（电子科学与技术专业论文）ofdmmimoofdm系统中载波频偏估计和相位噪声抑制技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博+ 学位论文 论文重点分析了m i m 0 o f d m 系统在p h n 影响下的性能，通过合理近似，给出 了不同基带调制方式下b e r 性能的闭环表达公式，对于实际m i m o o f d m 系统 设计实现中p h n 抑制方法的选择提供了简单直观的依据。 6 、m i m o o f d m 系统的p h n 抑制目前还只针对共同相位误差( c p e ) 进行抑制。 由于忽略i c i 的影响，c p e 抑制对系统性能改善并不明显。为进一步提高p h n 抑 制性能，在v b l a s t 结构的系统模型下，论文将o f d m 系统基于m l 的i c i 抑 制算法扩展到m i m o o f d m 系统。与单纯进行c p e 补偿的方法相比，所提算法对 m i m o o f d m 系统p h n 抑制性能有较大提升。 主题词：正交频分复用( o f d m ) ，多输入多输出( m i m o ) 载波频偏( c f o ) ， 相位噪声( p h n ) ，载波间干扰( i c i ) ，共同相位误差( c p e ) 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t o n h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g( o f d m ) a n d m u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u to f d m ( m i m o 一0 f d m ) i sap r o m i s i n gt e c h l l i q u e f o rb r o a d b a n d 诵r e l e s sc o m m u m c a t i o nc u r r e n t l y h o w e v e r ，o n eo ft h em a i nd r a 、v b a c k so fo f d ma n d m i m o o f d mi st h a ti ti sl l i g m ys e n s i t i v et oc a 盯i e r6 e q u e n c yo f f s e t ( c f o ) a i l dp h a s e n o i s e ( p h n ) i ti sas i g n i f i c a n tc h a l l e n g et os u p p r e s st h ee f f e c to fc f oa n dp h ni n i m p l e m e n t a t i o no fo f d ma n dm i m o - o f d ms y s t e m s t t l i sd i s s e n a t i o nf o c u s e so n c f 0e s t i m a t i o na n dp h nm i t i g a t i o nm e t h o d sf o ri m p l e m e n t a t i o no fo f d ma 1 1 d m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ( m i m o ) o f d ms y s t e m s t h em a i nc o m r i b u t i o n so ft h e d i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 ab l i n dc f 0e s t i m a t i o na l g o r i t h m 、) ，i ml o wc o m p l e x i t yw a sp r o p o s c df o ro f d m i i l q u a s i s t a t i cm u l t i p a t hc h a n n e l t h ei i k e l i h o o d 劬c t i o no f c f o 、v a se x t m c t e d 舶m s i 粤l a lc o v 撕a n c em 砌c e si i l 丘e q u e n c yd o m a i l l ，w l l i c hc o u l dg a v ea c c 删ec f o e s t i n l a t i o n ac l o s e d f o ms o l u t i o nc o u l db em 撕p u l a t e d 谢mp r o p o s e da l g o r i t h m ，s oi t 、v 硒c o m p u t a t i o n a le m c i e n t 2 ad e c i s i o nd i r e c t e d ( d d ) j o i n tc f oa l l dc h 籼e le s t i m a t o rw 嬲p r o p o s e df o r o f d ms y s t e mi nt i m e - v a r i 锄t m u l t i p a t l l c h a i m e l b a s e do n s p a c e a j t e m a t i i l g g e n e r a l i z e de x p e c t a t i o n - m a x h i z a t i o n( e