无速率编码OFDM系统中的ICI消除与编码优化研究

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移动通信现今发展迅速且应用广泛,用户数量也急剧增长。正交频分复用(OFDM)技术是移动通信系统的核心技术。OFDM技术具有良好的抗干扰能力,能够获得较高的频谱利用率,提供质量更高的服务。由于OFDM系统的子载波的频谱相互重叠,这就对子载波之间的正交性提出了很高的要求。然而收发端振荡器偏差以及信道带来的频偏会破坏子载波间的正交性,导致载波间干扰(ICI),将使系统性能恶化。为抑制ICI带来的负面影响,ICI自消除方法常被应用到OFDM系统中,该方法复杂度低且效果显著,得到了较为广泛的研究。另一方面,无速率码是一种码率不固定的信道编码方法,性能由它的输出节点度数分布决定。同时无速率码的可达速率可以自适应地接近当前信道的香农界限,而无需在发射端获得信道状态信息(CSI),具有较好的鲁棒性且能减小反馈开销。基于以上论述,本文主要研究了无速率编码OFDM系统中的ICI自消除机制设计以及度数分布优化。本文的主要内容与贡献如下:首先,本文考虑点对点无速率编码OFDM系统。在每轮传输过程中,发送端采用Raptor码对数据进行编码并不断向接收端发送数据,直到接收端反馈ACK。发射端采用ICI自消除预编码技术来抑制频偏带来的影响,即数据符号向量在传输前与预编码矩阵相乘。将经过预编码之后的信号传输到接收端,通过软解调采用置信传播(BP)算法来恢复出原始消息。为了进一步提高系统的鲁棒性,在发送端仅已知的统计CSI的前提下,本文联合优化了ICI预编码矩阵和Raptor码,即预编码矩阵系数和Raptor码度数分布两组参数的优化。本文根据接收端基于译码过程的外部信息传递(EXIT)分析来建立优化问题,优化目标为最大化系统的可容忍频率偏移。本文所介绍的传输方案的优点是发送端不需要知道CSI,这减少了系统开销。仿真结果表明,所提方案在具有优化的预编码矩阵和度数分布条件下,有效扩大了系统的可容忍频偏,并且误码率(BER)可以在较小的译码开销下达到10-4数量级同时也逼近系统的平均传输速率极限。其次,本文将点对点传输系统扩展,考虑分布式多天线系统中无速率编码OFDM传输的ICI自消除与编码优化问题。分布式多天线系统能够扩大覆盖范围、提升系统容量,是一种极具竞争力的无线通信系统架构。本文中考虑单用户两天线系统,用户将原始信息进行无速率编码,码字经调制后乘上ICI自消除预编码矩阵,再发送到覆盖该用户的各个天线单元。注意到各天线单元接收信号都存在不同的频偏。各单元对收到的信号进行预处理获得基带信号后,进行量化发送给中心处理单元。中心处理单元根据各天线单元上传的信号进行联合译码,恢复出原始用户信息。本文在发射端仅具有统计CSI下联合优化了ICI预编码矩阵和无速率码度数分布。仿真结果表明,相较于无ICI自消除方案,所提出的方案扩大了系统的可容忍频偏,与基于EXIT分析的理论极限值仅相差8%。
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