（通信与信息系统专业论文）宽带无线通信系统中关键技术研究.pdf

摘要 摘要 当前 随着i n t e m e t 商用化带动的视频 音频以及数字通信技术的发展 人们 对无线通信寄予了更高的希望 宽带化 分组化 综合化 个人化已成为未来无 线通信的发展趋势 实现 全球信息村 的美好蓝图正不断清晰起来 然而 这 一目标的实现仍然面临许多技术挑战 存在大量问题有待解决 本文主要研究宽 带无线通信系统中的同步 信道估计以及空时编码等关键技术 取得的主要研究 成果如下 1 针对s i s o o f d m 系统同步 提出了一种基于伪随机加权训练序列的时频同 步方案和一种基于共轭对称训练序列的时频同步方案 前者利用伪随机加 权因子的良好自相关性以及本原训练序列的分段共轭对称性进行符号定时 偏移估计 消除了传统方案中重复序列引起的定时旁瓣 提高了估计性能 同时它利用本原训练序列中的重复序列进行迭代频率偏移估计 在保证估 计精度的同时扩大了频偏估计范围 后者利用提出训练序列的时域共轭对 称性进行符号定时偏移估计 利用提出训练序列的频域良好自相关性进行 频率偏移估计 相比传统方案 它的定时和频率偏移估计性能更好 频偏 估计范围更大 可以覆盖整个信号带宽 2 针对m i m o o f d m 系统同步 提出了一种基于伪随机加权训练序列的分布 式m i m o o f d m 时频同步方案和一种基于共轭对称训练序列的集中式 m i m o o f d m 时频同步方案 前者在时域对各发射天线的本原训练序列用 具有良好互相关性的伪随机序列进行加权 抑制了天线间的信号干扰 从 而能够同时估计出所有收发天线对之间的定时和频率偏移 后者在各发射 天线均发送时域具有共轭对称性 频域具有良好自相关性的训练序列 利 用这 序列进行时频同步 可以更加准确地估计定时和频率偏移 并且频 偏估计范围更大 另外 针对m i m o o f d m 系统采样钟同步 提出了一种 幅度加权最小平方估计算法 它无论在高斯信道还是多径信道下均具有良 好的性能 3 针对o f d m a 上行链路定时同步 提出了一种简单有效的定时偏移估计算 法 它能够同时估计出所有用户的定时偏移 并且实现简单 同时适用于 连续子载波和交织子载波分配方案 4 针对m i m o o f d m 系统信道估计 提出了一种链式加权l s 信道估计算法 和一种干扰抑制迭代信道估计算法 前者基于f d m 循环导频方案 采用链 式加权l s 算法估计信道响应 有效地减小了 载波边界效应 带来的估计 i i 西安电子科技大学博士学位论文 宽带无线通信系统中关键技术研究 误差 提高了信道估计的精度 后者基于频域正交导频方案 采用d f t 内 插获得信道响应初始估值 通过迭代消噪滤波改善信道估值 从而有效地 抑制了载波间干扰以及加性噪声的影响 提高了信道估计的精度 同时它 不需要信道统计信息以及矩阵求逆运算 实现相对简单 5 针对网格空时编码 提出了一种低阶调制非满秩网格空时码 它在保证传 输速率不变的条件下 通过牺牲部分分集度来降低调制阶数 从而提高了 系统性能 与同速率的满秩网格空时码相比 它能获得更好的误码性能 并且实现简单 关键词 正交频分复用多输入多输出同步信道估计空时码 a b s t r a c t i i i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fv i d e o a u d i oa n dd i 西t a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e s p e o p l e p a ym o r e a n dm o r ea t t e n t i o nt ow 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 s b r o a d b a n d p a c k e t i z e d s y n t h e t i ca n dp e r s o n a l i z e dd i g i t a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r ee x p e c t e d h o w e v e r m a n yt e c h n i c a lp r o b l e m se n c o u n t e r e dm a k ei td i f f i c u l tt oc o m ei n t or e a l i t y t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sad e e pr e s e a r c ho i ls y n c h r o n i z a t i o n c h a n n e le s t i m a t i o na n d s p a c e t i m ec o d i n gt e c h n i q u e sf o rb r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h e m a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w s 1 o nt h er e s e a r c ho fs y n c h r o n i z a t i o nf o rs i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u to r t h o g o n a l f 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 s i s o o f d m s y s t e m s t w on e wt r a i n i n g s y m b o l sa r ed e s i g n e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gt i m ea