OFDMA无线接入中的测距系统关键技术及多用户检测研究
【摘要】 正交频分复用多址（Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access，OFDMA）上行链路的多用户接入同步是由IEEE802.16标准定义的测距过程来完成，它涉及到接入用户的测距码设计，接入信道的资源分配，基站对多个接入用户进行多用户检测和同步参数估计等多个方面。由于测距信道的衰落、接入用户的定时偏差、测距码的相关性和测距信号功率差异导致的远近效应等问题使基站收到的测距信号产生畸变，在测距信道上存在多址干扰（Multiple AccessInterference，MAI），严重地影响OFDMA测距性能，限制了接入用户容量，不能满足新一代OFDMA无线通信的接入要求。本文针对这些问题，从测距信号波形设计方法、干扰消除多用户检测方法和多天线测距方法等方面对OFDMA测距关键技术进行了深入研究和分析，论文的主要研究内容和贡献包括以下几个方面：1.针对OFDMA上行链路多用户接入系统，阐述了测距过程和时频资源分配，给出了OFDMA测距系统结构和信号模型，研究了频域相关测距方法，给出了多用户接入的正确检测概率和虚警检测概率的理论分析。针对OFDMA测距性能很大程度上取决于测距信道的MAI大小，分析了测距信道的衰落、测距码的频域相关性和活动的接入用户数等因素对OFDMA测距性能影响。2.在测距码设计和预编码测距方法研究方面，根据OFDMA测距系统特点，提出了测距码数量多、相关性好和峰均比低的测距码设计原则。在预编码测距方法研究中，根据蜂窝半径大小和测距信号的多符号结构，对接入用户的测距码进行预编码，提出了微小区和宏小区的预编码测距信号波形设计。在预编码测距波形设计基础上，利用预编码矢量的正交性对测距信号进行译码分组，提出了一种新的OFDMA测距方法。仿真结果表明，所提方法减少了同组内的活动接入用户数，抑制了检测过程中的累积MAI，提高了测距性能和接入用户容量。3.在干扰消除的多用户检测研究方面，在分析连续多用户检测（SuccessiveMultiUser Detection，SMUD）和干扰消除测距方法的基础上，利用最大信号干扰噪声比（Signal to Interference Plus Noise Ratio，SINR）准则选取测距信号的有效径，通过消除有效径系数估计的MAI干扰，提出了基于SINR的连续干扰消除OFDMA测距方法。同SMUD方法相比，所提方法提高了有效径系数估计精度，减少了测距过程中的残留MAI，从而提高了测距系统的多用户检测性能。针对SMUD方法的计算复杂度过高问题，利用测距信号的有效径并行检测和参数估计，提出了低复杂度的迭代并行干扰消除OFDMA测距方法，分析了有效径系数估计精度和迭代次数对检测性能的影响。仿真结果表明，所提方法提高了有效径系数估计精度，降低了计算复杂度，提高了测距系统的多用户检测性能和接入效率。4.在多天线OFDMA测距方法研究中，研究了基站接收端多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）天线和智能天线模式的测距方法。在基站MIMO天线模式下，利用有限的测距信道状态信息，提出了一种相干合并的MIMO-OFDMA测距方法，分析了相干合并测距信号的SINR和正确检测概率。仿真结果表明，所提方法提高了测距性能和接入用户容量。在智能天线模式下，分别研究了切换波束和自适应波束的OFDMA测距方法。在切换波束OFDMA测距方法研究中，利用固定多波束矢量将接入小区从空间上划分为若干个小区域，在每个小区域中通过连续干扰消除和自适应门限完成活动用户检测和定时偏移估计。所提方法能够降低小区域中的活动用户数，抑制了测距过程中的MAI，提高了测距系统性能，增加了接入用户容量。在自适应波束OFDMA测距方法研究中，针对测距信号分量的到达角（Angle of Arrival，AOA）差异，利用自适应波束对准期望的有效径测距信号，通过有效径参数估计和干扰消除，提出了自适应波束OFDMA测距方法，分析了自适应波束成形的残留信号和计算复杂度。仿真结果表明，所提方法通过波束成形的空域滤波，累积的残留MAI较小，在计算复杂度略有增加的代价下显著提高了测距性能和接入用户容量。在多天线OFDMA测距系统中，与MIMO测距方法相比，智能天线测距方法能能够更好地提高测距性能和接入用户容量。
第一章 绪论
1.1 引言
