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高速移动OFDMA/SC-FDMA传输系统关键技术研究

作　者: 杨丽花
导　师: 任光亮; 邱智亮
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 高速移动正交频分复用多址/单载波频分复用多址多普勒频偏估计时变信道估计同信号干扰
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在高速移动环境下，大的多普勒频移、频繁的小区切换和高数据传输速率的需求使频带有限的新一代移动通信系统设计充满了挑战。为了满足高速移动环境下高速数据传输业务传输的需求，新一代移动通信系统如长期演进（Long TermEvolution, LTE）系统采用了正交频分复用多址（Orthogonal Frequency DivisionMultiple Access, OFDMA）/单载波频分复用多址（Single Carrier Frequency DivisionMultiple Access, SC-FDMA）技术。但是，大的多普勒频移使高速移动环境中的信道产生了快速时变衰落，且引起OFDMA系统与SC-FDMA系统中子载波之间的正交性遭到破坏，这将严重影响系统性能。本文针对这些问题，分析了高速移动环境下影响系统性能的主要因素，对OFDMA和SC-FDMA两个系统均从多普勒频偏估计和时变信道估计等方面进行了深入的研究与分析，还深入研究了高速移动环境中同信号干扰的抑制技术，论文的主要研究内容包括以下几个方面：1.高速移动传输信道与影响系统性能因素分析研究中，研究了国内外高速铁路的信道模型，给出了国内高速铁路不同场景的建议信道传输模型；考虑多普勒频偏对上下行传输系统的不同影响，给出了上下行传输系统的时变信道模型；在此基础上，从相同信道环境与不同信道环境两个方面，分析了影响OFDMA/SC-FDMA系统性能的主要因素。2.高速移动环境OFDMA传输系统关键技术研究中，研究了多普勒频偏估计与时变信道估计两个方面的技术，具体为：（1）在多普勒频偏估计方面，研究了OFDMA系统中的多普勒频偏估计方法，针对多径莱斯接收信号的特点，提出了一种只利用直射（Line-of-Sight, LOS）分量径进行频偏估计的高精度频偏估计方法。所提出的方法大大减小了接收信号中散射分量对频偏估计精度的影响，既具有高的估计精度，又可以满足高速移动环境下大频偏估计范围的要求，且具有较低的计算复杂度。（2）在时变信道估计方面，从提高导频子信道估计精度与提高数据子信道估计精度两个角度，提出了一种适用于高速移动环境OFDMA传输系统的时变信道估计方法。所提出的方法通过降噪处理来获得高精度的导频子信道估计，和利用非线性内插方法获得高精度的数据子信道估计，这样简单的处理使得所提出方法具有高的估计精度与低的计算复杂度。3.高速移动环境SC-FDMA传输系统关键技术研究中，研究了多普勒频偏估计与时变信道估计两个方面的技术，具体为：（1）在多普勒频偏估计方面，研究了SC-FDMA系统中的多普勒频偏估计方法，针对高速环境中对高精度大范围频偏估计方法的需求，提出了一种新型的频偏估计方法。所提出方法利用了自回归（Autoregressive,AR）模型对频偏估计值进行子帧间跟踪处理，降低了噪声与干扰对频偏估计精度的影响。所提出方法解决了高速移动环境中多用户SC-FDMA传输系统的频偏估计问题，且具有低的计算复杂度。（2）在时变信道估计方面，针对传统方法估计精度低与计算复杂度高的问题，提出了一种新型的快速时变信道估计方法。所提出方法首先在新定义的变换域中，利用多项式基扩展模型（Polynomial-Base Extension Model, P-BEM）方法估计得到一子帧长度上所有符号上的信道参数估计，为了进一步提高导频两端数据符号的信道参数估计精度，采用了带有变化跟踪因子的AR模型进行跟踪，最后根据信道在变换域与频域的转换关系，给出了用于频域均衡的信道响应估计。所提出的方法由于是在新定义的变换域中进行，故具有低的计算复杂度。4.高速移动环境同信号干扰抑制技术研究中，提出了一种基于阵列天线与波束成形的干扰抑制方案。所提出的方法采用阵列天线来接收来自多个广播基站或射频拉远单元（Remote Radio Unit, RRU）发送的信号，然后利用波束成形的方法将带有多个多普勒频偏的接收信号分离为多个带有单一频偏的信号，再对分离出的每路信号分别进行处理后再合并。通过这样的处理，抑制了相邻广播基站或RRU带来的同信号干扰问题，大大提高了通信系统的传输质量。