n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n s c h e m e sa r ep r o p o s e d t h es c h e m eb a s e do nt h en e w t r a i n i n gs y m b o lw e i g h t e d b yp ns e q u e n c ee l i m i n a t e st h ee f f e c to ft h er e p e a t e ds e q u e n c e so nt i m i n g s y n c h r o n i z a t i o n t h u si m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo ft h et i m i n go f f s e te s t i m a t o r s i g n i f i c a n t l y i na d d i t i o n i te n l a r g e st h ef r e q u e n c ya c q u i s i t i o nr a n g ew i t hn ol o s s i na c c u r a c yb yi t e r a t i v ef r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n t h es c h e m eb a s e do nt h e n e wt r a i n i n gs y m b o l w h i c hi ss y n n n o t r i cc o n j u g a t ei nt i m ed o m a i na n dh a s g o o da u t o c o r r e l a t i o ni nf r e q u e n c yd o m a i n u t i l i z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft i m e d o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i nt o a c c o m p l i s h t h et i m ea n d f r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o n c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ls c h e m e s i tc a na c h i e v ea s i g n i f i c a n t l ys m a l l e rm e a ns q u a r e e r r o ro ft i m i n ga n df r e q u e n c yo f f s e t e s t i m a t i o na n dp r o v i d eaw i d e rf r e q u e n c ya c q u i s i t i o nr a n g e u pt ot h eo f d m b a n d w i d t h 2 o nt h er e s e a r c ho fs y n c h r o n i z a t i o nf o rm u l t i p l em p u tm u l t i p l eo u t p u to r t h o g o n a l f 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 m i m o o f d m s y s t e m s t w on e wt r a i n i n g s y m b o l sa r ed e s i g n e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gt i m ea n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n s c h e m e sa r ep r o p o s e d i nd i s t r i b u t e dm i m o o f d ms y s t e m s t h et r a i n i n g s y m b o l so fr t r a n s m i t t e r sa r ew e i g h t e db y lp ns e q u e n c e sw h i c hh a v eg o o d g l o s s c o r r e l a t i o n s w h e nt h ed e l a y sa n dt h e f r e q u e n c yo f f s e t sb e t w e e nt h e t r a n s m i ta n t e n n a sa n dr e c e i v ea n t e n n a sa r ed i f f e r e n t t h e yc a nb ed e r i v e d r e s p e c t i v e l y i nc e n t r a l i z e dm i m o o f d ms y s t e m s t h et r a i n i n gs y m b o l so fa l l t r a n s m i t t e r sa r et h es a m es y m b o lw h i c hi ss y m m e t r i cc o n j u g a t ei nt i m ed o m a i n 西安电子科技大学博士学位论文 宽带无线通信系统中关键技术研究 a n dp ns e q u e n c ei nf i e q u e n e yd o m a i n w h e nt h ed e l a y sa n dt h ef