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双选择信道下OFDM系统中一种基于新Kalman滤波估计的Turbo均衡

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电子与信息学报 2009年第6期31卷 1390-1394页

作者：屠佳蔡跃明徐友云解放军理工大学通信工程学院南京210007

在OFDM系统中,信道的快速时变性破坏了子载波间的正交性,从而导致子载波间干扰(ICI),降低了系统性能。该文针对双选择信道的时变特性,提出了一种新的Kalman滤波信道估计算法,将其应用于过采样的复指数基扩展模型(OCE-BEM),从而将一个OFD... 详细信息

在OFDM系统中,信道的快速时变性破坏了子载波间的正交性,从而导致子载波间干扰(ICI),降低了系统性能。该文针对双选择信道的时变特性,提出了一种新的Kalman滤波信道估计算法,将其应用于过采样的复指数基扩展模型(OCE-BEM),从而将一个OFDM符号周期内信道参数时变的问题转化为参数时不变问题,同时,将这种新的Kalman滤波器与基于ICI抑制的低复杂度LMMSE Turbo均衡器相结合,并辅以循环冗余码校验(CRC)控制算法迭代次数,从而不需要更多的导频符号,在保证算法性能的基础上,减小算法的计算时延和复杂度。理论分析和仿真结果表明,该文给出的方法在双选择信道下能够有效地跟踪信道变化并抑制ICI影响。

关键词： Kalman滤波估计 Turbo均衡过采样复指数基扩展模型(OCE-BEM) 双选择信道

基于深度学习的广义频分复用系统时频双选择信道估计

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通信学报 2021年第10期42卷 233-242页

作者：王莹任军史可林彬大连海事大学信息科学技术学院辽宁大连116026 鹏程实验室网络通信研究中心广东深圳518052

广义频分复用(GFDM)系统存在固有的子载波间干扰和子符号间干扰,在时频双选择信道下,会产生严重的导频污染现象,使基于导频的信道估计性能显著下降。为此,提出一种基于深度学习的GFDM系统信道估计框架,将离散导频位置处最小二乘信道估... 详细信息

广义频分复用(GFDM)系统存在固有的子载波间干扰和子符号间干扰,在时频双选择信道下,会产生严重的导频污染现象,使基于导频的信道估计性能显著下降。为此,提出一种基于深度学习的GFDM系统信道估计框架,将离散导频位置处最小二乘信道估计值构成低分辨图像作为网络输入,利用深度残差网络恢复信道时频响应的高分辨图像,实现GFDM系统的信道估计。设计了基于深度残差网络的GFDM时频双选择信道估计算法的仿真系统,通过离线训练获得深度残差网络的最优参数。仿真结果表明,所提算法能够得到接近于最小均方误差信道估计的精度和误码率性能,并具有稳健的多普勒频移泛化能力。

关键词：广义频分复用深度学习双选择信道信道估计残差网络

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双选择信道中时间偏移GFDM通信的研究

双选择信道中时间偏移GFDM通信的研究

作者：于释雄大连海事大学

学位级别：硕士

广义频分复用(Generalized frequency division multiplexing,GFDM)作为一种数据块结构的多载波调制方案,具有结构灵活,带外辐射低,频谱利用率高等特点,是超5代移动通信系统的候选波形之一。但由于引入原型滤波器,GFDM系统存在自身固有... 详细信息

广义频分复用(Generalized frequency division multiplexing,GFDM)作为一种数据块结构的多载波调制方案,具有结构灵活,带外辐射低,频谱利用率高等特点,是超5代移动通信系统的候选波形之一。但由于引入原型滤波器,GFDM系统存在自身固有干扰。而在超5代移动通信系统中,接入设备的高移动性会带来严重的多普勒效应,使信道具有时频双选择性,这将导致GFDM系统的信干比性能显著下降,制约GFDM系统的应用。本文首先介绍了GFDM系统模型,并与其他多载波调制方式进行了比较,指出其优势,并讨论了一种低复杂度GFDM系统实现算法。随后,从子符号层面对符号定时偏移(Symbol Timing Offset,STO)、载波频率偏移(Carrier Frequency Offset,CFO)与双选择信道对GFDM系统平均信干比的影响进行了理论分析与仿真,发现了传统GFDM系统数据块中首个子符号不连续的能量结构是其对CFO与多普勒频移敏感的原因。并据此通过对传统GFDM系统的原型滤波器进行循环移位,提出了时间偏移GFDM系统。理论分析与仿真结果表明,时间偏移GFDM系统在不牺牲对STO鲁棒性的前提下,提高了在双选择信道与CFO影响下的平均信干比。针对双选择信道下的时间偏移GFDM系统通信,本文提出了联合迭代双选择信道估计与符号检测算法。该算法首先基于离散导频的最小二乘准则估计结果,利用最小均方误差准则估计广义信道矩阵。并通过信道估计器与符号检测器之间的信息交换,分别采用并行干扰消除与串行干扰消除,通过迭代逐步减小数据符号间的干扰,提高信道估计精度与最终的误比特率性能。仿真结果表明,通过迭代可以有效提高信道估计精度,降低系统误比特率,且使用串行干扰消除效果要优于使用并行干扰消除,这一算法在双选择信道下有着较好的误比特率性能。最后比较了传统GFDM系统与时间偏移GFDM系统在这一算法下的误比特率性能,再次验证了本文所提出的时间偏移GFDM系统在双选择信道下的优势。