m )a l g o r i t h m ， c f oa n dc h 锄e ls t a t e i n f o 肌a t i o nw e r ee s t i m a t e di t e r a t i v e l y f u r t h e 锄o r e ，ac l o s e - f o r ms o l u t i o nf o rc f o u p d a t i n g 、v a sd e r i v e db ya p p r o x i n l a t i o n 3 i i lq u 捌- s t a t i cm u l t i p a t hc h a n i l e l ，a ni t e r a t i v ei n t e r c a r r i e rm 疵r e n c e ( i c i ) m i t i g a t i o na l g o r i t l lb a s e do nd e c i s i o nd a _ c aw a sp r o p o s e df o ro f d ms y s t e mw i t l lp h n b yu s i n gh u b e rf i l t e r ，t h ec o n v e n t i o n a lm a x i m u i i ll i k e l i h o o df e e d b a c km n c t i o ni i l i t e r a t i o nw 褐r e f o 咖e d ，w m c hc o u l ds u p p r e s st h ep e r f o n n 舡1 c ei 1 1 1 p a j 皿e n td u et 0 d e c i s i o ne n 0 r s oi c ie s t i m a t i o nb e c 锄em o r ea c c 哪t ea i l dp h n m i t i g a t i o nh a sb e 他r p e r f o n l l a n c e t or e d u c ec o m p l e x i t ) ri ni c im i t i g a t i o nb a s e do nm l 嘶t e r i o n ，a m 句o r i z a t i o nm i n i m i z e ( m m ) i t e r a t i v ea l g o r i t h mf o ri c im i t i g a t i o n 、v a sd e r i v e d b y r e p l a c i n gm lc o s tf u n c t i o nf o ri c ie s t i m a t i o n 而t l ls u r r o g a t e 如n c t i o n ，w h i c hi st h e m 匈o r i z a t i o n 缸1 c t i o no ft h em lc o s t 血n c t i o n ，t h ep r o p o s e dp h nm i t i g a t i o nr e d u c e d o r d e r so fm 撕xt ob ei n v e r t e da n di m sal o 、e rc o m p l e x i t yt h a i ln 圮c o n v e n t i o n a lm l p h n m i t i g a t i o n 4 f o c u so nv - b l a s ts p a c ed i v e r s 时m u l t i p l e x i n gm o d e li nm i m o o f d m s y s t e m s ，ab l i n dc f o e s t i m a t o rw a sd e r i v e db a s e do nt h es u b s p a c ep r o j e c t i o na p p r o a c h i 1 1q u a s i s t a t i cm u l t i p a t hc h a 皿e 1 7 1 1 l ep r o p o s e da l g o r i t h mb u i l ts u b s p a c eo fr e c e i v e d s i 口a la i l dd f t b a s e do nh a d 锄川p r o d u c tc o n c e p t t l l ep r o j e c t i o nc o s t 劬c t i o n 、糯 o b t a i n e db ya m l y z i n gt h ee 行e c tb e t w e e nc f oa i l dh a d 觚l a r dp r o d u c ts u b s p a c eo f 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 r e c e i v e ds i g n a l sa j l dt i m e - f r e q u e n c yd o m a i nt r a n s f o 衄i n g ，t h e nc f ow a se s t i m a t e d a c c u r a t e l yb ym a x i m i z a t i o nt h ef r o b e n j u sn o 肌o fp r q e c t i o n t h ep r o p o s e de s t i m a t o r h a sb e t t e rp e d o m a j l c et h a ne