基于WFRFT的载波体制融合机理应用及其性能研究

发布时间：2020-05-05 08:09

【摘要】：随着信息技术的飞速发展,人们对于下一代通信系统的需求也不仅仅局限于峰值速率的增加,还追求复杂场景与环境下的高可靠与低时延,以及更低的终端功耗与用户的海量接入等。此外,由于信息量的急速增长,频谱资源变得日益稀缺,因此提高频谱效率、更加合理使用零碎的频谱资源就成为研究重点。然而,传统的以正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术为基础的波形设计方案并不能很好的解决这些问题。一方面,OFDM系统子载波间的正交性易受到载波频率偏移(Carrier Frequency Offset,CFO)和多普勒频移的影响,且峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)较高;此外,当需求随着场景的切换而改变时,OFDM系统不能进行灵活的资源配置。另一方面,OFDM系统的旁瓣衰减较慢导致带外功率泄露较大,需要较大的保护间隔来降低频带间的干扰,而造成频谱资源的浪费。因此,就需要研究适用于未来场景与需求的波形技术,例如广义频分复用(Generalized Frequency Division Multiplexing,GFDM)和滤波OFDM(Filtered OFDM,F-OFDM)系统等,这些新型的波形方案实现了更低的带外功率以及对复杂场景更强的鲁棒性。本文以基于加权分数傅里叶变换(Weighted-type Fractional Fourier Transform,WFRFT)预编码的混合载波(Hybrid Carrier,HC)系统和GFDM系统为研究对象,系统阐述了单载波(Single Carrier,SC)体制与多载波(Multicarrier,MC)体制的融合机理,并研究了混合载波系统和WFRFT预编码的GFDM系统在时频失配场景下的误码率性能。首先,本文研究了基于WFRFT的混合载波系统对单载波频域均衡(Single Carrier with Frequency Domain Equalization,SC-FDE)系统和OFDM系统的融合特性,定量地给出了混合载波系统中所包含的单载波分量和多载波分量。系统阐述了混合载波融合机理的加权方式,明确了ZF/MMSE均衡准则下的加权对象,推导了带有线性均衡的混合载波系统误码率表达式。在此基础上,进一步研究了混合载波融合机理的适用性和广泛性,推导了带有空时编码和功率分配的混合载波系统的理论误码率表达式,提出了基于混合载波系统的MMSE功率分配方法。其次,说明了OFDM系统、混合载波系统和单载波系统带外功率的一致性,并论述了基于混合载波系统的时域加窗和频谱预编码两类带外功率抑制技术。对于时域加窗技术,研究了一种基于时域加窗和频域成型的带外功率和峰均功率比联合抑制方法;对于频谱预编码技术,介绍了投影预编码和奇异值分解预编码两种带外抑制方法。当在混合载波系统中应用这两类带外功率抑制技术时,混合载波系统可以得到比OFDM系统更优的误码率和峰均功率比性能。根据混合载波系统中投影预编码均方误差较小的特点,提出了基于WFRFT的导频信号投影预编码器。再次,由于GFDM系统也具有“混合载波”的特征,为了兼具WFRFT预编码和GFDM系统各自的性能优势,本文研究了WFRFT预编码GFDM系统的性能,实现了GFDM系统和离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)预编码GFDM系统的融合。系统阐述了WFRFT预编码的GFDM系统中载波体制融合机理的加权方式,推导了带有ZF/MMSE接收机的WFRFT预编码GFDM系统的理论误码率表达式。在此基础上,推导了WFRFT预编码的空时编码GFDM系统的理论误码率表达式。此外,以噪声加强因子为优化目标,提出了空时编码GFDM系统的最小误码率功率分配方法,同时提升了系统的误码率和可达速率性能。最后,本文研究了混合载波系统和WFRFT预编码的GFDM系统在时频失配场景下的误码率性能,推导了带有载波频率偏移或时间偏移的混合载波系统的理论误码率表达式,以及带有时间偏移的WFRFT预编码GFDM系统的理论误码率表达式,有效简化了不同载波体制在不同场景下的误码率评估过程,并为WFRFT预编码系统的最优阶数选择问题奠定基础。当时间偏移和循环前缀不足出现时,WFRFT预编码有效提升了OFDM和GFDM系统的误码率性能。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5

【参考文献】