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OQAM-OFDM无线通信系统关键技术研究

陈达  
【摘要】:偏移正交幅度调制-正交频分复用(Offset Quadrature Amplitude Modulation-Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OQAM-OFDM)技术具有比OFDM低得多的带外频谱泄露,已被标准推进组IMT-2020列为中国第五代移动通信(5G)物理层的主要备选方案之一。但是,在OQAM-OFDM无线通信系统中,由无线信道和非完美重建条件引入的干扰会对系统性能造成不利的影响。因此,本论文针对以上两种干扰,研究了OQAM-OFDM无线通信系统中的两个关键技术:循环前缀和原型滤波器,并将OQAM-OFDM技术应用于飞蜂窝通信网络中以解决多系统共存引起的设备间干扰。 首先,本论文针对由无线信道引起的符号间干扰(Inter Symbol Interference,ISI)问题,研究了OQAM-OFDM无线通信系统中的循环前缀构造方法。本论文研究了添加循环前缀的OQAM-OFDM无线通信系统特性,并分析了其信号功率谱。本论文证明了,添加循环前缀后的循环前缀-OQAM-OFDM (Cyclic Prefix-OQAM-OFDM, CP-OQAM-OFDM)发送信号等于将输入符号添加循环前缀和循环后缀后通过OQAM-OFDM无线通信系统得到输出发送信号中的一段截取信号,这意味着CP-OQAM-OFDM发送信号的功率谱会因信号截取所影响。基于此发现,本论文提出一种没有截取OQAM-OFDM输出信号的扩展CP-OQAM-OFDM (Extended CP-OQAM-OFDM, ECP-OQAM-OFDM)无线通信系统,使其信号功率谱与原始OQAM-OFDM信号几乎一样。本论文还详细比较了三种添加循环前缀的OQAM-OFDM无线通信系统,并将其与加窗CP-OFDM无线通信系统进行性能对比。仿真结果表明,在同时考虑功率谱和比特误码率(Bit Error Rate, BER)性能时,添加循环前缀的OQAM-OFDM无线通信系统比加窗CP-OFDM无线通信系统表现更好,并且本论文提出的ECP-OQAM-OFDM无线通信系统在目前添加循环前缀的OQAM-OFDM无线通信系统中具有最好的功率谱性能。 其次,本论文针对由非完美重建条件引起的ISI和载波间干扰(Inter Carrier Interference, ICI)问题,研究了OQAM-OFDM无线通信系统中的原型滤波器设计。本论文建立了以最小化阻带能量为目标,以限制ISI和ICI功率总和为约束的直接优化滤波器系数的优化问题。由于优化问题中变量个数太多,本论文对优化问题进行了线性变换并通过近似极大地减少了优化问题的变量个数,同时将近似误差控制在可接受的门限内。基于以上线性变换和近似,本论文利用分支定界法求得减少变量后优化问题的全局最优解。仿真结果表明,本论文设计出的滤波器的旁瓣性能比频率采样技术和加窗技术得到的滤波器更好。 最后,本论文针对由多系统共存引起的设备间干扰问题,将OQAM-OFDM技术应用到飞蜂窝(Femtocel1)通信网络中,研究了设备间干扰抑制方法。本论文提出利用OQAM-OFDM信号的低带外泄露特性结合异步传输抑制相邻飞蜂窝小区之间的干扰,并提出频谱和小区分割方法来抑制飞蜂窝和宏蜂窝小区之间的干扰。在本论文提出的频谱和小区分割方法中,上行和下行频谱都被划分为四个互不交叠的部分。宏蜂窝小区和飞蜂窝小区被分割为三或四个区域,其中每个区域分得一部分频谱。利用提出的干扰抑制方法,相互之间存在干扰的用户或基站被分开一段距离,从而极大降低了干扰。本论文还从理论上分析了干扰抑制效果和平均传输速率性能。仿真结果表明,本论文提出的干扰抑制方法能够极大地降低飞蜂窝通信网络中的设备间干扰,并提高了网络平均传输速率。


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