OFDM系统非参数信道估计算法研究

论文摘要

在以IMT2000标准为核心的第三代移动通信业务已经在全球全面铺开的同时，人们已经对新一代无线宽带多媒体通信系统做了大量的研究工作。新一代无线通信系统又称为超3代移动通信系统，简称B3G或4G系统。该系统的目标是在高速移动环境中支持最高约100Mbps的速率，因此新一代无线通信系统在传输速率和频谱利用率上需要有新的突破。正交频分复用（OFDM）是一种多载波数字通信调制技术，它具有频谱利用率高、可对抗多径时延扩展以及实现简单等特点，已经被确定为B3G移动通信系统中的核心技术之一。要在OFDM系统中进行高速率的数据传输，同时要保持较高的频谱利用率，OFDM系统需要使用密度更高的星座点进行符号映射并采用相干检测技术。在这种情况下，接收端必须知道精确的信道状态信息。同时，现代传输技术包括自适应调制、MIMO系统、波束成形、空时编码以及跨层自适应技术等都需要精确的信道状态信息。因此信道估计在OFDM系统中是不可或缺的。本论文在研究深入传统LS估计器，LMMSE估计器和基于DFT的变换域估计器的优缺点后，提出几种基于非参数函数估计的信道估计方法。这些方法不需要信道和传输数据的先验知识，在仅增加线性计算复杂度的前提下，大大提高了LS估计器的性能。论文首先讨论了衰落无线信道的特性，对信道的时域与频域特性作了简单的分析，详细介绍了常用的确定性衰落信道模型，并深入分析了它们的可微性、Lipschitz性及可逼近性等数学特性；并在简要介绍非参数函数估计方法的原理的基础上分析了将非参数方法用于衰落信道估计的可行性，为全文奠定了理论基础。接着我们提出一种基于局部线性回归的OFDM系统的信道估计方法，该方法明确提出将信道估计的插值过程和噪声消除过程进行分离：首先对估计出的导频处的信道估计值进行插值，然后对插值后的信道估计值进行局部线性回归以消除信道噪声和插值引入的误差。该方法不仅能够有效的抵抗线性插值所带来的误差，而且能有效的回避变换域方法受到附加矩形窗的影响，从而明显改善信道估计的性能。该方法不需要知道信道和数据的先验知识，因此具有很高的鲁棒性。算法的计算复杂度仅为O（N）。为了在不增加计算复杂度的前提下进一步提高估计精度，我们又提出了基于Saviztky-Golay平滑的OFDM频域信道估计算法，该算法实际上是一种局部多项式回归平滑算法，可以转化为卷积运算进行计算。利用通常Saviztky-Golay滤波器的抽头数远大于回归多项式阶数这一特点可以大大降低估计的计算复杂度，使得计算复杂度仅为O（N）。该方法具有局部线性回归估计算法的所有优点，且由于采用了局部多项式回归，估计精度比局部线性回归要高，同样不需要知道信道和数据的先验知识。对于块衰落信道，我们提出了基于二维核回归估计的OFDM系统信道估计方法。在核回归方法中，我们可以利用核函数来刻画信道复增益在时域频域上的相关性，因此估计性能比简单的局部回归要好。由于WSUSS信道的相关性可以进行时频分解，该算法可以分解为两个级联的一维核回归算法，复杂度大大降低。通过优化时域和频域核函数的支撑区间的长度，该算法的性能在低信噪比时甚至超过一维MMSE估计算法，而复杂度远低于一维MMSE估计算法，但比前两种算法的计算复杂度稍高一些，每点数据的算法复杂度与两个核函数长度和成正比。最后论文讨论了基于小波阈值估计的基本原理并提出了基于块阈值估计的小波阈值信道估计算法，该算法的性能优于基于传统的小波去噪信道估计算法，且在信道多径扩展大于CP长度时仍然具有较好的估计性能，且不存在模型失配问题，而计算复杂度仅为O（N）。通过全文的研究我们可以发现，非参数估计方法可以很好地在OFDM信道估计领域进行应用，并且可以在较低的计算复杂度下取得较好的估计性能。对基于非参数估计的信道估计方法，下一步的研究可以包括如何以较低的计算复杂度将这些算法推广到MIMO-OFDM系统中、算法的性能界的分析、估计窗长的选择、核函数的选择以及进一步降低二维核回归算法的计算量等方面。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 OFDM技术简介
• 1.3 OFDM系统信道估计技术现状
• 1.4 论文研究选题
• 1.5 论文内容安排
• 2 无线衰落信道的数学特性分析
• 2.1 引言
• 2.2 基本无线信道
• 2.3 多径衰落信道模型
• 2.4 衰落信道传递函数的数学特性分析
• 2.5 非参数回归估计理论
• 2.6 衰落信道的非参数估计
• 2.7 本章小结
• 3 基于局部线性回归的OFDM信道估计
• 3.1 引言
• 3.2 系统描述
• 3.3 基于局部线性回归的信道估计算法
• 3.4 仿真与讨论
• 3.5 本章小结
• 4 基于Savitzky-Golay平滑的非参数信道估计算法
• 4.1 引言
• 4.2 Savitzky-Golay平滑滤波器
• 4.3 基于Saviztky-Golay平滑滤波器的信道估计
• 4.4 仿真与讨论
• 4.5 本章小结
• 5 基于核回归估计的二维OFDM信道估计
• 5.1 引言
• 5.2 系统描述
• 5.3 局部核回归方法
• 5.4 基于核回归平滑的信道估计算法实现
• 5.5 仿真与讨论
• 5.6 本章小结
• 6 基于小波块阈值降噪的信道估计算法
• 6.1 引言
• 6.2 系统描述
• 6.3 小波阈值降噪算法
• 6.4 基于小波块阈值降噪的信道估计算法
• 6.5 仿真及性能分析
• 6.6 本章小结
• 7 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录2 读博期间参加的课题