x i s t i n ga l g o r i t l u l l si nl i t e r a t u r e 5 1 1 1 ep e r f - o 咖a n c ea n a l y s i sf o r0 f d ma n dm i m 0 - o f d ms y s t e m sw i t hc f o 、v e r e d i s c u s s e dd e t a i l e d l yi nm a n yl i t e r a t u r e s ，b u tt h ee f f e c ta i l dp e m 加1 a n c ea j l a l y s i so fp h n w e r ew a i t i n gf o r b e i n gs t u d i e dd e e p l y t 1 1 ed i s s e r t a t i o na i l a l y z e db e r p e r f o r n l a n c ef o r m i m 0 - 0 f d ms y s t e m sw i t hp h ne s p e c i a l l y t h e n ，b yr e a s o n a b l ea p p r o x i m a t e ，a c l o s e d f o n ne x p r e s s i o no fb e rw a sp r e s e m e d ，w h i c hp r o v i d e das i m p l ea n dd i r e c t r e f e r e n c ef o rc h o o s i n gm i t i g a t i o nm e t h o d sf o ri m p l e m e n t a t i o no fm i m o - o f d m s y s t e m 6 t h ep h nm i t i g a t i o nm e t h o d sf o rm i m 0 - o f d ms y s t e m s 、v e r ef o c u s e do n c o m m o np h a s ee n o r ( c p e )m i t i g a t i o nu p t on o w c p em i t i g a t i o n o n l y f o r m i m o o f d ms y s t e m sc o u l dn o tg i v es a t i s f y i n gp e r f o 舯a n c ed u et on e g l e c t i n gi c i c o m p o n e n t t oi m p r o v i n gp h nm i t i g a t i o np e r f o 肌a n c e如r r t h e r ，t h ed i s s e n a t i o n e x t e n d e dt h ei c im i t i g a t i o n 丘o mo f d ms y s t e m st om i m o - o f d ms y s t e m sb a s e do n v - b l a s ts y s t e m m o d e l c o m p a r e dw i t h c p em i t i g a t i o nm e t h o d ，t h ep r o p o s e d m i t i g a t i o na l g o r i t h mc a ns i g n i n c a n t l yi m p r o v et h ep e r f o m a n c eo fp h nm i t i g a t i o nf o r m i m 0 0 f d m k e yw o r d s ：o f d m ( o r t h o g o n a if r e q u e n c yd i v i s i o nm u i t i p i e i n g ) ，m i m o ( m u i t i p i e - i n p u tm u i t i p i e o u t p u t ) ，c f o ( c a r r e rf r e q u e n c yo 仟s e t ) ，p h n ( p h a s e n o i s e ) ，i c i ( i n t e r c a r r i e ri n t e r f 色r e n c e ) ，c p e ( c o m m o np h a s ee r r o r ) 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图目录 信道频率选择性对导频子载波的影响4 o f d m 系统框图1 1 c f o 引起的0 f d m 子载波数据相位旋转。