多天線寬帶無線通信系統(tǒng)低復雜度信道估計和均衡技術研究.pdf

1、正交頻分復用(OFDM)因其高的頻譜效率和出色的抗多徑干擾能力，成為當前無線寬帶移動通信系統(tǒng)廣泛采用的通信技術，已被多個無線標準系統(tǒng)采用，如數(shù)字視頻廣播/數(shù)字音頻廣播(DVB/DAB)、高速無線局域網(WLAN)(IEEE802.11x)、移動WiMAX(IEEE802.16e)和3GPP/LTE等等。此外，隨著長距離高速鐵路網的發(fā)展，人們對高速移動場景下的多媒體服務需求在不斷增長。但是，OFDM系統(tǒng)的性能容易受信道變化的影響，當一個O

2、FDM符號內的信道變化時，子載波之間的正交性破壞導致載波間干擾(ICI)，使得性能大大降低。當OFDM結合多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)時，ICI更加嚴重，信道估計和均衡問題變得更為復雜。對于無線系統(tǒng)相干接收機而言，要正確地恢復發(fā)射信號，信道估計和均衡技術必不可少，性能和復雜度是評價這些技術的兩個主要指標。本文將就多天線寬帶無線通信系統(tǒng)中的低復雜度信道估計和均衡技術進行研究。
　　本論文的研究內容主要包括三個方面：時不變頻率選擇性信

3、道下多天線時域同步正交頻分復用(TDS-OFDM)系統(tǒng)低復雜度信道估計、雙選擇性信道下多天線OFDM系統(tǒng)低復雜度信道均衡以及雙選擇性信道下多天線OFDM系統(tǒng)低復雜度信道估計三個方面進行了研究。本文的研究目標是深入探索現(xiàn)有算法的內在機理，在保持幾乎相同性能的同時，設法降低現(xiàn)有算法的復雜度。為了便于工程實現(xiàn)，提出的方案考慮性能和復雜度的折中。全文的研究成果總結如下：
　　本文首先研究了時不變頻率選擇性信道下多天線TDS-OFDM系統(tǒng)中

4、的信道估計技術。不像常規(guī)的OFDM系統(tǒng)，TDS-OFDM系統(tǒng)沒有循環(huán)前綴和導頻符號，它的信道估計是利用已知的有限長度的偽噪聲(PN)序列，常用的信道估計方案是基于時域相關的方法。由于頻率選擇性多徑信道引入的符號間干擾(ISI)影響信道估計的精度，需要對相關輸出的結果進行ISI消除。針對這個問題，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，且每次都需要對多徑的能量排序和干擾消除。對于多天線TDS-OFDM系

5、統(tǒng)，除了ISI消除之外，同信道干擾(CCI)消除也是一個關鍵考慮，取決于天線之間的導頻設計。不過，現(xiàn)有的迭代CCI和ISI消除的方法，復雜度較高。本文提出的方案通過簡單合理地設計多天線之間準正交的訓練符號，對每個接收天線的相關輸出結果構造線性方程，仔細分析該線性方程的結構，推導出一個隱含的CCI和ISI消除的相當簡化的最小二乘(LS)意義上的解析解，無需迭代和矩陣求逆，大大節(jié)省了內存存儲空間。此外，提出的低復雜度方案對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)中基于基擴展模型(BEM)建模的信道均衡算法，假設完美已知信道狀態(tài)信息和BEM系數(shù)?？焖贂r變信道使得OFDM系統(tǒng)的頻域信道矩陣不再是對角陣，而是一個滿矩陣，時不變信道下采用的簡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非常嚴重的情況下，頻域信道矩陣的條件數(shù)很高，會導致性

7、能惡化。以此為研究動機，深入分析基于BEM表示的分解的信道矩陣結構，提出了低復雜度的并行干擾消除(PIC)和混合干擾消除(HIC)兩種均衡方案，可靈活應用于任何基函數(shù)。對于混合干擾消除的初始解，為了避免矩陣求逆，利用低復雜度的迭代LSQR算法。通過調整HIC方案的動態(tài)閾值可以方便地實現(xiàn)復雜度和性能的折中。隨后，提出的基于BEM的信道均衡方法分別被擴展到快速時變信道下多天線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)，仿真證實提出的方案能夠在性能和復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的信道估計算法，仍然以探索低復雜度信道估計為主要目標。對于基于BEM時變信道，時域或頻域信道估計轉化為BEM系數(shù)估計。傳統(tǒng)的最小二乘估計方法需要復雜的矩陣求逆，對于多天線系統(tǒng)，涉及求逆的矩陣維數(shù)更大。針對這一問題，結合雙選擇性信道下導頻設計的特點、OFDM系統(tǒng)頻域處理的優(yōu)勢以及基于復指數(shù)基擴展模