到。 由于h s d p a 技术在无线接口中已经实现了快速分组调度，h s d p a 技术使短数据 包传输的持续时间和快衰落信道的相干时间有相同量纲。这需要根据当前的传播条件 使物理层配置和由链路层协议实现的资源管理达到联合最优。h s d p a 在这方面使最低 两层协议栈之间紧密耦合，即介质访问控制层( m a c ) 和物理层。在h s d p a 技术中， 这种耦合已经包括了如信道状态的快速反馈、动态链路适配、通过调度扩展多用户分 集以及快速重传协议等特征。 在l t e 中，为改善系统的时延，数据包传输时间将h s d p a 中的2 m s 缩短为l m s 。 新的频率和空间维度，再加上缩短了的数据传输时间，这样就扩展了m a c 层和物理层 之间跨层领域的技术，包括：调制和编码的链路自适应；m i m o 配置的自适应；频域 和空间资源的自适应调度；快速信道状态报告的若干模式1 7 j 。 1 2 4 用户设备能力 上文我们介绍了关于b 3 g 4 g 通信系统中的几种关键技术，如果充分利用这些技 术，l t e 终端，也就是用户设备( u e ) ，将有可能得到超过设定的峰值传输速率和频谱 效率的性能。然后在实践中我们要认识到移动终端市场的广泛性和多样性。因此，l t e 又必要支持具有不同能力的各类终端以满足不同市场需求，一般而言，不同市场类别 对如峰值传输速率、终端大小、成本和电池寿命等秀气方面重视程度不一样。一些典 型的权衡包括以下内容： 1 、支持的最高数据传输率是一些应用成功的关键，但是这需要大量的内存用于数 据处理，从而增加了终端成本。 2 、可嵌入大型设备的用户设备如笔记本电脑等，对功耗和可用天线数量往往没有 明显的限制条件，另一方面，其他市场类别需要超薄型手持终端，这几乎没有为多天 线或大型电池组的嵌入留空间吲。 所能支持的终端类别越广泛，终端能力和特定市场类别需求之间越匹配。然而支 持多种终端类别也有缺点，如每个终端通知网络其能力的信令开销增加，规模效益损 4 第一章绪论 失带来的成本提高，以及许多不同的配置间互操作性测试的复杂度增加。 1 3 国内外研究现状 由于无线信道具有很大的随机性，而无线通信系统的性能又直接受到无线信道的 影响，为了能在接收端准确的恢复发射端的发送信号，我们要知道无线信道的一些信 息，这就需要在接收信息时，对信道的参数进行估计。另外一方面，由于信号在调制 的过程中，会分别与相位为0 和相位为9 0 的正弦波相乘，获得i 和q 两路信号，而在 这个过程中，很容易引入i q 不平衡，而i q 不平衡对s c f d m a 系统的性能有很大的 影响，因此，对l t e 上行链路信道估计和i q 不平衡补偿算法的研究是一项有重要意 义的工作。 目前，国内外对信道估计的研究大致可分为以下三种方法：一，基于参考信号的 估计。该类算法借助参考信号，然后按一定估计准则先估计出参考信号位置处的估计 值，然后采用插值算法得到数据信号位置处的估计值。二，盲估计。盲估计不需要借 助其他参考信号，其根据信号本身所具有的一些特征，然后利用判决反馈的方法得到 信道的反馈信息，以此才进行信道估计。三，半盲估计。此类算法结合了基于参考信 号估计和盲估计两种方法的优点来进行信道估计。从算法上来分析，盲估计和半盲估 计方法的计算复杂度较高，并且在估计的过程有可能会出现误差传播或相位模糊等问 题，因此，这两种估计方法的实用性不是很高【9 】。本文研究的就是基于导频符号的l t e 上行链路信道估计算法。 目前从检索国内外研究文献来看，对o f d m 系统信道估计算法的研究比较成熟， 而在s c f d m a 系统信道估计算法的研究上还比较少，研究方向主要集中在对导频的 设计以及对传统信道估计算法的改进上，以下是近年来提出的一些关于s c f d m a 系 统信道估计的算法。