無線通信中的時頻同步技術(shù)研究.pdf

1、作為滿足人們自由通信需求的唯一殺手锏，無線通信技術(shù)在過去的數(shù)十年間取得了前所未有的大發(fā)展。時至今日，不斷涌現(xiàn)的各種無線通信技術(shù)相互借鑒、相互融合，一時呈現(xiàn)“百家爭鳴”的局面。一方面，正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）、多天線等先進無線傳輸技術(shù)被廣泛應(yīng)用在新一代的無線通信系統(tǒng)中來提升信號質(zhì)量。另一方面，以無線定位技術(shù)為基礎(chǔ)的位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)也已成為當今信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重

2、要組成部分。
　　任何無線通信技術(shù)首先不可避免地面臨著由無線通信節(jié)點之間時間和載頻異步帶來的諸多挑戰(zhàn)。本論文以無線通信的時頻異步特性為主線，研究內(nèi)容主要圍繞無線通信系統(tǒng)中的OFDM、多天線技術(shù)和無線定位技術(shù)，并重點關(guān)注其時頻同步技術(shù)以及非同步條件下的信號處理方法。概括來說，本論文針對正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）的上行鏈路系統(tǒng)提出了一系列載頻偏

3、盲估計方法，設(shè)計了兩種非同步條件下的協(xié)作通信編碼方案，另外針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位需求，提出了非同步條件下的分布式角度估計方法。本文的主要貢獻有：
　　1．OFDMA上行鏈路載頻偏估計方法
　　1)針對接收端配備多天線系統(tǒng)的交織OFDMA上行鏈路，挖掘空域資源，提出了兩種載頻偏盲估計方法。論文首先基于子空間理論設(shè)計了一個基于降秩準則的估計器，可以為各用戶單獨估計載頻偏。為了進一步提高估計性能，提出了基于最大似然準則的盲估計方

4、法。在其中論文基于交替投影的思想將復(fù)雜度極高的多維搜索轉(zhuǎn)化為一系列一維搜索問題。論文所提的兩種方法可以支持系統(tǒng)的滿負載傳輸，因而跟已有的方法相比，它們可以支持更好的傳輸帶寬利用率。此外，論文還分析了所提方法的理論性能，推導(dǎo)了相應(yīng)的克拉美羅界（Cramer-Rao Bound，CRB）。大量的仿真實驗表明，所提方法不僅適用于滿負載系統(tǒng)，而且可以在多徑數(shù)目較少的場景中獲得比傳統(tǒng)方法更好的估計性能。
　　2)針對采用任意子載波分配方案的

5、OFDMA上行鏈路，論文提出了一種載頻偏和波達方向（Direction of Arrival，DOA）的聯(lián)合估計方法。論文在基站端配備多天線系統(tǒng)，考慮每個用戶的信號經(jīng)歷其周邊和遠端的散射體反射后，沿著多個DOA入射到基站的天線陣列?；诮抵葴蕜t，論文提出了可同時得到各用戶載頻偏和DOA的聯(lián)合估計方法。具體來說，針對每個用戶，論文首先基于一維搜索得到載頻偏估計，然后利用多項式求根可得到其多個 DOA的估計。論文還進一步推導(dǎo)了所提方法對載頻

6、偏和DOA估計的理論性能分析。仿真實驗不僅驗證了理論分析的正確性，而且表明所提方法不僅適用于多簇信道的場景，而且還可以在單簇信道場景中獲得比已有方法更好的估計性能。
　　2．非時頻同步場景中的中繼非再生協(xié)作通信方案設(shè)計
　　1)論文考慮協(xié)作通信系統(tǒng)中天然存在的時頻異步特性，結(jié)合OFDM和信號空間分集技術(shù)提出了一種分布式空頻卷積編碼方案。在所提方案中，源節(jié)點采用時間擴展的循環(huán)前綴（Cyclic Prefix，CP），每個中繼節(jié)

7、點僅需要執(zhí)行簡單的卷積和放大操作，而且不需要關(guān)于信道和載頻偏的任何信息。論文發(fā)現(xiàn)，基于該擴展的CP，系統(tǒng)中的多個載頻偏在目標節(jié)點處可以被直接補償。論文進一步證明所提方案在時頻異步的場景中幾乎可以同時獲得空域和多徑分集增益。
　　2)論文進一步研究了協(xié)作通信系統(tǒng)中可能存在的多普勒頻偏問題?？紤]由一個源節(jié)點、一個目標節(jié)點和兩個中繼節(jié)點構(gòu)成的中繼非再生協(xié)作通信系統(tǒng)。論文提出兩種基于OFDM和Alamouti編碼的協(xié)作方案，在其中各中繼節(jié)

8、點僅執(zhí)行簡單的操作，如時間反轉(zhuǎn)和共軛。針對無多普勒頻偏的場景，論文發(fā)現(xiàn)接收端的OFDM信號將不存在載波間干擾（InterCarrier Interference，ICI），而且每個子載波上的接收信號呈現(xiàn)出類似于Alamouti編碼的結(jié)構(gòu)。然而，當存在多普勒頻偏時，目標節(jié)點處的接收信號將產(chǎn)生ICI。針對此，論文進一步提出了重復(fù)碼輔助的Alamouti編碼結(jié)構(gòu)。論文發(fā)現(xiàn)，在所提方案中，目標節(jié)點采用快速逐符號的信號檢測便可以獲得滿空域分集增益

9、。
　　3．非時頻同步下的分布式無線定位技術(shù)
　　論文針對多徑傳播信道中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位提出了一種新的角度估計方法。在該方法中，錨節(jié)點利用雙天線發(fā)射兩個線性調(diào)頻信號，各節(jié)點通過場強指示信號的頻率分析便可獨立獲得對該發(fā)射信號離去角度（Angle of Departure，AOD）的估計。為了提高估計性能，論文發(fā)現(xiàn)多個平行天線陣與接收節(jié)點間具有相近的離去角度?；诖?，進一步提出了利用多個平行天線陣分集的改進方法。所提的方法僅