关键词：广义频分复用时间偏移双选择信道迭代信道估计干扰消除

多用户OFDM系统基于压缩感知的信道估计中多导频集合设计研究

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南京邮电大学学报（自然科学版） 2018年第2期38卷 35-40页

作者：李慧何雪云梁彦南京邮电大学通信与信息工程学院江苏南京210003

为了保证高速移动环境中多用户OFDM系统(Multi-User Orthogonal Frequency Division Multiplexing Systems)中基站能估计所有的上行信道,研究了双选择(Doubly-Selective,DS)信道模型下多个导频集合的设计问题。同时为了降低每个用户的... 详细信息

为了保证高速移动环境中多用户OFDM系统(Multi-User Orthogonal Frequency Division Multiplexing Systems)中基站能估计所有的上行信道,研究了双选择(Doubly-Selective,DS)信道模型下多个导频集合的设计问题。同时为了降低每个用户的导频开销,将压缩感知(Compressed Sensing,CS)理论应用在信道估计中。在分析基于最小化互相关值的导频设计准则所存在问题的基础上,将最小化调整互相关值用于传统的DSO(Discrete Stochastic Optimization)导频设计方法来完成单个用户导频设计,然后基于最小化调整互相关集合元素的加权平均准则,将改进的DSO算法扩展到多用户导频集合的设计。仿真结果表明,采用提出的新准则获得的每一个导频集合均能获得比较好的信道估计性能,与已有的其它准则相比,在用户数增多的情况下能使信道估计性能得到改善。

关键词：多用户OFDM 双选择信道压缩感知多导频集合设计

基于正交信分复用的环境稳健水声通信技术研究

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基于正交信分复用的环境稳健水声通信技术研究

作者：王玉洁西北工业大学

学位级别：硕士

进入21世纪以来,海洋在领土主权、国家安全以及经济发展等方面的地位和作用逐渐突显,一股空前的“海洋热”正席卷全球。水声通信作为服务于海洋工程装备各领域的一项重点技术,近年来进入高速发展阶段。目前使用较为广泛的正交频分复用(O... 详细信息

