多天線寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)低復(fù)雜度信道估計(jì)和均衡技術(shù)研究.pdf

1、正交頻分復(fù)用(OFDM)因其高的頻譜效率和出色的抗多徑干擾能力，成為當(dāng)前無(wú)線寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)廣泛采用的通信技術(shù)，已被多個(gè)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)采用，如數(shù)字視頻廣播/數(shù)字音頻廣播(DVB/DAB)、高速無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)(IEEE802.11x)、移動(dòng)WiMAX(IEEE802.16e)和3GPP/LTE等等。此外，隨著長(zhǎng)距離高速鐵路網(wǎng)的發(fā)展，人們對(duì)高速移動(dòng)場(chǎng)景下的多媒體服務(wù)需求在不斷增長(zhǎng)。但是，OFDM系統(tǒng)的性能容易受信道變化的影響，當(dāng)一個(gè)O

2、FDM符號(hào)內(nèi)的信道變化時(shí)，子載波之間的正交性破壞導(dǎo)致載波間干擾(ICI)，使得性能大大降低。當(dāng)OFDM結(jié)合多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)時(shí)，ICI更加嚴(yán)重，信道估計(jì)和均衡問(wèn)題變得更為復(fù)雜。對(duì)于無(wú)線系統(tǒng)相干接收機(jī)而言，要正確地恢復(fù)發(fā)射信號(hào)，信道估計(jì)和均衡技術(shù)必不可少，性能和復(fù)雜度是評(píng)價(jià)這些技術(shù)的兩個(gè)主要指標(biāo)。本文將就多天線寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)中的低復(fù)雜度信道估計(jì)和均衡技術(shù)進(jìn)行研究。
　　本論文的研究?jī)?nèi)容主要包括三個(gè)方面：時(shí)不變頻率選擇性信

3、道下多天線時(shí)域同步正交頻分復(fù)用(TDS-OFDM)系統(tǒng)低復(fù)雜度信道估計(jì)、雙選擇性信道下多天線OFDM系統(tǒng)低復(fù)雜度信道均衡以及雙選擇性信道下多天線OFDM系統(tǒng)低復(fù)雜度信道估計(jì)三個(gè)方面進(jìn)行了研究。本文的研究目標(biāo)是深入探索現(xiàn)有算法的內(nèi)在機(jī)理，在保持幾乎相同性能的同時(shí)，設(shè)法降低現(xiàn)有算法的復(fù)雜度。為了便于工程實(shí)現(xiàn)，提出的方案考慮性能和復(fù)雜度的折中。全文的研究成果總結(jié)如下：
　　本文首先研究了時(shí)不變頻率選擇性信道下多天線TDS-OFDM系統(tǒng)中

4、的信道估計(jì)技術(shù)。不像常規(guī)的OFDM系統(tǒng)，TDS-OFDM系統(tǒng)沒(méi)有循環(huán)前綴和導(dǎo)頻符號(hào)，它的信道估計(jì)是利用已知的有限長(zhǎng)度的偽噪聲(PN)序列，常用的信道估計(jì)方案是基于時(shí)域相關(guān)的方法。由于頻率選擇性多徑信道引入的符號(hào)間干擾(ISI)影響信道估計(jì)的精度，需要對(duì)相關(guān)輸出的結(jié)果進(jìn)行ISI消除。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，分析了單天線系統(tǒng)傳統(tǒng)迭代方案ISI消除的原理，其最大的不足在于需要多次迭代，且每次都需要對(duì)多徑的能量排序和干擾消除。對(duì)于多天線TDS-OFDM系

5、統(tǒng)，除了ISI消除之外，同信道干擾(CCI)消除也是一個(gè)關(guān)鍵考慮，取決于天線之間的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)。不過(guò)，現(xiàn)有的迭代CCI和ISI消除的方法，復(fù)雜度較高。本文提出的方案通過(guò)簡(jiǎn)單合理地設(shè)計(jì)多天線之間準(zhǔn)正交的訓(xùn)練符號(hào)，對(duì)每個(gè)接收天線的相關(guān)輸出結(jié)果構(gòu)造線性方程，仔細(xì)分析該線性方程的結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)出一個(gè)隱含的CCI和ISI消除的相當(dāng)簡(jiǎn)化的最小二乘(LS)意義上的解析解，無(wú)需迭代和矩陣求逆，大大節(jié)省了內(nèi)存存儲(chǔ)空間。此外，提出的低復(fù)雜度方案對(duì)單天線和多天線系統(tǒng)

6、均能適用。
　　接著，本文研究了雙選擇性信道下單天線和多天線OFDM系統(tǒng)中基于基擴(kuò)展模型(BEM)建模的信道均衡算法，假設(shè)完美已知信道狀態(tài)信息和BEM系數(shù)?？焖贂r(shí)變信道使得OFDM系統(tǒng)的頻域信道矩陣不再是對(duì)角陣，而是一個(gè)滿(mǎn)矩陣，時(shí)不變信道下采用的簡(jiǎn)單的單抽頭均衡器失效。傳統(tǒng)的迫零(ZF)或最小均方誤差(MMSE)均衡器的復(fù)雜度較高，且容易出現(xiàn)高的誤碼平層。此外，在高信噪比下ICI非常嚴(yán)重的情況下，頻域信道矩陣的條件數(shù)很高，會(huì)導(dǎo)致性

7、能惡化。以此為研究動(dòng)機(jī)，深入分析基于BEM表示的分解的信道矩陣結(jié)構(gòu)，提出了低復(fù)雜度的并行干擾消除(PIC)和混合干擾消除(HIC)兩種均衡方案，可靈活應(yīng)用于任何基函數(shù)。對(duì)于混合干擾消除的初始解，為了避免矩陣求逆，利用低復(fù)雜度的迭代LSQR算法。通過(guò)調(diào)整HIC方案的動(dòng)態(tài)閾值可以方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和性能的折中。隨后，提出的基于BEM的信道均衡方法分別被擴(kuò)展到快速時(shí)變信道下多天線MIMO系統(tǒng)和發(fā)射分集多輸入單輸出(MISO)系統(tǒng)。不管是單天線還

8、是多天線系統(tǒng)，仿真證實(shí)提出的方案能夠在性能和復(fù)雜度之間獲得較好的折中。
　　最后，本文研究了雙選擇性信道下多天線OFDM系統(tǒng)中的基于BEM的信道估計(jì)算法，仍然以探索低復(fù)雜度信道估計(jì)為主要目標(biāo)。對(duì)于基于BEM時(shí)變信道，時(shí)域或頻域信道估計(jì)轉(zhuǎn)化為BEM系數(shù)估計(jì)。傳統(tǒng)的最小二乘估計(jì)方法需要復(fù)雜的矩陣求逆，對(duì)于多天線系統(tǒng)，涉及求逆的矩陣維數(shù)更大。針對(duì)這一問(wèn)題，結(jié)合雙選擇性信道下導(dǎo)頻設(shè)計(jì)的特點(diǎn)、OFDM系統(tǒng)頻域處理的優(yōu)勢(shì)以及基于復(fù)指數(shù)基擴(kuò)展模