1 3 c f o 引起的i c i 对解调数据的影响( 一) 1 5 c f 0 引起的i c i 对解调数据的影响( 二) 1 5 0 f d m 解调数据方差矩阵能量分布1 7 c f o 对o f d m 解调数据方差矩阵能量的影响1 8 e m 算法结构2 2 c f o 估计随观测样本数收敛特性2 8 不同观测符号数下c f 0 估计性能2 9 不同s n r 下c f 0 估计性能3 0 a s a g e 算法b e r 性能( 一) 31 a s a g e 算法b e r 性能( 二) 31 o f d m 符号的p h n 分布情况3 5 p h n 对解调数据的影响3 6 p h n 影响下的o f d m 系统s 小r 性能4 0 p h n 估计与真实p h n 比较4 3 p h n 引起的频域i c i 系数分布4 4 异常值的描述4 5 a w g n 信道下p h n 抑制性能比较5 2 多径信道下p h n 抑制性能比较( 一) 5 3 多径信道下p h n 抑制性能比较( 二) 5 3 i c i 系数估计阶数选取对p h n 抑制性能的影响5 4 m m i m 迭代次数与m s e 性能( 一) 5 5 m m i m 迭代次数与m s e 性能( 二) 5 5 m m i m 迭代次数与系统b e r 性能( 一) 5 6 m m i m 迭代次数与系统b e r 性能( 二) 5 7 m i m o o f d m 系统框图5 9 基于h 积子空间投影的c f o 代价函数6 6 所提算法在不同s n r 条件下的估计性能6 8 所提算法估计性能受估计符号数的影响6 8 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图4 5 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 所提算法在信道长度未知时的估计性能6 9 p h n 对m i m o o f d m 系统性能影响( 一) 7 6 p h n 对m i m o o f d m 系统性能影响( 二) 7 6 p h n 对m i m o o f d m 系统性能影响( 三) 7 7 1 6 q w 调制下p h n 抑制性能比较( 一) 8 1 6 4 q 创调制下p h n 抑制性能比较( 一) 8 2 1 6 q 削调制下p h n 抑制性能比较( 二) 8 2 6 4 q _ 气m 调制下p h n 抑制性能比较( 二) 8 3 1 6 q a m 调制下p h n 抑制性能比较( 三) 8 3 1 6 q w 调制下p h n 抑制性能比较( 四) 8 4 i c i m 和c p e m 算法在不同尺下的性能比较( 一) 8 4 i c i m 和c p e m 算法在不同尺下的性能比较( 二) 8 5 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a w g n b e r c f o c p c p e c i r c i m d a b d d d f t d s p d v b e m e s p i u t f p g a i c i i d f t i s i i t u l s l o m i m o m l m m m m s e m s e m u s i c o f d m o f d 队 英语缩略词 a d d i t i v e 、h i t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o r r a t e c a 盯i e rf r e q u e n c yo 仃s e t c y c l i cp r e 缸 c o m m o np h a s ee n o r c h a i u l e li 1 1 1 p u l s er e s p o n s e c 舢e 卜i b l 0b o u l m d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g d e c i s i o n d i r e c t e d d i s c r e t ef o u i e rt r 舡l s f o m d i g i 协ls i 印a lp r o c e s s i n g d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g e x p e c t a t i o nm a x i m i z a t i o n e s t i m a t i o no f s i 印a lp a 瑚m e t e r s v i ar o t a t i o l l a lh a r i a i l c et e c q u e s f i e l dp r o 留陷m m a b l eg a t ea 删 i n t e r - c 硎e ri n t e r f - e r e n c e i r e r s ed i s c r e t ef o u i e rt r a n s f o m i n t e r s m b o li n t e r f e r e n c e i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u i l i c a t i o nu 1 1 i o n l e a s ts q 啪r e l o c a lo s c i l l a t o r m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e o u t p u t m a x i m u ml i k e l i h o o d m 匈o r i z a t i o nm i m m i z e m i 血m u mm e a l ls q u a r ee 仃o r m e a ns q u a r ee n o r m u l t i p l es i g n a lc l a s s i f i c a t i o n o n 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 n h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n 加性高斯白噪声 误比特率 载波频偏 循环前缀 共同相位误差 信道冲激响应 克拉美罗界 数字音频广播 面向判决 离散傅立叶变换 