r e q u e n c y o f f s e t sb e t w e e nt h et r a n s m i ta n t e n n a sa n dr e c e i v ea n t e n n a sa r c i t m e m e yc a nb e e s t i m a t e dv e r ya c c u r a t e l y i na d d i t i o n a na m p l i t u d ew e i g h t e dl e a s ts q u a r e s e s t i m a t i o n a w l s e o fs a m p l ef i e q u e n e yo f f s e ti sp r e s e n t e df o rm i m o o f d m s y s t e m s i tp e r f o r m sw e l li nb o t hg a u s sc h a n n e l sa n dm u l t i p a t hf a d i n ge l a a t m e l s 3 o nt h er e s e a r c ho ft i m es y n c h r o n i z a t i o nf o ro 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 引硷e s s o f d m a u p l i n ks y s t e m s as i m p l ea n de f f i c i e n te s t i m a t o r o ft i m i n go f f s e ti sp r o p o s e d i tc a ne s t i m a t ea l lt h eu s e r s t i m i n go f f s e t s s i m u l t a n e o u s l ya n dp r o v i d eaf a s ta c q u i s i t i o no fs y n c h r o n i z a t i o nw i t hal o w c o m p l e x i t y s u i t i n gf o rb o t ht h ei n t e r l e a v e do f d m a a n dt h es u b b a n db a s e d o f d m a 4 o nt h er e s e a r c ho fe h a r m e le s t i m a t i o nf o rm i m o o f d ms y s t e m s t w os i m p l e a n de f f i c i e n ta l g o r i t h m sa r ep r o p o s e d b a s e do i lt h ef r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e f d m c i r c u l a rp i l o ts e q u e n c e s t h ec h a i n w e i g h t e d a v e r a g i n gl e a s ts q u a r e s l s e h a t m e le s t i m a t i o no b t a i n st h et e m p o r a lc h a n n e le s t i m a t i o nu s i n gt h el s a l g o r i t h ma n di m p r o v e st h ee s t i m a t i o np e r f o r m a n c eb yw e i g h t e aa v e r a g i n g 1 1 1 e c i r c u l a rp i l o ts t r u c t u r ea n dc h a i nw e i g h t e da v e r a g i n ge f f e c t i v e l yd e c r e a s et h e e f f e c to fc a l t i e l e d g e s t h u si m p r o v i n gt h ee s t i m a t i o np e r f o r m a n c e t h ei t e r a t i v e c h a n n e le s t i m a t i o nw i t hn o i s er e d u c t i o no b t a i n st h et e m p o r a lc h a n n e lr e s p o n s e b yd i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m d f t b a s e dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m a n d i m p r o v e st h ee s t i m a t i o np e r f o r m a n c eb yt h ei t e r a t i v ee h a t m e le s t i m a t i o nw i t h n o i s er e d u c t i o n i tc 1 1 1 1e f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h ee f f e c to fi n t e rc a r r i e ri n t e r f e r e n c e i c i a n de h a t m e ln o i s e s f u r t h e r m o r e i ta v o i d st h ei n v e r s i o no fal a r g em a t r i x t h u sc a nb ee a