单载波分数阶傅里叶域均衡系统及关键技术研究

【摘要】：单载波频域均衡(SC-FDE)技术可以有效地解决频率选择性信道引起的多径衰落问题,是宽带无线通信系统中的一项重要技术。SC-FDE系统和OFDM系统所包含的运算模块类似,但是它的峰值平均功率比更低,而且对频偏影响不明显,因此成为第四代移动通信系统的核心技术之一。然而,当无线信道为快速时变信道时,基于Fourier变换的SC-FDE系统的频域子信道间不再相互正交,使系统的性能下降。为了减小子信道间的干扰,本文提出了基于分数阶傅里叶变换(Fractional Fourier Transform,Fr FT)的SC-Fr FDE系统。通过选择合适的分数阶Fourier变换阶次;加入基于该阶次的循环前缀,SC-Fr FDE系统可以有效地降低时变信道带来的干扰问题,提高系统的性能。关于本论文所作出的详细工作和科研创新,下面将逐一讲述:(1)本文介绍了Fr FT的应用现状以及Fr FT的定义和相关性质。由于SC-Fr FDE系统所采用的信号均为离散信号,本文详细介绍了离散分数阶傅里叶变换(Discrete Fractional Fourier Transform,DFr FT)的定义以及它的一个重要性质——隐含的chirp周期性。在应用DFr FT将信号变换到分数阶Fourier域之后,为了减小分数阶Fourier域信道间的干扰,实现SC-Fr FDE系统在分数阶Fourier域的简单均衡,本文认真研究了分数阶圆周卷积定理。(2)给出了基于chirp循环前缀(chirp Cyclic Prefix,chirp CP)的SC-Fr FDE系统模型,随后提出了基于零前缀的SC-Fr FDE系统模型。chirp CP是将发送信号尾部的数据按照chirp周期性进行复制到保护间隔。零前缀的加入方法是使发送端信号尾部的数据置为0(该长度与循环前缀的长度相同),每组数据之前的保护间隔的数据也设置为0。无论是chirp CP还是零前缀,在最优分数阶Fourier阶次下,都可以使SC-Fr FDE系统性能明显好于传统的SC-FDE系统。(3)给出了基于信道信息的最优分数阶Fourier阶次选取准则,提出了实现该准则的粗搜索和精搜索算法。Fr FT比Fourier变换多了一个自由参数——变换阶次,因而它的应用更加地灵活。为了选择最优的分数阶Fourier阶次,本文给出了最优阶次选取准则。然而根据该准则逐一地搜索最优阶次的工程是很庞大的。为了减小搜索最优变换阶次的工程,本文提出了基于粗搜索与精搜索的最优阶次选择算法。(4)本文给出了SC-Fr FDE系统的基于导频的分段线性时变信道估计方法。SC-Fr FDE系统的最优阶次的选择有赖于其时变信道估计。本文计算了用于信道估计的分数阶Fourier变换阶次;研究了SC-Fr FDE系统的梳状导频加入方法,并结合信道的分段线性模型,对相对多普勒频移小于0.1的线性时变信道进行了估计。(5)将SC-Fr FDE系统的应用从单天线扩展到多天线,建立了MIMO SC-Fr FDE系统;类比于单天线,推导了多天线下的最优阶次选取准则;最后,为了说明本文所提出系统的实用性,文章对最优分数阶Fourier变换阶次下的MIMO SC-Fr FDE系统的复杂度进行了分析。当无线通信系统中收发双方之间存在着较大的多普勒频移时,包含多发多收天线之间信道状态信息的频域信道矩阵不再是块对角矩阵,非对角部分即是时变信道所引起的干扰。为降低快速时变信道带来的子信道间干扰,本文提出了采取分数阶Fourier域均衡来代替Fourier域均衡的MIMO SC-Fr FDE系统模型。