全文目录

作者简介  3-4
摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-19
  1.1 引言  11-12
  1.2 高速移动环境 OFDMA/SC-FDMA 传输系统面临的问题  12-14
    1.2.1 多普勒频偏估计问题  12-13
    1.2.2 时变信道估计问题  13
    1.2.3 高速移动环境中同信号干扰问题  13-14
    1.2.4 高速移动环境中切换问题  14
  1.3 高速移动环境 OFDMA/SC-FDMA 传输系统关键技术研究现状  14-17
    1.3.1 多普勒频偏估计技术研究现状  15
    1.3.2 时变信道估计技术研究现状  15-17
    1.3.3 高速移动环境同信号干扰抑制技术研究现状  17
  1.4 论文组织结构  17-19
第二章高速移动传输信道与影响系统性能因素分析研究  19-34
  2.1 高速移动环境下传输信道模型  19-25
    2.1.1 高速移动环境的信道传输特性/模型  19-23
    2.1.2 高速移动环境上下行链路的传输信道模型  23-25
    2.1.3 高速移动环境中多普勒效应  25
  2.2 影响 OFDMA/SC-FDMA 传输系统性能的因素分析  25-32
    2.2.1 时变载波频率偏移  25-29
    2.2.2 快速时变信道  29-32
  2.3 本章小结  32-34
第三章高速移动环境 OFDMA 传输系统关键技术研究  34-58
  3.1 引言  34-36
  3.2 OFDMA 系统信号模型  36-37
  3.3 多普勒频偏估计方法  37-41
    3.3.1 导频辅助的频偏估计算法  37-39
    3.3.2 基于循环前缀的频偏估计方法  39-40
    3.3.3 基于判决数据的频偏估计方法  40
    3.3.4 信道散射径对多普勒频偏估计方法的影响  40-41
  3.4 新多普勒频偏估计方法  41-46
    3.4.1 新方法  42-43
    3.4.2 性能分析  43-44
    3.4.3 计算机仿真结果  44-46
  3.5 时变信道估计技术  46-51
    3.5.1 导频子信道估计方法  47-50
    3.5.2 数据子信道估计方法  50-51
  3.6 新快速时变信道估计方法  51-56
    3.6.1 新方法  51-54
    3.6.2 计算机仿真结果  54-56
  3.7 本章小结  56-58
第四章高速移动环境 SC-FDMA 传输系统关键技术研究  58-95
  4.1 引言  58-59
  4.2 SC-FDMA 系统信号模型  59-61
  4.3 多普勒频偏估计方法  61-67
    4.3.1 基于训练序列的频偏估计算法  62-63
    4.3.2 基于循环前缀的频偏估计算法  63-65
    4.3.3 联合训练序列与循环前缀的频偏估计方法  65-67
  4.4 新多普勒频偏估计与跟踪方法  67-76
    4.4.1 新方法  67-71
    4.4.2 性能分析  71-73
    4.4.3 计算机仿真结果  73-76
  4.5 时变信道估计技术  76-80
    4.5.1 基于卡尔曼滤波与多项式拟合的信道估计方法  76-77
    4.5.2 基于滑动窗的信道估计方法  77-78
    4.5.3 基于基扩展模型的信道估计方法  78-80
  4.6 新快速时变信道估计方法  80-94
    4.6.1 新算法  81-87
    4.6.2 性能与计算复杂度分析  87-90
    4.6.4 计算机仿真结果  90-94
  4.7 本章小结  94-95
第五章高速移动环境同信号干扰抑制技术研究  95-108
  5.1 引言  95-96
  5.2 信号模型与同信号干扰对系统性能的影响  96-98
    5.2.1 信号传输模型  96-97
    5.2.2 同信号干扰对系统性能的影响  97-98
  5.3 广播/多 RRU 场景中 OFDMA 系统传统接收处理方法  98
  5.4 同信号干扰抑制方法  98-106
    5.4.1 新方法  98-103
    5.4.2 性能分析  103
    5.4.3 计算机仿真结果  103-106
  5.5 本章小结  106-108
第六章结论与展望  108-111
  6.1 主要工作与贡献  108-109
  6.2 有待于进一步研究的问题  109-111
致谢  111-113
参考文献  113-122
攻读博士学位期间的研究成果  122-125
  学术论文  122-123
  国家发明专利  123
  参加研究的科研项目  123-125
附录 A  125-128

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