s i l yr e a l i z e d 5 o nt h er e s e a r c ho fs p a c e t i m ec o d i n g an e wl i o n 劬r a n ks p a c e t i m et r e l l i s c o d e n f r s t r c i sd e s i g n e d i tr e d u c e s t h eo r d e ro fm o d u l a t i o nb y s a c r i f i c i n g t h ed i v e r s i t y c o m p a r e d 埘mt h ef u l lr a n ks p a c e t i m et r e l l i sc o d ef f r s t t c 析mt h es a m et r a n s m i s s i o nr a t e i tc a l lp r o v i d eab e t t e rp e r f o r m a n c ea n dal o w e r r e a l i z a t i o nc o m p l e x i t y k e y w o r d s o f d mm i m os y n c h r o n i z a t i o n c h a n n e le s t i m a t i o ns p a c e t i m ec o d e 缩略语表 i x a o a a s 吣n g r a w l s e b 3 g b e r b p s b s c d m a c f o c t c p c s i d a b d f t d s p d v b e 心 f d m a f e r f f t h d t v i c i f t f t i s i l l s e l s 心 m i m o 缩略语表 a n g l eo f a r r i v a l a n g u l a rs p r e a d a d d i t i v ew 1 1 i t eg a u s s i a nn o i s e a m p l i t u d ew e i g h t e dl e a s ts q u a r e se s t i m a t i o n b e y o n dn j r dg e n e r a t i o n b i te r r o rr a t e b i tp e rs e c o n d b a s es t a t i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t c h a n n e li m p u l s er e s p o n s e c y c l i cp r e f i x c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d 博t a la u d i ob r o a d c a s t d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m d i 西t a ls i g n a lp r o c e s s i n g d 培t a lv i d e ob r o a d c a s t e f f e c t i v ei s o t r o p i cr a d i a t e dp o w e r f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s f r a m ee r r o rr a t e f a s tf o u r i e rt r a n s f o n n h i g hd e f i n i t i o nt v i n t e rc a r r i e ri n t e r f e r e n c e i n v e r s ed f t i n v e r s ef f t i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e l i n e a rl e a s ts q u a r e se s t i m a t i o n l e a s ts q u a r e s m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 到达角 角度扩展 加性高斯白噪声 幅度加权最小平方估计 后3 g 误比特率 比特每秒 基站 码分复用多址 载波频率偏移 信道冲激响应 循环前缀 信道状态信息 数字音频广播 离散傅里叶变换 数字信号处理 数字视频广播 有效全向发射功率 频分复用多址 误帧率 快速傅里叶变换 高清电视 载波间干扰 离散傅里叶逆变换 快速傅里叶逆变换 符号间干扰 线性最小平方估计 最小平方 多址干扰 多输入多输出 x 西安电子科技大学博士学位论文 宽带无线通信系统中关键技术研究 m l m m s e m s e n r a o f d m o f d n 互a p a s p n q a m q o s r m s r sc o d e s c s i s o s n r s t b c s t c s t t c t d m a v b l a s t 吼 a n m a x i m u ml i k e l i h o o d m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r m e a ns q u a r ee r r o r n o i s er e d u c t i o na l g o r i t h m 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 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 a c c e s s p o w e ra z i m u t hs p e c m t m p s e u d on