OFDM系统中信道估计及相关技术的研究

论文摘要

由于具有信道频谱利用率高、实现容易（可采用快速傅立叶变换）和接收机结构简单（频域单抽头均衡）等优点,正交频分复用（OFDM）技术在很多领域得到了广泛应用,包括:非对称双绞线高速接入（ADSL）、数字音频广播（DAB）、数字视频广播(DVB、无线局域网技术标准IEEE802.11a和宽带无线接入技术标准802.16等,并且被纳入第四代移动通信参考标准。信道估计在OFDM技术中有着非常重要的作用,通过信道估计,可以实现相干检测,使得系统在低信噪比的环境下依然具有低误码率,这一点在实际系统中至关重要。本文对OFDM的信道估计技术进行了研究,在如下几个方面进行了研究工作:首先讨论了如何设计OFDM系统的参数,为实际的OFDM系统设计提供了理论基础,并通过仿真验证了讨论的结果。文中讨论了保护间隔和符号间干扰的关系,说明了保护时隙的长度不必大于信道的多径长度,只要能够保证保护时隙内的信道能量占全部信道能量的97%以上,残余ISI的影响就小于一般系统A/D采样的噪声,可以忽略不计。本文还讨论了导频的插入方式。在导频总数固定的情况下最优的导频模板是具有分散结构的离散导频。通过推导,得出结论,最优的导频间隔应该根据多普勒谱的四阶矩来确定。当移动速度增加时,多普勒谱的四阶矩也增加,随之时间轴上的导频密度x1应该减小。其次,本文中探索了如何使OFDM系统更加高效地对抗频率选择性信道。本文提出了一种隐藏导频的信道估计方法,导频隐藏在数据中,将数据与导频混合发送。由于节省了信道估计用的导频,因此节省系统带宽,仿真显示,隐藏导频的信道估计方法可以节省9%11%左右的系统带宽。隐藏导频的信道估计方法是一种相干估计算法,不同于基于盲估计的相干估计算法,它利用导频辅助进行信道估计,因此具有较快的收敛速度,还可以防止进入局部最优解,通过实验比较我们发现,隐藏导频的信道估计方法具有基于MMSE准则的信道估计方法相近的性能。对于不同的环境,可以通过修改隐藏导频的功率来自适应的进行调节,调节的方法非常简单。在文章,我们还讨论了隐藏导频的信道估计算法的Cramer-Rao下限。然后我们在文章中讨论了时间选择性信道中OFDM系统的频域均衡算法。OFDM系统对时间选择特性信道非常敏感,Doppler频移的出现会造成OFDM系统子载波不再正交,对系统引入载波间干扰。本文提出了一种低复杂度的载波间干扰消除算法:LCD-FFT均衡器,算法的基本思想是,在大部分应用场合下,信道是线性变化的,可以通过线性内插来近似。相对于其他基于信道截断的低复杂度均衡器,LCD-FFT均衡器具有较高的精度。LCD-FFT均衡器的主要运算为FFT运算,因此它是一种复杂度为o（Nlog2N）的均衡器,仿真显示,相比于复杂度为o（N3）的LS均衡器,LCD-FFT均衡器具有相同的性能,对于128个子载波的OFDM系统,LCD-FFT均衡器的计算量只有LS均衡器的2%左右。最后我们讨论了多天线OFDM系统中信道估计的实现问题。我们分析了两大类MIMO-OFDM系统的信道估计方法:频域信道估计法和时域信道估计法。通过分析,我们提出了一种简化的MIMO-OFDM系统的时域信道估计方法。这种方法在不降低估计的精度的同时,使计算量下降为原来的1/（Nt）。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT （英文摘要）
• 主要符号对照表
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 论文背景
• 1.3 论文研究的目标
• 1.4 论文内容安排
• 1.5 论文主要贡献与创新
• 第二章 无线衰落信道与OFDM系统
• 2.1 无线信道的大尺度衰落
• 2.2 无线信道的小尺度衰落
• 2.2.1 连续双选择性衰落信道
• 2.2.2 离散双选择性衰落信道
• 2.3 OFDM系统的发展历史
• 2.4 OFDM系统的实现方法
• 2.5 OFDM系统的优缺点
• 2.6 总结
• 第三章 OFDM系统的调制解调方法
• 3.1 基于导频符号的相干检测
• 3.1.1 导频信号的插入方式
• 3.1.2 导频位置的信道估计
• 3.1.3 内插滤波器的设计
• 3.2 基于隐藏导频的相干检测
• 3.2.1 算法简介
• 3.2.2 算法的Cramer-Rao下限
• 3.2.3 仿真结果
• 3.3 总结
• 第四章 ICI分析及消除
• 4.1 ICI的来源
• 4.1.1 由于多径时延产生的ICI
• 4.1.2 由于时变信道产生的ICI
• 4.2 时变信道中的信道估计
• 4.3 时变信道中ICI的消除
• 4.3.1 利用自消除的方法消除ICI
• 4.3.2 利用加窗的方法消除ICI
• 4.3.3 一种低复杂度的频域ICI均衡器
• 4.4 总结
• 第五章 多天线OFDM系统的信道估计
• 5.1 MIMO-OFDM系统的基本结构
• 5.2 MIMO-OFDM系统的信道估计
• 5.2.1 频域信道估计法
• 5.2.2 时域信道估计法
• 5.3 一种简化的MIMO-OFDM系统的信道估计方法
• 5.4 总结
• 总结与展望
• 参考文献
• 附录 A 定理4.3的证明
• 个人简历、在学期间的研究成果及发表的论文
• 致谢