基于滤波器组多载波的无线通信传输技术研究

发布时间：2020-07-04 06:36

【摘要】：随着大数据和物联网的迅速发展,现代通信系统的信息量将爆发式增长,各种新的应用场景不断涌现,从而迎来了5G时代。面对5G通信超低延时、高频谱效率、高传输速率和业务多样性的要求,基于正交频分复用(OFDM)的传统通信系统因为较高的带外泄露和较低的频谱效率已经不能满足新的应用需求。而滤波器器组多载波(FBMC)由于较低的带外泄露和较高的频谱利用率等特性受到了广泛关注。FBMC具有以下特点:良好的带外抑制,不需要循环前缀,各子载波间可以不正交,可实现各子载波之间的灵活控制,适合于零散化的碎片频谱利用。在每个子载波上滤波,它是实现复杂度尚可的多载波传输方案。由于滤波器的引入,它会影响FBMC系统的复杂度和性能。同时,由于FBMC系统的时域重叠结构和固有干扰,传统OFDM系统的峰均功率比(PAPR)抑制、信道估计和MIMO信号检测技术不能直接应用到FBMC系统。为解决这些问题,本文进行了如下研究和创新:1、原型滤波器的特性会影响FBMC系统的性能好坏,同时,它的设计需满足完美重构(PR)条件或近乎完美重构(NPR)条件。在分析无约束条件优化的缺点后,本文提出了一种新的有约束条件的优化方法,该方法利用旁瓣和ISI/ICI为约束条件,对原型滤波器的系数进行直接优化。这种方法在NPR条件下同时降低了阻带能量和旁瓣。仿真结果表明,与窗函数的优化的原型滤波器相比,所提方法优化的原型滤波器进一步减少了阻带能量和旁瓣。通过利用快速正交整体变换来计算离散傅里叶变换(DFT)和沃尔什-哈达玛变换(WHT),本文提出了一种低复杂度的循环前缀的编码FBMC(CC-FBMC)系统。与传统的FBMC系统相比较,该方法使变换和卷积运算总的复杂度降低了很多。2、FBMC系统具有很高的PAPR。由于FBMC重叠的时域结构,传统OFDM系统上相关的PAPR抑制技术不能直接应用到FBMC系统。为了解决这个问题,一些针对FBMC系统新的PAPR抑制方法被提出。一是提出了采用随机分配原型滤波器(RAPF)的方法去有效抑制PAPR;二是利用RAPF算法的优点,提出了RAPF算法和哈达玛变换,RAPF算法和DFT扩频的两个混合算法,进一步降低了FBMC系统的PAPR;三是利用分层搜索和PAPR估计算法的思想,本文提出了FBMC系统中低复杂度的混合部分传输序列(H-PTS)算法,该算法在某些特定的情况下,可以把C-PTS算法复杂度降低两个数量级。3、FBMC系统的信道估计是一个挑战性的任务。特别是当无线信道呈现时间选择性或频率选择性的时候,FBMC系统的信道估计更复杂。为了提高FBMC系统信道估计的精度,利用聚类算法,本文解决FBMC系统中DFT的信道估计问题。聚类算法精确地分离了最大时延内信道系数里面的噪声,从而提高了FBMC信道的估计精度。利用支持向量回归,本文提出了AP-NCSVR算法,解决传统信道插值方法精度不高的问题。基于聚类和支持向量机的信道估计精度都高于传统的信道估计方法,但这是以增加复杂度为代价的。4、由于无线信道具有稀疏性,因此,FBMC系统中信道的估计可以作为一个压缩感知问题来研究。本文提出一种稀疏自适应子空间追踪(SASP)算法对FBMC系统进行信道估计。对于SASP算法,本文发展了两种新的AP-SASP和编码的SASP算法来估计FBMC系统中的信道的频域响应(CFR)值。SASP算法可以准确地估计双选择信道中的CFR值,并且利用SP算法的低复杂性降低了计算复杂度。与传统的AP-OMP,AP-ROMP,编码的正交匹配追踪(OMP)和编码的ROMP信道估计方法相比,AP-SASP和编码的SASP方法可以获得比传统的AP-OMP、AP-ROMP、编码的OMP和编码的ROMP方法更好的BER性能。SASP算法的复杂度仅为传统OMP、ROMP、CoSaMP算法的复杂度的90%。5、为了解决FBMC与MIMO相结合信号检测的问题,在哈达玛编码的MIMO-FBMC系统的基础上,本文分析了低频率选择性和中频率选择性场景的信号检测问题。最后,本文提出了一种正则化的SASP(RSASP)联合迫零(ZF)的稀疏信号检测算法。仿真结果分析表明RSASP和ROMP算法的BER性能优于CoSaMP算法。另外,RSASP和ROMP算法几乎具有相同的BER性能,但RSASP算法的复杂度低于ROMP算法。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5

【参考文献】