进入21世纪以来,海洋在领土主权、国家安全以及经济发展等方面的地位和作用逐渐突显,一股空前的“海洋热”正席卷全球。水声通信作为服务于海洋工程装备各领域的一项重点技术,近年来进入高速发展阶段。目前使用较为广泛的正交频分复用(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing,OFDM)技术和单载波频域均衡(Single-Carrier Frequency-Domain Equalization,SC-FDE)技术虽各自具有一定的优势,但也都存在局限性。为此,人们希望在物理层采用一种新的调制架构,其既可保留OFDM与SC-FDE二者的优势,同时尽量避免各自的缺点,并且信号结构有利于实现更高的带宽利用率。在此方面,新兴的正交信分复用(Orthogonal Signal-Division Multiplexing,OSDM)技术引入“符号矢量”概念,将OFDM与SC-FDE统一为此框架下的两个极端特例,有望实现两大技术阵营的融合。本论文旨在研究OSDM水声通信系统,重点涉及信道估计、均衡与分集处理等关键技术,并基于仿真与湖上试验对相关理论方法进行性能验证。本文的主要研究内容及创新性成果包括:1.本文从传播损失、环境噪声、多径效应和多普勒效应四个方面对水声信道的特性进行了具体分析。同时,为了更准确地表征水声信道的时变多径特性,本文采用复指数基扩展模型(Complex Exponential Basis Expansion Model,CE-BEM)对时频双选择衰落信道进行建模。2.本文研究了基于时频双选择衰落信道的低复杂度OSDM块均衡与串行均衡方法,其利用CE-BEM下复合信道矩阵所特有的循环分块带状结构,通过变换域处理以降低计算量。同时,两种均衡方法分别基于块LDL分解算法和块迭代矩阵求逆算法实现,可很大程度上提升OSDM系统抗矢量间干扰(Inter-Vector Interference,IVI)的能力。仿真结果表明,所提出的OSDM均衡方法性能优于OFDM对等方法,可为时频双选择衰落信道下高速水声通信提供新的有效方案。3.为了进一步减小使用CE-BEM建模所引入的误差,本文提出了基于对角分块带状(Diagonal-Block-Banded,DBB)矩阵增强的OSDM均衡方法。该方法通过引入满足最小频带误差逼近准则与指数和约束条件的时域窗函数,可有效提升复合信道矩阵DBB结构近似的精度。同时,结合所提出的块LDL分解算法,设计了相应的低复杂度OSDM均衡方法。仿真结果表明,基于DBB矩阵增强的OSDM均衡方法性能优于直接DBB近似处理,且这种性能优势在强多普勒的情况下更加明显。4.本文设计了适用于OSDM水声通信系统的信道估计方法。该方法使用频移Chu序列作为导频向量,并基于此序列及其离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)的恒模性质,避免了信道估计中的直接矩阵求逆运算,从而显著降低了系统接收端的计算复杂度,故有利于工程实现。同时,为了进一步简化信道估计,此方法还在导频向量周围添加了零向量以实现与数据符号矢量的去耦。5.为了进一步改善符号速率采样OSDM水声通信系统的性能,本文提出了基于逐矢量频域均衡的时域过采样OSDM系统。在该系统中,每个OSDM符号矢量等效在多个虚拟子信道上传输,从而可使矢量内频率分集增益进一步提升。仿真和湖试结果表明,此OSDM系统性能将随着过采样因子的增加而提升。

关键词：水声通信正交信分复用双选择信道基扩展模型时域过采样信道均衡信道估计

基于压缩感知的OFDM系统稀疏信道估计理论研究

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基于压缩感知的OFDM系统稀疏信道估计理论研究

作者：陈伟凯天津大学

学位级别：硕士

为适应下一代移动通信系统宽带、高速率传输的要求，正交频分复用（OFDM）技术将在未来得到非常广泛的应用。然而，由于OFDM系统要求子载波之间保持严格的正交性，无线传输信道所呈现的时间和频率双选择性衰落，极易造成相位噪声和系统... 详细信息

为适应下一代移动通信系统宽带、高速率传输的要求，正交频分复用（OFDM）技术将在未来得到非常广泛的应用。然而，由于OFDM系统要求子载波之间保持严格的正交性，无线传输信道所呈现的时间和频率双选择性衰落，极易造成相位噪声和系统频差，严重恶化OFDM的系统性能。因而，在OFDM系统接收端，往往需要知道精确的信道状态信息才能有效对抗信道衰落，实现信号的准确接收。本课题针对传统的二维插值信道估计方法无法准确估计OFDM系统双选择性稀疏信道的问题，提出了一种基于压缩感知理论的稀疏信道估计技术。该方法可以充分挖掘信道在时频域的稀疏特性，将OFDM系统下的双选择性信道的估计问题模型转化为压缩感知理论下的稀疏信号重构问题，并最终利用基追踪算法，实现了稀疏信道的准确估计。仿真结果显示，该方法能有效减少导频数，提高频谱利用率，并在传统的FFT-Linear和FFT-FFT二维联合插值算法无法正确估计出信道响应时，仍能实现对稀疏信道的精确估计。此外，本课题还提出了一种基于二阶差分的稀疏度自适应的重构算法。该算法在信号稀疏度未知的情况下仍能实现对稀疏信号的精确重构，解决了传统重构算法需要提前已知信号稀疏度而无法应用在实际中的瓶颈问题。该算法以关联向量的二阶差分为参考量，通过设定阈值法判别出参与测量的原子数量，从而可以在短时间内估计出待重构信号的稀疏度。仿真实验表明，基于二阶差分的自适应重构算法，不仅具有良好的重构性能，同时还具有实时的运算速度。