其中： d a e h o n gl e e 等人针对s c f d m a 信道质量( c q ) 估计，提出了一种新的导频映 射方法，其把码分复用( c d m ) 和频分复用( f d m ) 相结合起来，仿真结果表明此方 案比传统的仅靠c d m 的估计方法性能要好【l o l 。 k a r a k a y ab 等人针对l t e 上行链路在高速多普勒频移的环境中，首先通过l s 信 道估计算法得到导频处的信道信息，然后提出了一种自适应多项式拟合的内插算法得 到数据位置的信道信息】。 5 广东工业大学硕士学位论文 t i n gl i ，w e n j i nw a n g 等人提出了一种基于m m s e 准则的最优s i s o 检测的t u r b o 均衡方法，相比于传统的t u r b o 均衡器，其并没有增强计算复杂度，并提高了系统性 能。仿真结果表明此方案为t u r b o 接收机带来了o 8 1 0 d b 的增益【1 2 】。 m e i l iz h o u 等人提出了一种在d c t 域基于l m m s e 准则的最优信道估计方法，其 假设只有两个用户同时在相同频段内传输，通过此方法可以在d c t 域完全分离出各个 用户的信道响应，以此提高了信道估计的精确度【l 3 1 。 h o ux i a o l i n 等人针对于l t e a d v a n c e dm i m o 系统的上行链路，设计了一种基于频 域码分多址( f d c d m ) d m r s 方法，其能够降低多天线之间的干扰，并后向兼容u e 上行链路，仿真结果表明此方法提高了l t e a 和l t e 上行链路信道估计的精确度【l 4 1 。 r g t l l am m 针对l t e 上行链路s c f d m a 系统，比较了最小二乘估计( l s ) 和线性最 小均方误差估计( l m m s e ) 的性能以及复杂性，仿真结果表明l m m s e 算法性能要优 于l s 算法【”】。此外，他还提出了一种基于回归最小二乘法( r l s ) 的信道估计算法， 并且通过仿真比较了其在5 0 0 h z 和1 5 k h z 的多普勒频移下的b e r 和m s e 阍。 s h i h c h a nh u a n g 等人介绍了两种基于块状导频的信道估计算法一频域最小二乘 估计( f d l s ) 和频域线性最小均方误差估计( f d l m m s e ) 。同时，其在估计算法中提 出了一个能够有效降低符号间干扰的滑动窗的概念【r 7 1 。 h u a n gg 等人针对l t e 上行链路s c f d m a 系统，提出了降噪信道估计算法和近似 线性最小均方误差估计( a l m m s e ) 算法，并提出了一种改进的a l m m s e 算法，及 基于d f t 的噪声方差窗口估计算法 1 5 1 。 归纳目前国内外学者基于l t e 上行链路s c f d m a 系统对信道估计的研究，可以 总结为：第一，对l s 算法和m m s e 算法等传统的信道估计算法进行改进，以便更加 精确的获得导频位置处的信道信息：第二，在获得导频位置处的信道信息后，通过改 进传统的插值算法，更加精确的获得数据位置处的信道信息；第三，设计导频结构， 以提高信道估计的性能。 在i q 不平衡补偿方法的研究上，现在国内外对l t e 下行链路o f d m 系统研究的比 较多也比较成熟，比较常用的是在o f d m 系统q b i q 不平衡的自适应补偿算法【1 9 - 2 2 1 ，此 类算法需要大量的训练序列以及迭代运算，虽然自适应算法在a w g n 信道下有良好的 补偿性能，但是其不太合适应用于频率选择性信道：t a r i g h a t 通过设计一种特殊的双导 频信号，来补偿i q 不平衡对o f d m 系统的影响，但是该方法在时变信道下的补偿性能 较差f z 3 】。k i r k l a n d 也是通过设计双导频信号来估计和补偿i q 不平衡，此方法的补偿性 6 第一辛绪论 能由导频间距来决定【2 4 1 。