用于解决快速移动衰落的单载波

1,用于解决快速移动衰落的单载波调制及频域均衡方案,导师：邹国良报告人：李伟,2,课题研究背景、意义,本课题是基于所在实验室参与的“上海市2003年第四代宽带移动多媒体通信关键技术研究”项目为背景。项目方案中初步确定OFDM调制及其他调制方式为无线传输链路的主要研究内容。高速移动条件下OFDM的应用还在研究中，重点是解决同步及抗干扰接收问题，但目前普遍认为解决该问题比较困难。另外在多径频率选择性衰落及有Doppler频移的信道条件下，高移动速率会引起符号间干扰（ISI），因此本人课题主要针对均衡，考虑在上行链路中采用基于OFDM系统信号处理方式的高速单载波调制及频域均衡。,3,研究目的,为了解决利用单载波技术的无线传输中由时变多径衰落和Doppler频移所引起的符号间干扰ISI，并且与多载波调制方式相比，不需要考虑载波间干扰，可更维护或提高系统的性能（低的误比特率BER，实现可期望达到的比特速率），提高系统工作的可靠性并降低成本,4,选题的来源和意义,本课题来源于第四代移动通信中调制解调及编码解码技术专题中的单载波调制与频域均衡（SC+FDE）组合技术。由于无线信道固有的特点，实现高速传输必须克服信道多径时延扩展的影响。不同应用地形、范围和频段的时延扩展有较大的差别，另外，移动通信中移动终端相对基站的运动会带来多谱勒频率扩散，而频域均衡的单载波系统结合了多载波OFDM系统和常见单载波系统的优点，,5,选题的来源和意义,与OFDM相比，降低了峰平比和对相位噪声的敏感性，与单载波系统相比，抗多径能力增强(与多载波性能相当)，而均衡器复杂度大大降低。该技术已被802.16.a所采用，今后必将受到越来越广泛的应用,6,多载波系统与传统单载波系统,多载波调制系统基本原理是将信道的可用带宽划分为许多不同的子带，每一子带对应一个独立的子信道，然后根据每一子信道的衰减特性和噪声状况来分配可传送的比特数，对输入信号相应的每一子带分别进行调制，并通过IDFT将信息变换到时域进行传输，接收端再将信息变换到频域，对每一子信道分别进行解调。传送的信息被调制在一个载波上，信道信号占有整个信道的可用带宽，为与多载波调制系统相区别，将其称之为单载波(Single Carrier) 调制系统。,7,多载波系统与传统单载波系统,由于多载波调制是在频域内进行调制，然后变换到时域进行传输，它可直接利用信道的频率特性对系统进行优化设计。对于存在单频干扰的子信道，可直接将该子信道关闭，该子信道传送的信息被分配到其他的子信道进行传输。另外，由于每个子信道的带宽较窄，在时域内冲激响应时间较长，因而具有较好的抗冲激噪声性能。,8,OFDM与基于OFDM系统信号处理方式的高速单载波系统,正交频分复用(OFDM) 系统使各子载波频谱相互重叠但保持正交，大大提高了频谱利用率。OFDM系统与相同传输速率的单载波系统比较，每个子载波上的码元宽度是单载波系统码元宽度的N倍，通常远远大于信道的时延扩展，因此，OFDM系统每个子载波均具有极强的抗码间干扰的能力。目前DFT可应用在多载波传输系统中，从而很方便地实现了多路信号的复合和分解，下图给出了OFDM系统的原理框图。,9,,10,但是，OFDM系统存在对定时误差、载频同步比较敏感和大的PAPR两点明显不足，如果采用单载波系统传输而保留OFDM系统对信号处理的方法，那么，该系统在保持OFDM系统的较好性能的同时避免了OFDM多载波系统的两大不足。下图给出了提出的单载波系统基带原理框图，其中，相当于将OFDM 系统中发送端的IFFT 处理模块移至接收端， X′( k) 和x′( n) 是接收恢复出的信号。为了简化框图，省略了接收端FFT和IFFT模块前后的P/ S 转换及S/ P 转换功能模块,11,,12,在发送端，首先将要传送的数字信号每N个码元作为一组进行分块，再将每组的后G 个码元作为循环前缀(CP) 拷贝至本组前端。为了有效克服信道多径引起的传输帧之间的干扰，G个码元构成的CP 所占时长应大于等于最大时延扩展。然后，通过D/ A 变换送发信机。