据资料统计，目前全球的无线通信业务正在以 40％的速度增长，且随着物联网技术[26]-[28]的出现与发展，大幅度提高通信容量以满足日益增长的接入用户需求就成为必然。新一代 OFDMA 无线通信系统采用先进多天线技术和 OFDM 技术，有效地提高了系统的频带和功率利用率，为提高宽带多用户无线接入中的测距性能提供了基础，但是存在峰均比较高[29]-[21]和对同步误差敏感[32]-[35]等缺陷。因而综合考虑新一代 OFDMA 无线通信系统中的上行链路测距过程，提高无线接入的测距性能和接入用户容量，降低多用户检测的计算复杂度和提高活动用户的参数估计精度，这些研究对于新一代 OFDMA 无线通信系统具有重要的理论价值和实际应用前景。
本章的内容包括三个部分，首先介绍了 OFDMA 无线接入中测距系统面临的问题；然后分析了 OFDMA 无线接入中测距关键技术研究现状；最后概括了本文的组织结构。
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1.2 OFDMA 无线接入中测距系统面临的问题
在OFDMA上行链路的无线接入中，多个移动用户的接入是基于竞争机制。统一个测距信道上存在多个接入用户，基站吸收到的测距信号是多个接入用户时域信号的叠加。由于各接入用户发送的测距码和对应的定时毛病对基站是未知的，基站吸收机必要举行多用户检测和运动用户的多参数预计。OFDMA多用户无线接入面对着诸多挑衅，存在无线信道的衰落、用户的差外传输时延、用户的载波频率偏移（Carrier Frequency Offset，CFO）、多天线布局、小区巨细的差别和多址滋扰（MultipleAccess Interference，MAI）等题目，限定了上行链路中的多用户接入性能，无法满意高性能、大容量的接入要求。
1.2.1 信道的衰落问题
在无线通信系统中，发端发出的电磁波在无线信道传输中会遇到各种障碍物，这些障碍物对电磁波产生反射、散射和衍射等现象，接收机收到的是经过多条路径传输电磁波的合成波，由于不同路径的衰减、时延和相移等参数不同，在合成中它们相互影响，使接收到的总信号产生失真[18][36][37]。在OFDMA无线接入的测距过程中，测距信道是由多组不连续的子信道组成，接入用户信号的多径传输将导致测距信道的频率选择性，破坏了测距码的相关性；而测距信道的衰落将造成强用户信号对弱用户信号的遮掩，从而造成测距信号的远近效应。因此，要提高OFDMA无线接入中的测距性能，必须根据测距信道的特点，克服信道衰落对多用户检测和参数估计的影响。
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第二章 OFDMA测距系统与性能分析
2.1 引言
多用户无线接入的同步是任何一个通信系统都需要解决的问题，其性能直接影响到整个通信系统的性能。没有准确的同步算法，就不可能进行可靠的数据传输。为了保证OFDMA系统子载波间的正交性，要求各上行接入用户信号到达基站的OFDMA符号对齐，信号功率也基本相等。IEEE 802.16标准[23]-[25]将用户进行无线接入中所涉及的用户接入训练序列的设计、公共接入信道的分配、接入协议、多用户检测、多参数估计与控制等处理定义为测距。OFDMA上行链路的无线接入同步是由测距过程来完成的。
在IEEE 802.16标准的OFDMA测距系统中，测距信道由若干个不连续子载波组成，同一测距信道上存在多个接入用户，基站接收到的测距信号是多个接入用户时域信号的叠加，在基站端通过OFDMA测距方法完成多用户检测和参数估计。由于用户发送的频域测距码和定时偏移对基站接收机是未知的，时频域测距信号的相关检测是OFDMA测距基础。利用测距码良好的时域相关特性，文献[52]提出了时域相关OFDMA测距方法；针对时域相关方法容易受到已接入用户的传输数据影响问题，利用测距码良好的频域相关特性，文献[53][54]提出了频域相关OFDMA测距方法。但是测距信道的选择性衰落、各个用户的定时偏移和信号功率差异使基站收到的测距信号产生畸变，破坏了测距信号的相关性，使得测距信道上存在大量的MAI，严重地影响OFDMA上行链路的测距性能。
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2.2 OFDMA 测距系统
OFDMA 上行链路的多用户接入同步是由测距过程来完成，其性能直接影响无线通信系统的上行链路的信息传输性能和接入用户容量。在 OFDMA 测距过程中，基站进行活动接入用户检测、获得活动用户正确的定时偏移和功率估计并反馈给用户，使接入用户进行定时偏移和功率调。
2.2.1 测距过程
OFDMA上行链路的测距过程描述如下：
（1）接入用户扫描下行信道，利用前导序列获取下行同步，从下行控制帧中获得上行传输参数的初始值；
（2）选取一个测距时隙，从参考测距码集中随机选取一个测距码，将该测距码映射到测距信道上，然后发送该接入用户的时域测距信号；