o i s e 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 l i t yo fs e r v i c e r o o tm e a ns q u a r e s r e e d s o l o m o nc o d e s i n g l ec a r r i e r s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t s i g n a lt on o i s er a t i o s p a c et i m eb l o c kc o d e s p a c et i m ec o d e s p a c et i m et 1 e 1 1 i sc o d e t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s v e r t i c a lb d ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c et i m e w j r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k 最大似然 最小均方误差 均方误差 干扰抑制算法 正交频分复用 正交频分复用多址 角度功率谱 伪随机噪声 正交幅度调制 服务质量 均方根 r s 码 单载波 单输入单输出 信噪比 分组空时码 空时码 网格空时码 时分复用多址 垂直贝尔实验室分层空时 无线局域网 一些常见的缩写 如b p s k q p s k 等在此并没有列出 数学符号表 x i a r a a t a l d e t a r a n k a t r a c e a i y a h l i i l e m i n m a x r e h 数学符号表 表示矩阵a 的转置 表示矩阵a 的共扼转置 表示矩阵a 的广义逆矩阵 表示矩阵a 的第f 行 第 列的元素 表示矩阵a 的行列式 表示矩阵a 的秩 表示矩阵a 的迹 表示单位矩阵 下标表示维数 表示矩阵a 的解对角运算 表示求绝对值 表示求范数 表示求数学期望 表示求最小值 表示求最大值 表示复数的实部 表示复数的虚部 独创性 或创新性 声明 本人声明所呈交的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 除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外 论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果 也不包含为获得西安电子科技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做了明确的说明并表 示了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切相关责任 本人签名 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定 即 研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学 本人保证毕业离校后 发表论文或 使用论文 与学位论文相关 工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学 学校有权保留 送交论文的复印件 允许查阅和借阅论文 学校可以公布论文的全部或部分内容 可以允许 采用影印 缩印或其它复制手段保存论文 保密的论文在解密后遵守此规定 本人签名 跹盔本人签名 苍e 尬 导师签名 趣 第一章绪论 第一章绪论 本章将简要回顾无线通信技术的发展历程 展望未来技术的发展趋势 透过 这一发展过程 分析揭示未来无线通信所面临的挑战 提出本课题的主要研究任 务和意义 同时给出本文的主要工作及内容安排 1 1 论文背景 无线通信最早可追溯到远古时代 在古代中国 每当外敌入袭时 烽火台上 便燃起熊熊狼烟 敌军入侵的消息从一个烽火台传递到另一个烽火台 直至千里 之外的京师 几千年后 无线通信的方式发生了根本性的改变 1 8 9 6 年 赫兹用 实验证明了电磁波的存在 从此无线通信跨入了 电波时代 1 8 9 7 年 马可尼 实现了横跨布里斯托尔海峡的无线电通信 至此 现代无线通信初具雏形 随着人类对信息日益增长的需求 无线通信尤其是无线移动通信经历了更加 迅猛的发展 到目前为止 无线移动通信的发展已经历了第一和第二代 l 捌 完成 了从模拟技术向数字技术的过渡 当前正在经历着第三代移动通信 国际电信联 盟i t u 对第三代移动通信系统 3 r dg e n e r a t i o n 3 g 的总体要求都体现在i m t 2 0 0 0 上 概括地讲 有以下特点 1 占用更高的频段 2 g h z 和更大的带宽 5 m h z 2 支持更高速率的多媒体业务 话音 数据传输 无线互联网接入 运动图 像传输等 3 支持更高速率的数据传输 室内2 m b p s 室外步行3 8 4 k b p s 室外高速移 动1 4 4 k b p s 4 与第二代移动通信网兼容 5 具有更高的频谱利用率及更高的系统容量 然而 第三代移动通信系统仍然不能支持超过2 0 m b p s 的高速数据业务以及数 据速率大范围 8 k b p s 到2 0 m b p s 变动的业务 并且第三代移动通信也不能实现真 正意义上的全球漫游 于是 在提出3 g 技术方案的同时便有人提出b 3 g 甚至 4 g 5 g 的概念 第四代移动通信系统 4 t hg e n e r a t i o n 4 g 在业务 功能以及频带上都将不同于 第三代系统 可称为宽带接入和分布网络 具有非对称的 超过2 m b p s 的数据传 输能力 其主要指标有 1 为用户终端提供高达几十到上百m b p s 的峰值无线数据传输速率 支持包 2 西安电子科技大学博士学位论文 宽带无线通信系统中关键技术研究 括高速互联网数据下载 高质量视频点播在内的各种多媒体传输业务 