数字信号处理 数字视频广播 期望最大化 旋转不变参数估计技术 现场可编程门阵列 子载波间干扰 离散傅立叶反变换 符号间干扰 国际电信联盟 最小二乘 本地晶振 多输入多输出 最大似然 优化最小化 最小均方误差 均方误差 多重信号分类 正交频分复用 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 p h n p l l p n p s k q a m q p s k s a g e s i n r s i s o s n r s t t d s t s w i m a x 、礼a n w s s u s m u l t i p l e x i n ga c c e s s p h a s en o i s e p h a s e - l o c k e dl o o p p s e u d o n o i s e p h a s es h i rk e y i n g q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n q u a d r a t u r ep h a s es h i rk e y i n g s p a c e a l t e m a t i n gg e n e r a l i z e d e x p e c t a t i o n - m a x i m i z a t i o n s i g n a lt 0i n t e r f e r e n c e 柚dn o i s e r a t i o s i n g l e - i n p u ts i n g l e - o u t p u t s i g n a lt on o i s er a t i o s p a c e t i m et r a 皿s m i td i v e r s i t ) ， s p a c e t i m es p r e a d i n g w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o r m i c r o ，a v ea c c e s s w i r e l e s sl o c a la r e an e t 、v o r k w i d e s e n s es t a l i o 彻r y u n c o r r e l a t e d s c a t t e r i n g v - b l a s tv e n i c a l - b e nl a b sl a y e r e ds p a c e t i m e v s cv i r t u a ls u b c a r r i e r 3 g p pt h e3 r dg e n e r l t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t 正交频分复用多址 相位噪声 锁相环 伪随机噪声 相移键控 正交幅度调制 四相相移键控 空间选择性期望最大化 信干噪比 单输入单输出 信噪比 空时发送分集 空时扩展 全球微波接入互通技术 无线局域网 广义平稳非相关散射 贝尔实验室分层空时 虚子载波 第三代伙伴计划 第v i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 常用符号定义 共轭 转置 共轭转置 伪逆 实数绝对值或复数的模 f 范数 h a d 锄a r d 积运算 l r o n e c k e r 积 二项式系数 变量取值 虚数部分 方差 数学期望 单位矩阵 实数部分 第v i 页 盯o。mu啾呱础k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术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 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：q 里幽丛! 丛q = q 里型歪统主惑这麴堡垡进塑担焦璺虚塑剑垫盔盟窥 学位论文作者签名：鱼1 竺壁1日期：护年乡月弓，日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：q 里逝丛! 丛q = q 里型丕统主惑这麴堡垡进狸担僮嗑虚控剑拉苤盟窒 学位论文作者签名：二里堕! 竺1日期：驯w 年弓月弓伯 作者指导教师签名：遥一连、日期：乞妯，年岁月s，日 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 在宽带无线通信中，多径衰落是影响无线数据传输速率的一个重要因素【l j ，同 时，越来越多的无线应用需求也使得空间频谱资源日益紧张，传统的无线通信技 术面对未来应用需求已经捉襟见肘，必须寻求和发展新的通信技术来实现高速高 性能的数据传输，并兼顾频谱效率。 在这种需求的推动下，正交频分复用( o f d m ) 技术因其具备很好的抗多径、抗 窄带干扰性能和高效的频谱利用率，在近十余年的时间里受到了广泛的重视，成 为了宽带无线通信研究的热点【2 】。在o f d m 技术快速发展的同期，充分利用无线 信道空间特性的多输入多输出( m i m 0 ) 技术也成为宽带无线通信领域的重点研究 方向之一，由于m i m o 技术能在不增加带宽和发送功率的情况下，成倍地提高通 信系统的容量和频谱利用率，并提高系统性能，因此m i m o 技术在未来无线通信 发展中极具潜力p j 。 目前对于m i m o 系统的研究大部分假设平衰落信道，当其应用到频率选择性 衰落信道时，性能会严重下降。