y o s h i m a s a 改进t k i r k l a n d 的算法，使其对i q 不平衡的估计和补 偿性能不再依赖导频间距，但是却需要两个o f d m 符号来参与估计，降低了系统的频 谱效掣巧j 。刘元提出的算法是：先在时域中用一个长训序列对i q 不平衡进行预补偿， 然后在频域中利用一个o f d m 符号来估计和补偿残余的v q 不平衡，仿真结果表明此方 法对o f d m 系统有非常好的补偿性能【2 6 】。然而以上都是基：j ：o f d m 系统的i q 不平衡补 偿方法研究，现在国内外对l t e 上行链路s c f d m a 系统i q 不平衡补偿方法的研究还非 常少，检索国内外研究文献，只有：y o s h i d a , y 等人针对o f d m 和s c f d m a 系统关于发 射机的i q 不平衡问题，提出了联合信道均衡和多用户检测的方法，并设计了一种新的 子载波分配方案来抑制由于发射机的v q 不平衡所造成的用户间干扰问题【2 7 1 。r u il i u 等 人针对l t e 上行链路发射机的i q 不平衡问题，提出了两种改进的t u r b o 均衡方法。一种 是基于m m s e 准则的最优联合线性t u r b o 均衡方案，另一种是在只有一个用户占据整个 子载波的特殊情况下，一种最优的广义线性m m s et u r b o 均衡方案。相比于传统的t u r b o 均衡方法，改进的方法抗干扰性更好，只是增加了少量的计算复杂度【2 引。 由于目前国内外对于l t e 上行链路s c f d m a 系统i q 不平衡补偿研究甚少，笔者认 为可以借鉴o f d m 系统中i q 不平衡补偿方法，结合l t e 上行链路的自身特点，提出新 的l t e 上行链路s c f d m a 系统i q 不平衡补偿算法。 1 4 本文主要工作 本文主要研究o f d m 和s c f d m a 系统信道估计算法，全文安排如下： 第一章绪论，首先介绍了论文的研究背景，阐述了l t e 系统的性能需求和目标，并 介绍了l t e 系统的关键技术，包括正交频分复用技术，多输入多输出技术及分组无线交 换接口，并对信道估计算法和i q 不平衡补偿算法的国内外研究现状进行了介绍和分 析。 第二章先简单介绍了o f d m 技术的基本原理，分析了o f d m 技术的特点与不足，然 后介绍了s c f d m a 的传输原理，帧结构、参考信号以及l t e 上行链路用户数据的传输， 并阐述了无线信道的基本模型。 第三章是对基于s c f d m a 系统的信道估计算法的研究，首先介绍了两种常用的信 道估计算法，l s 算法和m m s e 算法，并给出了其推导过程，分析了两种算法各自的优 缺点，然后分别研究了在s i s o 场景中和m i m o 场景中，l s 信道估计算法在s c f d m a 系 7 广东_ y - , a k 大学硕士学位论文 统中的实现流程，并且在m i m o 场景中，专门设计了一种算法来分离多天线信号。然 后又提出了一种m m s e 的改进算法，其思想是利用一个优化的导频结构以及d f t 矩阵 变换的性质，来降低m m s e 算法的复杂度，最后通过仿真表明，改进的m m s e 算法有 较低的计算复杂度和良好的估计性能。 第四章对基于s c f d m a 系统的i q 不平衡补偿算法的研究，首先分析t v q 不平衡 对系统性能的影响，接着介绍了一种自适应均衡器的方法，但是其不太适合在频率选 择性信道下应用，然后提出了一种时域估计补偿算法，仿真结果表明，该算法无论在 a w g n 信道还是多径衰落信道下都具有良好的性能，且实现复杂度低。 最后对全文的工作进行了总结，并展望了对下一步的研究工作。 8 第二章l t e 上行系统简介和无线信道模型 2 1o f d m 技术 l t e 采用s c - f d m a 技术作为其上行链路的多址接入方式，而s c f d m a 技术是以 o f d m