星地混合OFDM通信系統(tǒng)壓縮感知信道估計(jì)方法.pdf

1、星地混合OFDM通信系統(tǒng)結(jié)合了衛(wèi)星通信“覆蓋范圍大”和地面移動(dòng)通信“通信質(zhì)量高”的優(yōu)點(diǎn)，用戶(hù)終端可根據(jù)其所處的環(huán)境接入衛(wèi)星或地面網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)高速移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的全天候暢通與全地域覆蓋，滿(mǎn)足各類(lèi)用戶(hù)對(duì)泛在高速移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的客觀需求。用戶(hù)終端與衛(wèi)星或地面基站進(jìn)行通信時(shí)，無(wú)線(xiàn)電波會(huì)受到多徑效應(yīng)的影響而發(fā)生頻率選擇性衰落，從而嚴(yán)重影響信號(hào)傳輸質(zhì)量。為此，我們需要通過(guò)信道估計(jì)獲得精確的信道狀態(tài)信息，用于接收機(jī)的信道均衡與相干解調(diào)，以保證信號(hào)的傳輸

2、質(zhì)量。目前OFDM系統(tǒng)的信道估計(jì)通常是在頻域上進(jìn)行的，需要在其子載波上周期性的插入大量導(dǎo)頻才能有效探測(cè)信道衰落，導(dǎo)頻開(kāi)銷(xiāo)較大，系統(tǒng)資源利用率較低。然而，大量實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明實(shí)際的無(wú)線(xiàn)信道在時(shí)域上具有一定的稀疏特性，衛(wèi)星信道的稀疏性強(qiáng)于地面信道，且寬帶系統(tǒng)的稀疏特性更加明顯。隨著無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)向著寬帶化發(fā)展，對(duì)稀疏信道估計(jì)的研宄已經(jīng)成為新的焦點(diǎn)。近年來(lái)提出的壓縮感知理論可以根據(jù)少量測(cè)量值高效率的重構(gòu)原始稀疏信號(hào)，這為稀疏信道估計(jì)提供了強(qiáng)大的理論

3、支撐。
　　本文主要研宄基于壓縮感知的信道估計(jì)方法，提出能夠高效探測(cè)信道的導(dǎo)頻圖樣的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)能夠快速重構(gòu)信道狀態(tài)信息的恢復(fù)算法，并統(tǒng)籌考慮探測(cè)效率與恢復(fù)速度，提出適用于星地混合OFDM通信系統(tǒng)的高效快速的信道估計(jì)方案。該方案能夠充分利用無(wú)線(xiàn)信道固有的稀疏特性，用少量的導(dǎo)頻即可完成信道估計(jì)，并且可以根據(jù)用戶(hù)終端所處的實(shí)際信道環(huán)境對(duì)導(dǎo)頻數(shù)量進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，保證系統(tǒng)頻譜利用率的動(dòng)態(tài)最大化，能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)星地子系統(tǒng)間透明的空中接口提

4、供技術(shù)支撐，具有一定的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文的具體研宄內(nèi)容及其目標(biāo)如下：
　　第一，壓縮感知信道估計(jì)的數(shù)學(xué)建模。將信道估計(jì)問(wèn)題與壓縮感知理論相聯(lián)系，建立了基于壓縮感知的信道估計(jì)的數(shù)學(xué)模型。充分考慮實(shí)際無(wú)線(xiàn)信道的復(fù)雜性，選用隨機(jī)分布的導(dǎo)頻子載波探測(cè)信道、SL0(Smoothed Vnorm,平滑I。范數(shù))算法重構(gòu)信道狀態(tài)信息，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)這種最基本的壓縮感知信道估計(jì)方法的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)其導(dǎo)頻開(kāi)銷(xiāo)與估計(jì)性能進(jìn)行了評(píng)估，

5、為后續(xù)的深入研宄提供了理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。
　　第二，導(dǎo)頻圖樣的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。針對(duì)隨機(jī)分布的導(dǎo)頻僅能保證基本的信道探測(cè)效果、且難以在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用的問(wèn)題，提出了一種基于分布估計(jì)算法的導(dǎo)頻圖樣優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法以最小化感知矩陣的列相干為準(zhǔn)則，將導(dǎo)頻圖樣優(yōu)化建模為一個(gè)組合優(yōu)化問(wèn)題，利用分布估計(jì)算法對(duì)導(dǎo)頻的位置分布進(jìn)行優(yōu)化。仿真結(jié)果證明了該方法所設(shè)計(jì)出的導(dǎo)頻圖樣在信道估計(jì)時(shí)表現(xiàn)的性能更好。此外，根據(jù)導(dǎo)頻數(shù)量的不同，利用該方法能夠設(shè)計(jì)出

6、多種信道探測(cè)效果優(yōu)異的導(dǎo)頻圖樣，為不同信道場(chǎng)景下導(dǎo)頻的自適應(yīng)選擇與調(diào)整提供備選的優(yōu)質(zhì)導(dǎo)頻圖樣，從而為星地混合通信系統(tǒng)的高效信道探測(cè)提供有力支撐。
　　第三，SL0算法的收斂特性分析。在詳細(xì)介紹SL0算法原理的基礎(chǔ)上，對(duì)其能夠勝任稀疏信道恢復(fù)算法（即可快速重構(gòu)近似稀疏的復(fù)信道沖激響應(yīng)）的本質(zhì)原因進(jìn)行了理論分析。針對(duì)SL0算法中存在低效率迭代步驟的問(wèn)題，利用漸進(jìn)非凸原理對(duì)其迭代過(guò)程和收斂特性進(jìn)行了深入的理論分析，得出了迭代步長(zhǎng)長(zhǎng)度可以

7、實(shí)時(shí)反映當(dāng)前所恢復(fù)出的信號(hào)質(zhì)量、步長(zhǎng)長(zhǎng)度變化率可以實(shí)時(shí)反映當(dāng)前算法迭代效率的重要結(jié)論，并通過(guò)數(shù)值實(shí)驗(yàn)對(duì)該結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。該重要結(jié)論為后續(xù)兩種改進(jìn)SL0算法的提出，以實(shí)現(xiàn)高效的信道探測(cè)、快速的信道狀態(tài)信息恢復(fù)提供了有力的理論保障。
　　第四，星地混合系統(tǒng)的高效快速信道估計(jì)方案。根據(jù)上述SL0算法收斂特性，提出了兩種改進(jìn)算法，并進(jìn)行了數(shù)值實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。其中，R-SL0(Recognition SL0,識(shí)別SL0)算法可以主動(dòng)判定當(dāng)前導(dǎo)頻能

8、否滿(mǎn)足信道探測(cè)要求，為導(dǎo)頻數(shù)量的確定提供參考依據(jù)；而T-SL0(Thresholded SL0,閾值SL0)算法可以加速恢復(fù)信道狀態(tài)信息，為減少由信道估計(jì)引入的處理時(shí)延提供幫助。在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌考慮探測(cè)效率與恢復(fù)速度，提出了基于這兩種改進(jìn)SL0算法的適用于星地混合通信系統(tǒng)的高效、快速的信道估計(jì)方法：利用R-SL0算法確定探測(cè)當(dāng)前信道所需的導(dǎo)頻數(shù)量，從利用分布估計(jì)算法預(yù)先設(shè)計(jì)好的備選優(yōu)質(zhì)導(dǎo)頻圖樣中選定對(duì)應(yīng)的導(dǎo)頻，對(duì)信道進(jìn)行高效的探測(cè)；根據(jù)