这样，人们提出了o f d m 与m i m o 相结合的应用 系统，利用m i m o 有效提高系统容量，利用o f d m 有效克服多径的影响，可实现 高速率、高可靠的宽带无线通信【4 1 。在本论文中，提及的o f d m 特指单输入单输 出( s i s o ) o f d m 系统，以区别于m i m 0 o f d m 的概念。 1 1 1o f d m 和m i m o 技术 o f d m 的主要思想是在频域内将给定信道分成若干正交子信道，各子信道相 互重叠，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，子载波的正交性保证各子信 道并行无干扰地进行传输。o f d m 把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载 波上的符号时间就相应地比同速率的单载波系统上的符号时间长很多倍，这样在 多径环境下，频率选择性信道就被划分为多个可以视为平坦衰落的子信道，对于 每个子信道只需要单个抽头的频域均衡器来恢复数据，使得系统复杂性大大降低 【5 】。同时，对于单载波通信系统而言，窄带干扰会严重恶化接收机性能，甚至无法 正常通信，而对于o f d m 系统，窄带干扰只会破坏一部分子信道，其他子信道仍 能正常通信，这就使o f d m 技术具备了抗窄带干扰的能力1 6 j 。 由于o f d m 的诸多优势，使得该技术在近十几年得到广泛的研究和应用。1 9 9 5 年，由欧洲电信标准协会( e t s i ) 制定了数字音频广播( d a b ) 【7 】标准，这是第一个使 用o f d m 技术的标准。1 9 9 7 年，基于o f d m 的数字视频广播( d v b ) 【8 j 标准也开始 第l 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 投入使用。1 9 9 8 年7 月，i e e e 8 0 2 1 1 标准组决定选择o f d m 作为无线局域网 ( w l a n ) 的物理层传输手段一j ，目标是提供1 1 5 5 m b p s 的数据速率，这是o f d m 第 一次被用于分组业务通信中。2 0 0 4 年和2 0 0 5 年，基于o f d m 技术的固定和移动 宽带无线城域网( w i m a x ) 标准i e e e8 0 2 1 6 a d 和i e e e8 0 2 1 6 e 分别获批。i e e e 8 0 2 1 6 a d 数据传输速率达到7 0 m b p s ，i e e e8 0 2 1 6 e 在车载移动环境下可提供 7 5 m b p s 的峰值数据传输速率。2 0 0 6 年6 月，全世界第一个商用移动w i m a x 网络 一韩国的“w i b r o ”正式开始投入运营。覆盖全美的移动w i m a x 网络也将于2 0 0 8 年4 月正式投入运营。o f d m 技术的商用规模正在世界范围内迅速扩大。 上世纪九十年代，由b e l l 实验室的t e l 栅和f o s c 蛐血在各自的工作中提出了 m i m o 系统的概念i l o ，1 1 j ，通过在发送端和接收端同时使用多个天线阵元实现了多 个数据流在相同时间和相同频段的传输，利用空间资源极大地提高了系统的传输 速率，这些特点使得m i m o 技术迅速成为无线通信领域的研究热点。近年来，已 经有很多标准采纳了m i m o 技术作为其物理层基本方案。3 g p p ( t h e3 r dg e n e r a t i o n p a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 和3 g p p 2 分别将空时发送分集( s t t d ) 与空时扩展( s t s ) 结构的 m i m o 技术作为可选发送模式来进一步提高3 g 系统容量和提升数据速率。a i r g o 、 a t i l e r o s 、l i n k s y s 、d l i i l l 【等公司也相继发布了各种m i m 0 的芯片组【1 2 j5 1 。各大著 名厂商和研究机构，如x i l 仆、s a m s u n g 等公司也已经开发出了各自的m i m o 研究样机，证实了m i m o 技术在提高无线系统传输速率方面的巨大优势。 m i m o o f d m 技术同时具备m i m o 技术显著增加系统容量的优势，又具有 o f d m 抗多径、频谱利用率高、接收机实现简单的优点，从而使m i m o 技术更容 易在工程上实现【l 小博j 。2 0 0 7 年1 0 月，国际电信联盟( i t u ) 正式批准以 m i m o o f d m o f d m a 作为物理层关键技术的w i m a x 成为全球3 g 标准之一，这 标志着m i m o o f d m 技术已经成为公认的下一代无线通信的主力军。当前，第四 代移动通信( 4 g ) 的研究在全面开展。虽然目前关于4 g 还没有明确的指标，但普遍 认为4 g 将提供高达1 0 0 m b p s 甚至更高的数据传输速率，这对于目前已经初显紧 张的频谱资源来说，实现如此高速率和大容量，提高频谱效率是必然的选择【l 引。 在此背景下，m i m o o f d m 技术受到业界研究者的广泛重视，已成为4 g 中关键 技术之一【2 0 1 。目前，已有很多研究机构推出了基于m i m o o f d m 技术的样机，在 2 0 0 6 三星4 g 论坛上，三星的2 5 g 频段演示系统速度已经达到移动1 0 0 m b p s 和固 定lg b p s 的数据传输速率，这充分展示了m i m o o d f m 技术在无线通信领域的强 大潜力。 