关键词： OFDM信道估计双选择信道压缩感知稀疏度自适应信号重构

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SEFDM系统符号检测算法研究

SEFDM系统符号检测算法研究

作者：丛清电子科技大学

学位级别：硕士

通信数据量的爆炸式增长使提升频谱利用效率成为当今无线通信技术发展的一个热点。高频谱效率频分复用（SEFDM）运用超奈奎斯特（FTN）技术对正交频分复用（OFDM）信号子载波间隔进行压缩,通过人为引入子载波间干扰（FTN-ICI）来提升频... 详细信息

通信数据量的爆炸式增长使提升频谱利用效率成为当今无线通信技术发展的一个热点。高频谱效率频分复用（SEFDM）运用超奈奎斯特（FTN）技术对正交频分复用（OFDM）信号子载波间隔进行压缩,通过人为引入子载波间干扰（FTN-ICI）来提升频谱效率。SEFDM信号经过多径信道传输时,信道会对信号产生影响,导致SEFDM符号检测难度增大。本文针对该问题进行以下研究工作:（1）分析通过多径信道传输的SEFDM信号受到的干扰。建立了多径信道环境下的SEFDM信号传输模型,通过等效干扰矩阵分析了FTN-ICI的分布规律,并定义两种干扰平均功率的比值比较了它们对SEFDM系统性能的影响。分析表明,在一般移动信道环境下,压缩因子小于0.85时,相对信道多普勒效应的影响,FTN-ICI对信号的影响更显著,并随着载波数N的增加而增大。（2）研究了基于收端干扰处理的SEFDM符号检测算法。基于等效干扰矩阵,比较了迫零检测、最小均方误差检测、截断奇异值分解算法等常见检测算法的性能,因等效干扰矩阵的病态性导致传统算法无法满足SEFDM系统性能的要求。并且载波数越大,条件数越大,病态性越严重。针对干扰矩阵病态性带来的问题,本文设计了基于LSQR分解的干扰抵消算法,并通过两种迭代检测方法（即LSQR-ID和LSQR-Turbo算法）增强接收机性能。仿真结果表明,当载波数目为64,压缩因子为0.8,误码率为10时,LSQR-Turbo相较于LSQR-ID算法取得了4 dB检测信噪比增益。（3）研究了基于收发端联合干扰处理的SEFDM符号检测算法。首先在研究了基于Schur分解和Tomlinson-Harashima预编码（THP）的算法,利用FTN-ICI在发端是已知的这一特性,提出了THP改进算法,即发端通过改进的THP抵消FTN-ICI,收端处理信道影响。仿真结果表明在N=8时检测效果优于基于Schur分解的预编码算法和原始THP算法。并且针对大子载波场景,设计了新的矩阵分解方式的THP-LSQR算法,仿真结果表明,当载波数目为64,压缩因子为0.85,误码率为10时,THP-LSQR相较于LSQR-Turbo算法取得了0.5 dB检测信噪比增益。

关键词：高频谱效率频分复用双选择信道干扰消除迭代检测预编码检测

新型多载波FBMC/OQAM系统关键技术研究

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新型多载波FBMC/OQAM系统关键技术研究

作者：张雪冰沈阳航空航天大学

学位级别：硕士

基于偏移正交幅度调制的滤波器组多载波(Fiter Bank Muti-Carrier with Offset Quadrature Amplitude Modulation,FBMC/OQAM)系统凭借其带外功率低、频谱利用率高以及可实现异步传输等优势,而具备成为未来移动通信系统的核心技术的潜力... 详细信息