（3）基站检测活动用户的测距码和定时偏移及功率估计参数。由于用户发送的测距码和定时偏移对基站是未知的，基站利用接收的测距信号与参考测距码的相关峰值确定可能的活动测距码，估计其定时偏移和发送功率等参数。
（4）当基站成功检测到活动的测距码并获取对应的定时偏移和功率信息，广播测距响应RNG_RSP消息，该消息包括检测到的活动测距码和该测距码占用的测距时隙，同时也包括对应于每个活动测距码的调整信息（定时偏移和功率等）和状态标识（成功或继续重传）；
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第三章 测距码设计与预编码测距方法研究.................. 40-64
3.1 引言 ......................40-41
3.2 OFDMA测距码设计方法 ................41-48
3.2.1 测距码设计原则 ..............41-43
3.2.2 典型测距码 .............43-44
3.2.3 对比分析 .................44-48
3.3 测距信号波形分析................................ 48-51
3.3.1 小区半径对测距波形的影响..................... 48-50
3.3.2 测距信号的多符号结构 ............50-51
3.4 提出的预编码测距波形设计.............................. 51-53
3.4.1 微小区的测距波形设计 ................51-52
3.4.2 宏小区的测距波形设计 ...........52-53
3.5 新的预编码OFDMA测距方法 ..............53-61
3.5.1 预编码的OFDMA测距系统..................................... 53
3.5.2 信号模型 ............................53-54
3.5.3 多用户检测和定时偏移估计 ................54-56
3.5.4 门限设置 ......................56-57
3.5.5 仿真结果 ..................57-61
3.6 本章小结............................... 61-64
第四章 干扰消除的多用户检测方法研究............... 64-88
4.1 引言................................... 64-65
4.2 信号模型 .............................65-66
4.3 连续干扰消除的OFDMA测距方法..................... 66-72
4.3.1 SMUD的测距方案................. 67
4.3.2 多用户检测和定时估计................ 67-68
4.3.3 性能分析 .........................68-72
4.4 改进的连续干扰消除OFDMA测距方法 ...............72-78
4.4.1 有效径选取分析 ..............72-73
4.4.2 SINR有效径选取 ........................73-74
4.4.3 有效径系数估计 .............................74-76
4.4.4 SINR的连续干扰消除测距方法 .....................76-77
4.4.5 仿真结果 ............................77-78
4.5 新的低复杂度的并行干扰消除OFDMA测距方法............ 78-87
4.5.1 迭代并行干扰消除测距方法 ...............78-80
4.5.2 干扰抵消的有效径系数估计....................... 80-81
4.5.3 性能分析.............. 81-84
4.5.4 仿真结果 .......................84-87
4.6 本章小结......................... 87-88
第五章 多天线OFDMA测距方法研究
5.1 引言
