無(wú)線(xiàn)通信中的時(shí)頻同步技術(shù)研究.pdf

1、作為滿(mǎn)足人們自由通信需求的唯一殺手锏，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在過(guò)去的數(shù)十年間取得了前所未有的大發(fā)展。時(shí)至今日，不斷涌現(xiàn)的各種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相互借鑒、相互融合，一時(shí)呈現(xiàn)“百家爭(zhēng)鳴”的局面。一方面，正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）、多天線(xiàn)等先進(jìn)無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)被廣泛應(yīng)用在新一代的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中來(lái)提升信號(hào)質(zhì)量。另一方面，以無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)為基礎(chǔ)的位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)也已成為當(dāng)今信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重

2、要組成部分。
　　任何無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)首先不可避免地面臨著由無(wú)線(xiàn)通信節(jié)點(diǎn)之間時(shí)間和載頻異步帶來(lái)的諸多挑戰(zhàn)。本論文以無(wú)線(xiàn)通信的時(shí)頻異步特性為主線(xiàn)，研究?jī)?nèi)容主要圍繞無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中的OFDM、多天線(xiàn)技術(shù)和無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)，并重點(diǎn)關(guān)注其時(shí)頻同步技術(shù)以及非同步條件下的信號(hào)處理方法。概括來(lái)說(shuō)，本論文針對(duì)正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）的上行鏈路系統(tǒng)提出了一系列載頻偏

3、盲估計(jì)方法，設(shè)計(jì)了兩種非同步條件下的協(xié)作通信編碼方案，另外針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位需求，提出了非同步條件下的分布式角度估計(jì)方法。本文的主要貢獻(xiàn)有：
　　1．OFDMA上行鏈路載頻偏估計(jì)方法
　　1)針對(duì)接收端配備多天線(xiàn)系統(tǒng)的交織OFDMA上行鏈路，挖掘空域資源，提出了兩種載頻偏盲估計(jì)方法。論文首先基于子空間理論設(shè)計(jì)了一個(gè)基于降秩準(zhǔn)則的估計(jì)器，可以為各用戶(hù)單獨(dú)估計(jì)載頻偏。為了進(jìn)一步提高估計(jì)性能，提出了基于最大似然準(zhǔn)則的盲估計(jì)方

4、法。在其中論文基于交替投影的思想將復(fù)雜度極高的多維搜索轉(zhuǎn)化為一系列一維搜索問(wèn)題。論文所提的兩種方法可以支持系統(tǒng)的滿(mǎn)負(fù)載傳輸，因而跟已有的方法相比，它們可以支持更好的傳輸帶寬利用率。此外，論文還分析了所提方法的理論性能，推導(dǎo)了相應(yīng)的克拉美羅界（Cramer-Rao Bound，CRB）。大量的仿真實(shí)驗(yàn)表明，所提方法不僅適用于滿(mǎn)負(fù)載系統(tǒng)，而且可以在多徑數(shù)目較少的場(chǎng)景中獲得比傳統(tǒng)方法更好的估計(jì)性能。
　　2)針對(duì)采用任意子載波分配方案的

5、OFDMA上行鏈路，論文提出了一種載頻偏和波達(dá)方向（Direction of Arrival，DOA）的聯(lián)合估計(jì)方法。論文在基站端配備多天線(xiàn)系統(tǒng)，考慮每個(gè)用戶(hù)的信號(hào)經(jīng)歷其周邊和遠(yuǎn)端的散射體反射后，沿著多個(gè)DOA入射到基站的天線(xiàn)陣列?；诮抵葴?zhǔn)則，論文提出了可同時(shí)得到各用戶(hù)載頻偏和DOA的聯(lián)合估計(jì)方法。具體來(lái)說(shuō)，針對(duì)每個(gè)用戶(hù)，論文首先基于一維搜索得到載頻偏估計(jì)，然后利用多項(xiàng)式求根可得到其多個(gè) DOA的估計(jì)。論文還進(jìn)一步推導(dǎo)了所提方法對(duì)載頻

6、偏和DOA估計(jì)的理論性能分析。仿真實(shí)驗(yàn)不僅驗(yàn)證了理論分析的正確性，而且表明所提方法不僅適用于多簇信道的場(chǎng)景，而且還可以在單簇信道場(chǎng)景中獲得比已有方法更好的估計(jì)性能。
　　2．非時(shí)頻同步場(chǎng)景中的中繼非再生協(xié)作通信方案設(shè)計(jì)
　　1)論文考慮協(xié)作通信系統(tǒng)中天然存在的時(shí)頻異步特性，結(jié)合OFDM和信號(hào)空間分集技術(shù)提出了一種分布式空頻卷積編碼方案。在所提方案中，源節(jié)點(diǎn)采用時(shí)間擴(kuò)展的循環(huán)前綴（Cyclic Prefix，CP），每個(gè)中繼節(jié)

7、點(diǎn)僅需要執(zhí)行簡(jiǎn)單的卷積和放大操作，而且不需要關(guān)于信道和載頻偏的任何信息。論文發(fā)現(xiàn)，基于該擴(kuò)展的CP，系統(tǒng)中的多個(gè)載頻偏在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)處可以被直接補(bǔ)償。論文進(jìn)一步證明所提方案在時(shí)頻異步的場(chǎng)景中幾乎可以同時(shí)獲得空域和多徑分集增益。
　　2)論文進(jìn)一步研究了協(xié)作通信系統(tǒng)中可能存在的多普勒頻偏問(wèn)題?？紤]由一個(gè)源節(jié)點(diǎn)、一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的中繼非再生協(xié)作通信系統(tǒng)。論文提出兩種基于OFDM和Alamouti編碼的協(xié)作方案，在其中各中繼節(jié)

8、點(diǎn)僅執(zhí)行簡(jiǎn)單的操作，如時(shí)間反轉(zhuǎn)和共軛。針對(duì)無(wú)多普勒頻偏的場(chǎng)景，論文發(fā)現(xiàn)接收端的OFDM信號(hào)將不存在載波間干擾（InterCarrier Interference，ICI），而且每個(gè)子載波上的接收信號(hào)呈現(xiàn)出類(lèi)似于A(yíng)lamouti編碼的結(jié)構(gòu)。然而，當(dāng)存在多普勒頻偏時(shí)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)處的接收信號(hào)將產(chǎn)生ICI。針對(duì)此，論文進(jìn)一步提出了重復(fù)碼輔助的Alamouti編碼結(jié)構(gòu)。論文發(fā)現(xiàn)，在所提方案中，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)采用快速逐符號(hào)的信號(hào)檢測(cè)便可以獲得滿(mǎn)空域分集增益

9、。
　　3．非時(shí)頻同步下的分布式無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)
　　論文針對(duì)多徑傳播信道中的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)定位提出了一種新的角度估計(jì)方法。在該方法中，錨節(jié)點(diǎn)利用雙天線(xiàn)發(fā)射兩個(gè)線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)場(chǎng)強(qiáng)指示信號(hào)的頻率分析便可獨(dú)立獲得對(duì)該發(fā)射信號(hào)離去角度（Angle of Departure，AOD）的估計(jì)。為了提高估計(jì)性能，論文發(fā)現(xiàn)多個(gè)平行天線(xiàn)陣與接收節(jié)點(diǎn)間具有相近的離去角度。基于此，進(jìn)一步提出了利用多個(gè)平行天線(xiàn)陣分集的改進(jìn)方法。所提的方法僅