使之成为 真正意义上的宽带多媒体无线移动通信系统 2 与i n t c r n e t 技术高度结合 相互补充 相得益彰 使之成为一个具有强大 生命力和广阔市场前景的无线移动通信系统 3 开发新频段 并大幅度提高无线传输技术的频谱效率 满足大容量无线移 动通信的需求 要达到上述要求 必须开发与之配套的一系列新技术 其中包括最为关键的 高速无线传输技术 从通信传输的技术层面来看 正交频分复用 o r t h o g o n a l f 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 调制技术受到了人们广泛的关注 它的主 要优势有 1 o f d m 将高速数据流进行串并变换 使得每个子信道上的符号持续时间相 对增加 从而有效地减小了由无线信道的时间弥散带来的符号间干扰 i n t e rs y m b o l i n t e r f e r e n c e i s i 减小了接收端均衡器的复杂度 2 o f d m 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 传统的频分复用系统相比 它可以最大限度地利用频谱资源 3 o f d m 各个子信道的正交调制和解调可以采用i f f t 和f f t 来实现 从而 有效地减小了运算量 实现非常简单 4 在无线数据业务中 业务需求一般是不对称的 通常下行链路中传输数据 量要远大于上行链路 这就要求物理层支持非对称的高速率数据传输 o f d m 技 术可以通过使用不同数量的子信道来实现上下行链路的不同速率传输 5 o f d m 易于与多种接入方法相结合实现高速多用户接入 如o f d m a m c c d m a 以及o f d m t d m a 等等 要达到更高的数据传输速率 如上百m b p s 仅采用o f d m 技术有一定困难 而多输入多输 m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m i m o 技术能够在不额外增加系 统带宽的情况下提高系统传输速率 因此两者结合起来构成m i m o o f d m 系统将 具有更大的覆盖范围 更好的传输质量 更高的传输速率和频谱效率 9 1 4 0 1 4 2 当前 在宽带无线通信中都倾向于使用o f d m 和m i m o 技术 o f d m 技术已 经成功地应用于数字音频广播 d i g i t a la u t ob r o a d c a s t d a b 数字视频广播 d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t d v a 高清晰度数字电视 h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n l i d t 厂 地面广播传输系统 无线局域i n w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k w l a n 以及 电力通信网等 m i m o 作为新一代无线通信系统关键技术之一也已被一些标准采 用 例如i e e e 委员会制定的高速无线局域网标准i e e e8 0 2 1 l n 它将无线局域网 的传输速率从5 4 m b p s 提高到1 0 8 m b p s 以上 实现了与百兆有线网的无缝结合 此外 i e e e8 0 2 1 6 d 也将采用a l a m o u t i 编码的o f d m 系统作为可选项 第一章绪论 1 2 论文研究价值与意义 虽然o f d m 和m i m o 技术有诸多优点 但在具体实现时仍存在很多问题有待解 决 首先 o f d m 系统对同步误差非常敏感 时间同步误差会造成符号间干扰 频 率同步误差会产生子载波间干扰 i n t e rc a r d e ri n t e r f e r e n c e i c i 加入m i m o 后 由 于发射天线和接收天线数目增多 同步误差带来的符号间干扰和子载波间干扰更 大 从而严重影响系统性能 因此 o f d m 系统接收机的一项主要任务就是完成各 种同步 包括定时同步 频率同步以及采样钟同步 另外 为了提高系统的频谱 效率 o f d m 系统通常采用幅度非恒定的调制方式 例如1 6 q a m 等 在这种情况 下 接收端需要已知信道状态信息 c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n c s i 才能进行相干解 调 即使对于幅度恒定的调制方式 例如q p s k 等 利用信道状态信息的相干解调 也要比不利用信道状态信息的差分解调提高系统性能3 4 d b 1 0 1 加入m i m o 后 信 道状态信息又同时是完成空时译码的基础 因而 o f d m 系统接收机的另外一项主 要任务便是信道估计 此外 空时编码技术是m i m o 多天线技术的一个重要组成部 分 它将信道编码技术与阵列处理技术相结合 可以大幅度提高无线通信系统的 信道容量和传输速率 并能有效地抵抗衰落 抑制噪声和干扰 因而空时编码技 术在未来无线通信系统中具有广阔的应用前景 但是要使它真正成为一种实用技 术 仍有许多工作要做 本文主要研究和解决o f d m 系统中的同步和信道估计以及空时编码等问题 1 3 论文主要工作和贡献 本文以宽带无线通信系统为研究对象 重点对同步 信道估计以及空时编码 等问题进行了深入研究 主要工作和贡献概括为以下几个方面 1 s l s o o f d m 系统中的同步 针对传统训练序列辅助的s i s o o f d m 时频同步方案定时精度不高 频偏估计 范围小等缺点 提出两种新的训练序列及相应的时频同步方案 基于伪随机加权训练序列的时频同步方案 通过引入信号预处理 提出一 种伪随机加权训练序列及相应的时频同步方案 这一方案利用伪随机加权 因子的良好自相关性以及本原训练序列的分段共轭对称性进行符号定时 偏移估计 消除了传统方案中重复序列对定时偏移估计的影响 提高了定 时偏移估计的性能 同时它利用本原训练序列中的重复序列进行迭代频率 