MIMO-OFDM系统中降低PAPR和高谱效信道估计研究

作     者：吴群 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周晓

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 

主      题：多输入多输出-正交频分复用 峰均功率比 信道估计 高谱效 叠加导频 加权平均 Zadoff-Chu序列 

摘      要：作为5G的关键技术,多输入多输出-正交频分复用(Multiple Input Multiple Output-Orthogonal Frequency Division Multiplexing,MIMO-OFDM)技术因其高系统可靠性、高信道容量和实现简单等优点被广泛研究。信号在无线信道中传播时易受环境影响而失真,所以在MIMO-OFDM系统中,信道估计至关重要。另外,MIMO-OFDM系统易出现峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)过高而使信号产生互调干扰,无线频谱资源稀缺一直是无线通信系统的挑战。因此,研究降低PAPR方法,以及高谱效、实现简单、估计准确的信道估计方法,对MIMO-OFDM系统具有重要意义。本文对MIMO-OFDM系统中降低PAPR方法和高谱效、高精度的信道估计方法进行研究,主要内容如下:(1)针对现有降低PAPR的方法系统开销大,降低PAPR效果差的问题,设计了一种动态寻找限幅阈值的最优阈值动态星座图扩展(Optimal Threshold Active Constellation Extension,OTACE)算法。首先,利用星座扩展增大外部星座点与相邻星座点之间的距离,增强信号的抗干扰能力。然后,构建关于限幅阈值的函数,动态寻找每次迭代时最合适的限幅阈值,进一步降低系统的PAPR。最后,实验分析出迭代次数,实现算法性能和计算复杂度之间的均衡。仿真结果表明,该算法不仅比传统的凸集映射(Projection Onto Convex Sets,POCS)算法和智能梯度投影(Smart Gradient Projection,SGP)算法降低 PAPR的效果更好,而且还提高了系统的信道估计精度。(2)针对无线通信系统频谱效率低的问题,设计了一种基于叠加导频和加权平均(Superimposed Pilot and Weighted Averaging,SP-WA)的信道估计方法。首先,采用数据与导频叠加的方案,提高通信系统的频谱效率。然后,利用抵消的思想去除信道估计时因数据与导频叠加带来的干扰。最后,为提高信道估计精度,在最小二乘(Least Square,LS)估计的基础上,根据无线信道的时间相关性,采用加权平均来抑制加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)。仿真结果表明,该方法与多帧平均方法和LS方法相比,具有更低的归一化均方误差(Normalized Mean Square Error,NMSE)和误比特率(Bit Error Rate,BER),且其使用的叠加导频比梳状导频提高了系统的吞吐量,节省了频带资源,实现了高谱效,但该方法无法用于时变信道。(3)针对上一方法SP-WA不适用时变信道的问题,设计了一种基于Zadoff-Chu(ZC)序列的信道估计方法。为适应时变信道,利用ZC序列良好的自相关和互相关特性,将ZC序列作为导频发送到无线信道中,在接收端结合线性最小均方误差(Linear Minimum Mean Square Error,LMMSE)方法估计信道。仿真结果表明,使用ZC序列时的信道估计精度比使用随机导频时的更高,且因ZC序列具有良好的相关性,可在插入较少ZC序列时得到较高的信道估计精度,从而提高了系统的频谱效率。