快速時變信道下基于WFRFT和部分FFT的傳輸方法.pdf

1、現(xiàn)代信息社會迅速發(fā)展，通信設(shè)備的快速移動性以及通信信號的高速率傳輸對通信行業(yè)的要求也越來越高。而現(xiàn)在通信環(huán)境也越來越復(fù)雜，諸如在LTE-A、WIMAX、水聲(underwater acoustic, UWA)通信以及數(shù)字視頻廣播(digital video broadcasting, DVB)通信等這樣的通信環(huán)境中，傳輸信號不僅會經(jīng)歷由于高速傳輸而造成的多普勒頻移的影響，進(jìn)而產(chǎn)生信道時間選擇性衰落，而且還會經(jīng)歷由于多個復(fù)雜傳播路徑而造成

2、的多徑干擾影響，進(jìn)而產(chǎn)生頻率選擇性衰落，在這樣的快速時變多徑(或者稱為雙選擇性衰落)信道下，通信信號的傳輸將會受到載波間干擾(inter-carrier interference, ICI)，符號間干擾(inter-symbol interference, ISI)以及載波頻率偏移(carrier frequency offset, CFO)干擾的影響，而這些會嚴(yán)重影響通信質(zhì)量，因此研究快速時變多徑信道下的信號傳輸和干擾抑制問題具有重要

3、意義。
　　傳統(tǒng)的快速時變多徑信道下干擾抑制方法主要是基于OFDM系統(tǒng)。但是，由于信道的強時變性引起的多普勒頻移的影響，破壞了子載波之間的正交性，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的ICI。為了抑制ICI的影響，一些文獻(xiàn)提出基于單載波系統(tǒng)的頻域均衡算法。然而，由于多徑延遲的干擾，單載波系統(tǒng)很容易受到ISI的影響，這也會影響到無線通信系統(tǒng)的性能。為此提出一種基于加權(quán)分?jǐn)?shù)傅里葉變換的混合載波系統(tǒng)，來解決快速時變多徑信道下ICI/ISI干擾抑制問題。特別地，

4、混合載波系統(tǒng)可以看成是單載波系統(tǒng)和OFDM系統(tǒng)的一種融合，能夠表現(xiàn)出相比較于單載波和OFDM在干擾抑制上更大的優(yōu)勢。另外一方面，從解調(diào)體制上分析，傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)利用了傅里葉變換進(jìn)行解調(diào)，由于傅里葉變換無法分析局部干擾的影響，因此迫切希望找到一種簡單的能夠進(jìn)行局部干擾分析的工具。幸運地是，一種新的解調(diào)工具，部分FFT解調(diào)提出，在局部干擾分析方面能夠優(yōu)于傳統(tǒng)的傅里葉變換解調(diào)。本文的目的是利用混合載波和部分FFT解調(diào)的優(yōu)勢，提出一種新型的

5、混合載波-部分FFT解調(diào)系統(tǒng)，對快速時變多徑信道下的ICI以及CFO干擾，進(jìn)行進(jìn)一步地抑制。并且提出一種基于這種新型系統(tǒng)的低復(fù)雜度均衡算法，本文主要的研究工作如下：
　　本文首先發(fā)展了多項加權(quán)分?jǐn)?shù)傅里葉變換(multiple weighted fractional Fourier transform, m-WFRFT)的理論。針對不同多項加權(quán)分?jǐn)?shù)傅里葉變換之間關(guān)系不明朗的問題，本文基于加權(quán)分?jǐn)?shù)傅里葉變換矩陣，建立了不同的多項加權(quán)分

6、數(shù)傅里葉變換的調(diào)制階數(shù)的關(guān)系。基于多項加權(quán)分?jǐn)?shù)傅里葉變換之間調(diào)制階數(shù)的關(guān)系，本文提出了一種廣義的混合載波系統(tǒng)，這可以看成是基于4-WFRFT的混合載波系統(tǒng)的廣義形式。最后分析了其在無線通信中的潛在應(yīng)用，為后文提供了重要的理論基礎(chǔ)。
　　針對快速時變信道下載波間的干擾問題，本文提出了基于混合載波-部分FFT解調(diào)系統(tǒng)的ICI抑制算法，并且設(shè)計了該算法的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。首先，混合載波系統(tǒng)在雙選信道下干擾抑制方面相比較于單載波和OFDM系統(tǒng)具有

7、明顯的優(yōu)勢。另外，部分FFT解調(diào)能夠?qū)⒂杏眯盘柹系母蓴_分配到很多無用的信號點上，這樣在有用信號點上的干擾就會相應(yīng)的減少，更有利于符號判決，而這是傳統(tǒng)的傅里葉變換所不能實現(xiàn)的。優(yōu)化的分塊數(shù)根據(jù)快速時變信道下殘余干擾的變化得到。進(jìn)一步地，優(yōu)化的調(diào)制階數(shù)可以根據(jù)歸一化多普勒設(shè)計得到。從數(shù)值仿真中可以得到，在典型的快速時變信道下，結(jié)合ICI抑制算法的混合載波-部分FFT解調(diào)系統(tǒng)，相比較于傳統(tǒng)單載波以及OFDM系統(tǒng)，在相同的分塊數(shù)下，具有更優(yōu)異的

8、誤碼率性能。
　　針對快速時變信道下的載波頻率偏移干擾問題，本文提出了基于混合載波-部分FFT解調(diào)的載波頻率偏移抑制算法。分析了載波頻率偏移的產(chǎn)生機理，得出在快速時變信道下，多徑延遲擴展的時變性是產(chǎn)生載波頻率偏移的主要原因。進(jìn)一步地，本文將所提出的CFO抑制算法應(yīng)用到了典型的快速時變多徑信道中，即DVB通信信道以及水聲通信信道。最后，通過數(shù)值仿真揭示了基于混合載波-部分FFT解調(diào)系統(tǒng)的CFO抑制算法相比較于單載波以及OFDM系統(tǒng)在

9、相同的分塊數(shù)下的優(yōu)勢。
　　考慮到基于部分FFT解調(diào)的傳統(tǒng)干擾抑制算法的計算復(fù)雜度高的問題，本文利用頻域信道的帶狀性質(zhì)，提出了基于混合載波-部分FFT解調(diào)的帶狀MMSE均衡算法。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)頻域信道矩陣，經(jīng)過部分FFT解調(diào)后，仍然能夠保持頻域信道的帶狀性質(zhì)，進(jìn)而能夠降低干擾抑制算法的計算復(fù)雜度。因此結(jié)合帶狀MMSE均衡，提出了一種低復(fù)雜度的均衡算法。進(jìn)一步地，經(jīng)過數(shù)值仿真驗證，本文提出的基于混合載波-部分FFT解調(diào)系統(tǒng)的低復(fù)雜度均