偏移估计 在保证估计精度的同时将频偏估计范围扩大至 一m 2 m 2 基于共轭对称训练序列的时频同步方案 从时频联合设计的角度出发 提 4 西安电子科技大学博士学位论文 宽带无线通信系统中关键技术研究 出一种共轭对称训练序列及相应的时频同步方案 这一方案利用训练序列 的时域共轭对称性通过移动相关完成符号定时同步 利用训练序列的频域 良好自相关性估计整数倍频偏 结合m l 算法估计小数倍频偏从而完成频 率同步 相比传统方案 它的定时和频率偏移估计性能更好 频偏估计范 围更大 可以覆盖整个信号带宽 2 m i m o o f i m 系统中的同步 分别针对分布式m i m o o f d m 系统和集中式m i m o o f d m 系统 提出相应 的训练序列及时频同步方案 并针对m i m o o f d m 系统中的采样钟同步 提出一 种幅度加权最小平方估计算法 基于伪随机加权训练序列的分布式m i m o o f d m 时频同步方案 为了减 小各个发射天线间的信号干扰 在时域对各发射天线的本原训练序列用靠 个具有良好互相关性的伪随机序列进行加权 构成分布式m i m o o f d m 训练序列 基于这 i j l l 练序列进行时频同步 能够同时获得各个收发天线 对之间的定时和频率偏移 并且性能良好 基于共轭对称训练序列的集中式m i m o o f d m 时频同步方案 为了准确 估计集中式m i m o o f d m 系统收发天线之间的定时和频率偏移 在各发 射天线上均发送时域具有共轭对称性 频域具有良好自相关性的训练序 列 基于这一训练序列进行时频同步 可以更加准确地估计定时和频率偏 移 并且频偏估计范围更大 幅度加权最小平方m i m o o f d m 采样钟频率偏移估计算法 对文献 5 8 帧结构加以改进 提出一种幅度加权最小平方采样钟频率偏移估计算法 理论分析与仿真结果表明 该算法无论在高斯信道还是多径衰落信道下均 具有良好的性能 3 o f d m a 系统中的定时同步 针对o f d m a 下行链路 将s i s o o f d m 系统中提出的两种训练序列及相应的 定时同步方法应用其中 针对o f d m a 上行链路 提出一种简单有效的定时偏移估 计算法 一种简单有效的o f d m a 上行链路定时偏移估计算法 针对o f d m a 上行 链路 提出一种简单有效的定时偏移估计算法 它基于线性最小平方估计 准则 利用导频符号子载波之间的相位差估计各用户的定时偏移 该算法 能够同时估计出所有用户的定时偏移 并且实现简单 适用于连续子载波 和交织子载波分配方案 因而同步建立快 适用范围广 更具实用性 4 m i m o o f i m 系统中的信道估计 第一章绪论 针对m i m o o f d m 系统中的信道估计 提出两种简单有效的估计算法 链式加权l s 信道估计算法 它基于f d m 循环导频方案 首先采用l s 算 法获得信道响应初始估值 然后对不同时刻的信道初值进行链式加权改善 信道估值 由于循环导频结构保证了任何发射天线在训练周期内所有载波 位置都有导频符号可供参考 从而能够有效抑制 载波边界效应 提高 信道估计的精度 同时它的实现复杂度低 因而具有一定的理论价值和实 际意义 干扰抑制迭代信道估计算法 它基于频域正交导频方案 首先采用d f t 内插方法获得信道响应初始估值 然后通过迭代消噪滤波处理改善信道估 值 由于迭代过程加入了信道预校正以及时域滤波 从而有效地消除了载 波间干扰以及信道噪声的影响 提高了信道估计的精度 同时它不需要信 道先验信息以及矩阵求逆运算 实现相对简单 5 空时编码 针对满秩网格空时码的传输速率受调制阶数限制这一问题 提出一种低阶调 制非满秩网格空时码 低阶调制非满秩网格空时码 它在保证传输速率不变的条件下 通过牺牲 部分分集度来降低调制阶数 从而提高了系统性能 与同速率满秩网格空 时码相比 它能获得更好的误码性能 并且实现简单 1 4 论文内容安排 本文主要围绕宽带无线通信系统中的关键技术展开分析研究 全文内容安排 如下 第二章在分析无线信道衰落特性的基础上 论述了o f d m 基本原理 构建了 o f d m 无线通信系统模型 分析了非理想传输条件对系统性能的影响 同时指出 准确的同步和信道估计是保证系统传输质量的关键 第三章主要研究了o f d m 系统中的同步技术 针对s i s o o f d m 系统 提出 了两种新的训练序列及相应的时频同步方案 针对m i m o o f d m 系统 提出了一 种分布式m i m o o f d m 时频同步方案 一种集中式m i m o o f d m 时频同步方案 和一种采样钟频率偏移估计算法 针对o f d m a 系统 提出了一种简单有效的 o f d m a 上行链路定时偏移估计算法 第四章主要研究了m i m o o f d m 系统中的信道估计技术 建立了m i m o o f d m 信道估计模型 提出了一种链式加权l s 信道估计算法和一种干扰抑制迭代 信道估计算法 6 西安电子科技大学博士学位论文 宽带无线通信系统中关键技术研究 第五章主要研究了空时编码技术 建立了空时信道模型 给出了空时信道容 量 在此基础上提出了一种低阶调制非满秩网格空时码 最后第六章对全文进行了总结 并指出有待进一步研究的问题 第二章o f d m 无线通信系统 第二章o f d m 无线通信系统 o f d m 是未来宽带无线通信系统中的核心技术之一 具有非常广阔的应用前 景 本章在分析无线信道衰落特性的基础上 论述了o f d m 基本原理 构建了o f d m 无线通信系统模型 最后分析了非理想传输条件对o f d m 系统性能的影响 2 1 1 大尺度衰落 2 1 无线衰落信道 当接收机和发射机之间的相对位置在一米到十几米的范围内变化时 接收信 号功率的本地平均值将基本保持不变 但是如果它们之间相对位置的改变远超过 以上范围 并且信道面临不同的阻挡物和反射平面时 接收信号功率的本地平均 值会有几个数量级的变化 信道的大尺度效应主要用来描述接收信号功率的本地 平均值随接收机与发射机之间距离的变化情况 2 1 1 1 自由空间传播 对