適用于OFDM-OFDMA無線通信系統(tǒng)的頻偏估計算法研究.pdf

1、正交頻分復用(OFDM)技術因具有高頻譜利用率和強抗頻率選擇性衰落等優(yōu)點，已成為支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P鍵技術之一。尤其，以OFDM為基礎的正交頻分多址(OFDMA)技術能夠通過頻分復用實現(xiàn)多用戶的同時傳輸，是未來寬帶無線移動通信系統(tǒng)中最受關注的核心技術之一。然而，OFDM/OFDMA系統(tǒng)對載波頻率偏移(CFO)非常敏感。頻偏的存在將會破壞子載波之間的正交性，引起子載波干擾和多址干擾，導致信號失真、系統(tǒng)性能下降，是OFDM/OFDMA技術得

2、到廣泛應用的主要障礙。因此如何有效地解決OFDM/OFDMA系統(tǒng)頻偏估計問題成為最有價值的研究熱點之一。
　　本文系統(tǒng)地分析了實際中影響頻偏估計性能的主要因素，深入研究了OFDM系統(tǒng)和OFDMA上行系統(tǒng)的頻偏估計算法，著眼于提高系統(tǒng)的頻譜利用率、降低算法的計算復雜度和提高估計精度等問題，提出了有效的適用于OFDM系統(tǒng)或OFDMA上行系統(tǒng)的頻偏估計算法，能夠顯著地提高系統(tǒng)頻譜利用率、改善頻偏估計性能、增強實時性。
　　針對基于

3、OFDM系統(tǒng)中只利用特征值進行頻偏估計的算法具有較低估計精度問題，提出了一種基于重構頻偏信息矩陣的頻偏估計算法，利用接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣構造包含頻偏信息的矩陣，對該矩陣進行特征值分解獲得特征值和特征向量，綜合利用這些特征值和特征向量信息進行頻偏估計，有效地提高系統(tǒng)的頻偏估計精度。所提算法不需要任何訓練序列和導頻符號，因而具有很高的頻譜利用率，同時在較低的信噪比情況下仍具有較好的估計精度。
　　考慮到現(xiàn)有OFDM系統(tǒng)中頻偏估計算法涉

4、及大量復數(shù)運算過程帶來高計算復雜度問題，提出了一種基于酉變換的ESPRIT快速實現(xiàn)算法，利用接收數(shù)據(jù)固有的特性和時間平滑技術構造了Hankel矩陣，采用酉變換技術避免了特征值分解、求逆等復矩陣運算過程，顯著降低了計算復雜度;通過利用時間平滑技術和前后向平均技術豐富了數(shù)據(jù)信息，有效地改善了頻偏估計性能。所提算法是一種盲估計算法，能夠有效提高數(shù)據(jù)傳輸速率，而且算法在提高頻偏估計精度的同時減少了計算量，具有很好的實時性。
　　搜索類頻偏

5、估計算法具有高精度和高分辨率的特點，但算法過程復雜、計算量大，難以實時實現(xiàn)，在OFDMA上行系統(tǒng)尤為突出。針對這一問題，提出了一種基于酉變換的快速多用戶頻偏估計算法—Unitary—MUSIC，利用數(shù)據(jù)的周期性將數(shù)據(jù)矩陣分解為具有范德蒙結構的頻偏導向矩陣與用戶信號矩陣的乘積形式，通過對數(shù)據(jù)矩陣應用酉變換技術，避免了復矩陣特征值分解、復數(shù)域譜計算等運算過程，具有較低的計算復雜度;利用頻偏導向向量的中心厄爾米特特性和前后向平均等技術有效地改

6、善了多用戶頻偏估計性能。算法具有很高的頻譜利用率、更高的估計精度和分辨率，為推進MUSIC算法的進一步廣泛應用有著重要意義。
　　為了進一步提高OFDMA上行系統(tǒng)搜索類多用戶頻偏估計算法的實用性，提出了一種基于壓縮感知的頻偏估計算法，利用用戶頻偏參數(shù)在頻偏估計區(qū)間上內在的稀疏特性和接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣給出了多用戶頻偏估計問題的有效稀疏表示方法和過完備原子字典，借助壓縮感知理論把頻偏估計問題轉化為凸優(yōu)化問題，求解稀疏向量并利用非零元

7、素的位置估計用戶頻偏，算法不僅具有子空間算法固有的高估計精度和超分辨率等性能，而且能夠避免特征值分解過程，易于實施。
　　與搜索類頻偏估計算法相比，OFDMA上行系統(tǒng)的ESPRIT等多用戶頻偏估計閉式算法具有較低計算復雜度，但此類算法只利用特征值估計載波頻偏，導致較大頻偏估計誤差。針對這一問題，提出了一種基于重構頻偏信息矩陣的多用戶頻偏估計算法，利用特征值和特征向量同時估計用戶的頻偏參數(shù)，有效地提高了頻偏估計精度。為了進一步提高閉

8、式算法的估計精度增強其實用性，應用盲源分離的思想，提出了一種基于聯(lián)合對角化的多用戶頻偏估計算法，利用接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣估計白化矩陣，然后對多個不同時延數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣進行白化和聯(lián)合對角化處理，估計出頻偏導向矩陣，利用頻偏導向矩陣每一列向量的所有元素估計相應用戶的頻偏參數(shù)，有效地提高了多用戶頻偏估計精度、改善了頻偏估計性能。針對頻偏估計閉式算法的計算復雜度和估計性能兩方面同時優(yōu)化問題，提出了一種有效的基于酉變換的多用戶頻偏估計快速算法—