MIMO-OFDM系统中信道估计和载波频偏估计技术的研究

论文摘要

MIMO与OFDM技术的结合已经成为下一代通信系统（B3G）的研究热点之一。B3G系统高容量、高质量和高移动性的要求对信道估计技术提出了非常严格的要求。建立在子载波间严格正交基础上的OFDM系统会产生载波频率偏移的情况,从而导致子载波干扰（ICI）,对于MIMO-OFDM系统还必须寻找一种对频率偏移有精确估计的方法。因此,MIMO-OFDM系统中的信道估计技术和载波频率偏移估计技术研究有重要的理论意义和实际应用价值。论文首先分析了基于导频的OFDM系统的信道估计技术及其国内外研究现状与成果,总结了这些方法的优势与不足。在此基础上,进一步研究MIMO-OFDM系统下的自适应信道估计技术,考虑到无线移动信道具有信道模型未知的特点,传统的卡尔曼滤波的信道估计方法不再适用,因此本文提出了一种MIMO-OFDM系统中基于扩展卡尔曼滤波（EKF）的信道估计方法。又鉴于无线信道会出现非线性的特点,本文进一步采用一种非线性信号处理方法,将基于无迹卡尔曼滤波（UKF）的信号处理方法应用到估计领域,从而产生一种基于UKF的信道估计方法。计算机仿真结果表明,本文提出的基于UKF信道估计方法的BER和MSE性能好于基于LMS的信道估计方法。高速数据通信中的信道通常为稀疏信道,采用路径捕获技术能够有效抑制加性高斯白噪声,从而大大提高信道估计精度,因此,基于路径捕获技术的信道估计方法在实际应用中倍受重视。论文分析了一种自适应路径捕获算法,并将其与基于UKF的信道估计技术结合。仿真结果表明,采用自适应路径捕获算法的UKF信道估计方法优于确定路径数的UKF信道估计方法的性能,同时改善了算法复杂度。论文对OFDM系统中存在的载波频率偏移问题进行研究,提出了一种基于UKF的载波频率偏移估计方法。仿真结果表明该算法对频率偏移有精确的估计,且带宽效率高于自消除（SC）方法以及最大似然估计（MLE）方法。并针对同时存在载波频率偏移和多径效应的MIMO-OFDM系统,采用基于UKF的信道与载波频率偏移联合估计方法。仿真结果表明,基于UKF的信道与载波频偏联合估计方法,能够很好地同时估计信道和载波频率偏移,大大提高MIMO-OFDM系统的抗多径干扰的能力,降低移动通信系统对频率偏移的敏感性。MIMO-OFDM系统中的信道估计和载波频率偏移估计是移动通信系统中的关键技术,本文在研究过程中,在降低信道估计的算法复杂度,提高信道估计的系统性能以及提高载波频率估计的带宽利用率等方面取得了一定的研究成果。但是信道估计是一个系统问题,尤其是与其它一些技术,如链路自适应技术、MAC层的HARQ等的结合还是一个难题,有待今后进一步深入研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 无线移动通信的发展
• 1.3 无线移动通信的两大关键技术
• 1.4 关于本课题的研究
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 课题研究意义
• 1.4.3 作者所做的工作
• 1.4.4 本论文的主要研究成果
• 1.5 论文的篇章结构
• 第二章 MIMO-OFDM 系统概述
• 2.1 引言
• 2.2 OFDM 技术的原理与数学模型
• 2.2.1 OFDM 技术的原理
• 2.2.2 OFDM 技术的数学模型
• 2.3 MIMO 技术的原理与信息论基础
• 2.3.1 MIMO 技术的原理
• 2.3.2 MIMO 技术的信息论基础
• 2.4 MIMO-OFDM 系统的模型及其关键技术
• 2.4.1 无线信道模型
• 2.4.2 MIMO-OFDM 系统的数学模型
• 2.4.3 MIMO-OFDM 系统的关键技术
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于导频信号的MIMO-OFDM 系统的信道估计
• 3.1 引言
• 3.2 基于导频的OFDM 系统的信道估计方法及其研究现状
• 3.2.1 导频的选择与插入
• 3.2.2 接收端导频位置信道信息获取的方式
• 3.2.3 通过导频位置获取的信道信息及恢复所有时刻的信息
• 3.2.3.1 基于MMSE 的改进信道估计技术
• 3.2.3.2 使用近似方法实现信道估计
• 3.3 本章小结
• 第四章 MIMO-OFDM 系统中基于卡尔曼滤波器的信道估计算法
• 4.1 引言
• 4.2 自适应信道估计概述
• 4.3 路径捕获技术的研究
• 4.3.1 自适应路径捕获算法
• 4.4 基于UKF 的信道估计算法
• 4.4.1 卡尔曼滤波器原理及分类
• 4.4.2 系统与信道模型
• 4.4.3 信道估计
• 4.4.3.1 导频结构
• 4.4.3.2 频域LS 信道估计
• 4.4.3.3 路径捕获技术
• 4.4.3.4 时域UKF 信道估计
• 4.4.3.5 仿真结果分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 MIMO-OFDM 系统中信道和载波频率偏移联合估计算法
• 5.1 引言
• 5.2 多载波系统中的子载波间频率偏移估计算法
• 5.2.1 OFDM 系统中的ICI 分析
• 5.2.2 基于UKF 的载波间频率偏移估计算法
• 5.2.2.1 载波频率偏移模型
• 5.2.2.2 基于UKF 的载波频率偏移估计算法
• 5.2.2.3 仿真结果分析
• 5.3 MIMO-OFDM 系统中基于UKF 的信道与载波频率偏移联合估计算法
• 5.3.1 MIMO-OFDM 系统模型
• 5.3.2 信道模型
• 5.3.3 基于UKF 的信道与载波频率偏移联合估计
• 5.3.3.1 导频结构
• 5.3.3.2 信道与载波频率偏移联合估计
• 5.3.3.3 仿真结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 总结
• 6.2 论文进一步研究的方向
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录