在接收端，通过接收机解调和A/ D 变换后，移走传输帧中的前G个码元CP，分组通过S/ P变换、FFT和P/ S变换，再进行频域均衡处理，又一次进行S/ P变换、IFFT和P/ S变换，最后进行判决检测恢复出原始信号。其中，频域均衡仅需简单地将频域信号Y( k)对应除以单抽头系数H( k) ，所需的信道参数H( k)可以通过信道估计模块得到,13,该单载波系统对信号的整个处理过程与OFDM多载波系统类似，仅将OFDM 系统发送端的IFFT 模块移至接收端。这样，既保留了多载波系统的优点，又有效克服了OFDM多载波系统对定时误差、载频同步比较敏感和大的PAPR 两点明显不足。,14,单载波频域均衡与传统时域线性均衡相似，单载波频域均衡是在频域上实现的，可分为线性均衡和非线性均衡，非线性均衡中最常见的一种为判决反馈均衡（如下图）。对于时延扩展的信道，频域均衡比时域均衡复杂度要低，SC-FDE是在70年代提出来的[1][2]，Sari等人曾提出结合FFT和循环前缀形成循环卷积的方法本质上可以使SC-FDE与OFDM具有相同的复杂度[3][4][5]。并且在接收端SC-FDE与OFDM可共享一部分处理模块，这样可以使OFDM与SC-FDE可共存于一个系统中。SC-FDE具有以下两个特点：,15,（1)与多载波系统相比，降低了峰平比和对相位噪声的敏感性，降低了功率放大器等模拟器件的成本，可以利用单载波成熟的射频技术。 (2)与单载波系统相比，抗多径能力增强(与多载波性能相当)，而均衡器复杂度大大降低,,16,国内外研究概述,单载波均衡主要针对符合间干扰（ISI）,需要采用自适应均衡技术来补偿信道特性。到现在为止，已研究出多种自适应均衡算法，其中包括LS、LMS、RLS和盲均衡等。算法准则有迫零准则（ZF）和最小均方误差（MMSE）准则等。均衡器的结构可分为线性均衡、非线性均衡及格型均衡。线性均衡器一般适用于信道崎变不太大的场合，即对深度衰落均衡能力不强。非线性均衡包括判决反馈均衡及最大似然序列估计接收机（MLSE）。,17,,判决反馈均衡器在相同信道崎变下，运算量较小，受定时相位变化影响小，但存在差错传播的缺点。MLSE的优点是抗干扰性能好，但结构复杂。自适应格型滤波器比自适应横向滤波器运算量稍大，但其能使输入信号逐级正交化，适用于要求快速收敛和跟踪快速时变的应用场合。,18,频域均衡的算法研究,分块LMS算法是以频域来实现时域分块LMS算法，即将时域数据分组构成有N点的数据块，在每块上滤波权系数保持不变。 FCLMS算法基于分块LMS算法的处理方法，FCLMS算法是对CLMS算法的计算复杂度和收敛性能的改善，称为快速CLMS算法称之为快速截断LMS算法。,19,频域均衡的算法研究,分块处理快速横向滤波器（BFTF) 采用逐块处理不同长度的数据，且数据块之间可以有任意时间的间隔。在处理每个数据块时采用的仍是确定性时域最小平方误差准则，适用范围更加广泛。,20,主要研究目标和内容,现有对均衡的研究主要针对非移动信道或慢速移动信道均衡的问题上，本课题主要研究快速移动信道内的频域均衡问题，对自适应均衡结构及算法进行比较与改进，初步决定采用对DFE结构及自适应算法进行改进的方案，并利用matlab对无线传输中单载波系统频域均衡进行仿真，通过对系统性能的仿真来验证该方案可否适应于高速移动环境。基于对自适应算法改进的方案发表一到两篇论文。,21,预期困难和对策,(1)找出针对无线信道多径时变和有Doppler频移合适的信道估计模型，现在大多数文献是针对慢时变的固定无线接入的模型。查阅文献，提出适合的信道模型。 (2)要选择合适的均衡结构和算法，均衡器的自适应调整最好在传送训练序列的阶段进行，传送数据阶段少或基本不做进行自适应调整。,22,预期困难和对策,(3)仿真时不完全采用MATLAB的仿真模块，而自己进行部分具体的代码设计。采用模块化的编程，把通信系统的每一个仿真的部分都生成具体的m函数，在主函数中进行调用。技术上的难点在于如何具体模拟比较复杂的通信系统环境。,23,进度安排,2004.1-2004.3 查阅文献，熟悉自适应均衡器的算法和结构及信道模型 2004.4-2004.7 确定采用的自适应均衡器的算法与结构，并在此基础上改进；确定合适