1 1 2载波频偏及相位噪声对o f d m m i m o 0 f d m 系统的影响 由于o f d m 子载波频谱相互重叠，这就对它们之间的正交性提出了严格的要 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 求，一旦这种正交性不能严格满足，各子载波之间就会互相影响，从而恶化系统 性能。因此，o f d m 和m i m 0 o f d m 系统实现时，对收发端载波频率的同步和载 波相位的稳定性提出了很高的要求【2 。 载波频偏( c f o ) 主要来自发射机与接收机本地振荡器( l o ) 之间存在的频率偏 差，在移动信道环境下多普勒频移也是c f o 来源之一【2 2 1 。c f o 除会造成解调星座 点的相位旋转影响符号判决外，更为严重的是还会使得o f d m 系统子载波之间的 正交性遭到破坏，从而导致子载波间的相互干扰( i c i ) ，造成系统性能的严重下降。 m o o s e 在1 9 9 4 年最早分析了c f o 对o f d m 系统性能的影响1 2 3 】，证明较小的c f o 就会导致很大的系统性能损失。后续又有文献进一步完善了m o o s e 的分析结论【1 6 2 2 ， 2 4 】，给出了受c f o 影响的系统误比特率( b e r ) 表达式。分析表明，在a w g n 信道 下大于子载波间隔的4 ，在多径衰落信道下大于子载波间隔的2 的c f o 对系统 的性能造成的损失就无法忽略了【2 2 。，必须采取c f o 估计和补偿措施。文献【2 5 ，2 6 】 分析了c f o 对m i m o o f d m 系统性能的影响，给出了系统b e r 性能影响的近似 表达式，证明m i m o o f d m 系统对c f o 同样十分敏感【2 7 j 。 相位噪声( p h n ) 主要由发送端或接收端晶振的非理想性引趔2 8 ，2 9 1 。和c f o 对 o f d m 和m i m o o f d m 系统的影响类似，p h n 会引起解调数据的共同相位误差 ( c p e ) 和产生i c i ，恶化系统性能【2 4 。其中，c p e 会对所有解调子载波造成相位旋 转，严重时可引起判决错误；i c i 部分会降低有效系统信干噪比( s i n r ) ，导致系统 性能下降。因此在o f d m 和m i m o o f d m 系统中p h n 抑制非常必要。文献 2 4 】 和 3 0 最早对o f d m 系统的p h n 影响进行了分析，随后针对o f d m 系统的p h n 研究开始引起重视，后续有很多文献进一步深入地对o f d m 系统的p 进行性能 分析，文献 2 4 ，2 8 ，3 1 3 4 】分析了p h n 的c p e 和i c i 对o f d m 系统性能的影响， 给出了不同p h n 带宽对系统b e r 性能影响的表达式和仿真结果。文献 3 5 3 7 对 存在p h n 的m i m o o f d m 系统进行了性能分析，说明m i m o o f d m 系统对p h n 噪声同样敏感p 川。 o f d m 和m i m o 0 f d m 系统对c f o 和p h n 的敏感性，使得实际系统设计中 必须采取c f o 估计和p h n 抑制措施来保证系统性能【3 8 ，3 9 1 。本论文即针对o f d m 和m i l v i oo f d m 系统的c f o 估计和p h n 抑制技术展开研究。论文得到) a ( x 预 研项目“o f d m 多信道传输技术和“支持x x x 通信中多业务传输的通信技术 支持。 1 2 国内外研究现状 1 2 1c f o 估计研究 c f o 估计按照估计过程可分为捕获阶段和跟踪阶段，在每一阶段，又可按照 第3 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 数据处理方式分为数据辅助( 基于训练序列或导频) 方法和非数据辅助方法( 或称为 盲方法) 。 在c f o 捕获阶段，为快速有效建立通信链路，系统需要迅速对大范围c f o 进 行估计和校正，要求算法简单高效，满足快速和精确的需求，因此突发0 f d m 系 统的捕获基本上是采用基于训练序列的数据辅助方法【2 1 ，2 3 ，4 0 1 。目前这方面的研究 相对比较成熟，以s c l l n l i d l 和c o x ( s & c ) 在文献【4 0 】中提出的方法较为经典，后续 的很多关于c f o 捕获的研究都是沿用文献【4 0 的思想，改进和优化也主要是针对 训练序列的设计进行【4 1 ，4 2 1 。 图1 1信道频率选择性对导频子载波的影响 w s s u s 信道模型，导频子载波处于深衰落 受系统晶振频率漂移和移动信道环境下多普勒频移的影响，在初始c f o 捕获 后，后续数据符号间隔内c f o 仍会存在并随时间变化，如不加以连续补偿对系统 性能有很大影响，因此捕获后的c f o 跟踪同样非常必要。跟踪阶段要求c f o 估计 具有较高的精度，但对估计范围要求不高，一般小于半个子载波间隔。传统的c f o 跟踪方法多采用在固定子载波位置插入导频的方法【2 ，这种方法实现简单，但会 占用有效系统带宽，不适用于对频谱效率要求较高的应用场景，并且c f o 跟踪性 能受插入导频数量限制。此外，在严重的频率选择性衰落信道下，受深衰落甚至 信道零点的影响，如图1 1 所示，导频子载波无法正确恢复，可能引起c f 0 估计 出现较大的偏差，严重时会破坏已建立的通信链路1 4 3 j 。盲c f o 估计方法虽然相比 基于数据辅助的方法复杂度偏高，但由于能有效提高频谱效率，充分利用所有信 号样点特性，能较好地对抗信道深衰落对c f o 跟踪的影响，因此不失为基于数据 辅助c f o 估计方法的一种有效补充手段，近年来引起了研究界