上行非正交多址接入场景下的频偏问题研究

作     者：陈心怡 

作者单位：中国科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：尹华锐

授予年度：2019年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：非正交多址接入 残余频率偏移 串行干扰消除 块稀疏恢复 

摘      要：大规模机器类通信(massive Machine Type Communication,mMTC)是第五代移动通信系统(5G)的典型应用场景之一,海量小数据包连接是其主要特征。由于当前常规的正交多址接入(Orthogonal Multiple Access,OMA)方案在小数据包业务下存在频谱效率低、连接数受限和信令开销占比高等的缺陷,不能满足mMTC的业务需求,所以5G需要引入更加灵活高效的接入技术,实现在有限资源的上接入更多的用户,其中非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)方案凭借其具有的频谱效率高、支持连接数量大、低时延等显著优势,获得了业界的广泛关注。NOMA系统在实现上因为复杂度的原因往往采用串行干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)接收机来实现多用户的检测和数据的解调。注意到系统收发信机的本地振荡器不可避免的会存在非理想性,这会进一步导致收发信号间存在采样钟频率偏差和载波频率偏差,即使经过了同步算法,该残余频差会依然存在。这些残余频差将导致SIC接收机无法完美地重构原始信号,干扰消除的过程将存在残差,并且残差会在迭代过程中进行累积,严重影响系统的传输性能,NOMA对多连接的支持能力也会因此受到限制。当前业界关于NOMA系统的研究主要集中于资源调度策略等方面,对系统非理想性问题关注较少。本文重点关注上行NOMA系统中收发信机间存在残余频偏的问题,分析残余频差对系统传输性能的影响,并设计相关的频偏估计和补偿算法,改善系统传输性能。本论文的研究内容分为两部分:(1)研究上行两用户功率域NOMA系统,分析SIC接收机下残余频差与系统传输性能的约束关系;(2)研究面向多天线的上行多域(功率域、码域、时空域以及频率域)非正交多址下频偏与系统性能的关系,探索改善系统性能的方法。研究中首先基于系统模型考虑残余频偏可能带来的系统性能损失,并利用仿真结果对理论分析进行验证;然后针对不同系统及其典型接收算法的特点,提出相应的频偏估计方法,并进行仿真实现,评估频偏估计算法的性能。研究表明,残余频差会导致上行NOMA系统性能的下降,且用户数越多,频偏的影响越严重;论文中所提出的频偏估计与补偿算法可以有效解决因为残余频差引起的多用户干扰问题,从而提升系统传输性能。