新一代的移动宽带无线接入系统面临着高性能、大容量的接入要求，这就迫切需要一种能够提高系统容量和通信质量的新技术，这即是多天线技术得以提出和发展的客观环境。近年来，多天线技术成为新一代无线通信系统的研究热点，国内外开展了大量的多天线分集和波束成形研究方法[112]-[117]。多天线技术在时间和频率资源之外又引入了一种新的空间资源，新一代OFDMA无线通信系统支持MIMO和智能天线两种不同的多天线实现方式，为提高上行链路无线接入中的测距性能提供了基础，文献[76][85]-[87]提出了多天线OFDMA测距方法。文献[76]针对IEEE 802.16标准[25]的测距信道分配，考虑到测距信道由若干个不连续的测距子信道组成和测距子信道的子载波连续分配等特点，提出了一种非相干合并的MIMO-OFDMA测距方法，但整个测距信道的频率选择性导致较大的MAI，严重地影响多用户检测性能和限制了用户容量。为了克服测距信道频率选择性对测距性能的影响，文献[85]-[87]在测距信道分配[79]的基础上提出了多天线OFDMA测距方法。文献[85][86]通过下行帧中的导频进行信道估计，利用TDD模式的上行链路信道互易性，接入用户选取最佳测距子信道，在发送端对测距信号进行功率调整，在接收端测距信号相关处理后进行多天线的非相干合并，首次提出了多天线分集和多用户分集的OFDMA测距方法，降低了接入用户的发射功率，克服了测距信号的深衰落问题，在一定程度上提升了测距性能，但无法有效抑制MAI。利用基站智能天线与接入用户之间的信道存在较强相关性，文献[87]提出了基于波束成形的OFDMA测距方法，提高了多用户检测和参数估计性能。文献[85]-[87]的多天线OFDMA测距方法采用若干个连续的测距子载波，多用户的残留CFO对测距性能影响较大，且测距子载波数量较少，导致小区边缘用户接入性能恶化。此外，测距子载波分配方式不同与IEEE 802.16标准，不能直接应用与IEEE 802.16标准的OFDMA测距系统。
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总结
OFDMA无线接入中的测距过程涉及到测距码设计、测距信道的资源分配、接入协议、多用户检测、多参数估计与控制等多方面处理，其性能直接影响OFDMA上行链路的多用户同步和用户容量。在OFDMA无线接入的测距系统中，上行链路的多用户接入是基于竞争机制，同一个测距信道上存在多个测距用户。由于各移动用户在小区位置的随机性，基站接收到的上行测距信号的定时将受往返时延的影响，不同测距用户与基站间存在不同的定时偏差，将导致各用户的OFDMA符号无法对齐。OFDMA上行链路的多用户同步是由测距过程来完成的，在测距过程中基站进行活动测距码检测和定时偏移等参数估计。然而，在OFDMA测距过程中，笔耕文化推荐期刊，由于测距信道的衰落、测距用户的定时偏差、测距码的相关性和测距信号的功率差异导致的远近效应等问题使基站收到的测距信号产生畸变，破坏了测距信号的相关性，从而在测距信道上存在MAI，严重地影响OFDMA无线接入的测距性能，限制了测距用户容量，不能满足新一代OFDMA无线通信系统的高性能、大容量的接入要求。本文从OFDMA测距系统和性能分析、测距码设计和预编码方法、干扰消除的多用户检测方法和多天线OFDMA测距方法等方面进行了研究和分析，论文的主要研究内容和贡献包括以下几个方面：
1．在OFDMA测距系统与性能分析方面，阐述了OFDMA测距过程和时频资源分配，给出了上行链路的测距系统结构和信号模型，重点研究了频域相关OFDMA测距方法的多用户检测性能，给出了测距系统的正确检测概率和虚警检测概率的理论分析。针对OFDMA测距性能很大程度上取决于测距信道的MAI大小，详细分析了测距信道的衰落、测距码的频域相关性和活动接入用户数等主要因素对测距性能的影响，为后续章节开展OFDMA测距关键技术研究奠定了基础。
2．在测距码设计和预编码测距方法研究方面，研究了测距码设计和预编码测距方法。在测距码设计中，根据OFDMA测距系统特点，提出了测距码数量多、相关性好和峰均比低的测距码设计原则。在预编码测距方法研究中，根据无线蜂窝半径大小和测距信号的多符号结构，通过对测距码的预编码，分别设计了微小区和宏小区的预编码测距信号波形。在预编码测距波形设计的基础上，利用预编码矢量的正交性对接收的测距信号译码分组，提出了一种新的预编码OFDMA测距方法。仿真结果表明，分组译码显著减少了同组内的活动接入用户数，从而抑制了测距过程中的累积MAI，极大提高了OFDMA测距性能和接入用户容量。
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本文编号：10922
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