基于偏移正交幅度调制的滤波器组多载波(Fiter Bank Muti-Carrier with Offset Quadrature Amplitude Modulation,FBMC/OQAM)系统凭借其带外功率低、频谱利用率高以及可实现异步传输等优势,而具备成为未来移动通信系统的核心技术的潜力。但FBMC/OQAM系统也存在一些比较严重的缺点。首先,作为多载波系统,FBMC/OQAM系统高峰均比的问题不可避免。其次,由于FBMC/OQAM系统仅在实数域满足正交性,导致系统内部存在虚部干扰,增加了信道估计的复杂性。因此,FBMC/OQAM系统中峰均比和信道估计这两大关键问题都值得进行深入研究。本文的主要研究工作如下:(1)针对系统峰均比问题,本文提出了一种剪枝离散傅里叶(Discrete Fourier Transform,DFT)结合一次抽头缩放扩频FBMC/OQAM信号的技术,即剪枝DFT扩频(Pruned-DFTs)技术。该技术通过移除DFT矩阵中基脉冲,来实现将发送端较少子载波上的符号映射到较多子载波上传输,进而来减少子载波之间的重叠,降低系统PAPR,使系统具有优良峰均比性能。实验仿真结果显示,改进的方法在略微提高计算复杂度的情况下,使FBMC/OQAM达到与单载波频分多址(Single Carier Frequency Division Multiple Access,SC-FDMA)相同的PAPR,有效降低了系统峰均功率比。(2)关于系统信道估计,本文针对FBMC/OQAM系统面临的时间和频率双选择性衰落条件,提出了一种基于离散导频的时频相关性来估计双选择性信道的方法。该方法基于矩阵形式描述双选择信道,利用最小均方误差(Minimum Mean Square Error,MMSE)算法直接对传输矩阵进行估计,MMSE算法中的加权向量由分析计算离散导频的时频相关性得出,进而可得到传输矩阵估计值。同时,为了减少导频和数据位置处的干扰,应用了一种迭代干扰消除的方案。最后的仿真结果证明,该双选择性信道估计方法可适用于FBMC/OQAM系统,而且比起对信道脉冲响应进行估计性能更好,有效改善双选择信道估计精度。

关键词： FBMC/OQAM 峰均比降低信道估计双选择信道

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基于过采样的信道均衡算法研究

基于过采样的信道均衡算法研究

作者：刘紫桐哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着无线通信技术在近几年飞速发展,对通信系统中数据传输速率要求不断提升,然而,无线通信的传输环境是恶劣的,如今在大多数通信场景中,不仅发射机和接收机之间会存在大量的遮蔽物造成多径效应,而且发射机与接收机有可能都处于高速运动... 详细信息

随着无线通信技术在近几年飞速发展,对通信系统中数据传输速率要求不断提升,然而,无线通信的传输环境是恶劣的,如今在大多数通信场景中,不仅发射机和接收机之间会存在大量的遮蔽物造成多径效应,而且发射机与接收机有可能都处于高速运动中造成多普勒效应,多径效应会产生频率弥散,多普勒效应会产生时间弥散,这就是“双弥散”的信道传输环境。如果通信信号在此类信道中进行传输,而又不采取任何抗干扰技术,接收信号将会产生严重的失真,严重影响通信系统的传输质量。因此,研究采用何种技术可以最大程度的抵抗双弥散信道的干扰具有重要价值。本文针对现有的抗双弥散信道干扰技术进行研究,分析了各种抗干扰技术的原理以及发展现状,并选择将频域均衡技术作为本文研究的重点。目前,频域均衡技术可根据其实现的方式与结构的不同分为线性频域均衡和非线性频域均衡,这两种均衡方法均可为在双选信道下的通信系统带来收益,但是目前的均衡方法均是在常规采样下完成的。本文提出在通信系统的接收机中采用过采样技术与频域均衡技术相结合的方案,对于频率弥散信道,由于信道能量会扩展到原有信号带宽之外,因此采用过采样算法通过适当放宽均衡频带,可以将原来忽略的信号能量进行适当回收,增强有用信号的功率,从而增强均衡效果。首先针对双弥散信道模型进行分析,对信号在信道中的传播过程以及所经历的衰落进行分析,并针对小尺度衰落进行详细分析,阐述了多径时延所造成的频率弥散与多普勒扩展所造成的时间弥散对信号的具体影响,并对双弥散信道的建模方法进行分析。除此之外,还对均衡技术做出简要概括,分别研究了线性均衡中的ZF准则与MMSE准则、并对非线性均衡中的判决反馈均衡进行了重点研究。接下来针对现有的在双选信道下的单用户与多用户系统,本文对其原理实现以及其信号处理流程进行了分析,说明了其存在的问题及其改进方向。基于对通信系统性能的进一步提升,本文提出了单用户与多用户的过采样系统,给出单用户过采样系统的原理实现以及信号处理的流程,说明其应用在双弥散通信环境下的优势。并对过采样信号的均衡方法做出详细分析,比较了线性均衡与非线性均衡在过采样系统中的差异,通过定性以及定量两种方式去分析过采样系统对通信性能带来的好处,最后仿真验证通过不断改变信道的参数,说明过采样技术在通信系统中带来的好处。在此基础上研究多用户过采样系统,讨论了多用户过采样系统与单用户过采样系统的异同,并通过在不同信道下、不同用户数量下分析多用户过采样系统的性能。

关键词：过采样技术频域均衡双选择信道