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1、华中科技大学博士学位论文OFDM系统非参数信道估计算法研究姓名：杨永立申请学位级别：博士专业：信息与通信工程指导教师：朱光喜20090516华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 在以 IMT2000 标准为核心的第三代移动通信业务已经在全球全面铺开的同时，人们已经对新一代无线宽带多媒体通信系统做了大量的研究工作。 新一代无线通信系统又称为超 3 代移动通信系统， 简称 B3G 或 4G 系统。 该系统的目标是在高速移动环境中支持最高约 100Mbps 的速率，因此新一代无线通信系统在传输速率和频谱利用率上需要有新的突破。
2、正交频分复用 （OFDM） 是一种多载波数字通信调制技术， 它具有频谱利用率高、可对抗多径时延扩展以及实现简单等特点，已经被确定为 B3G 移动通信系统中的核心技术之一。要在 OFDM 系统中进行高速率的数据传输，同时要保持较高的频谱利用率，OFDM 系统需要使用密度更高的星座点进行符号映射并采用相干检测技术。在这种情况下，接收端必须知道精确的信道状态信息。同时，现代传输技术包括自适应调制、MIMO 系统、波束成形、空时编码以及跨层自适应技术等都需要精确的信道状态信息。因此信道估计在 OFDM 系统中是不可或缺的。 本论文在研究深入传统 LS 估计器， LMMSE 估计器和基于 DFT 的变换
3、域估计器的优缺点后，提出几种基于非参数函数估计的信道估计方法。这些方法不需要信道和传输数据的先验知识，在仅增加线性计算复杂度的前提下，大大提高了 LS 估计器的性能。 论文首先讨论了衰落无线信道的特性，对信道的时域与频域特性作了简单的分析，详细介绍了常用的确定性衰落信道模型，并深入分析了它们的可微性、Lipschitz性及可逼近性等数学特性； 并在简要介绍非参数函数估计方法的原理的基础上分析了将非参数方法用于衰落信道估计的可行性，为全文奠定了理论基础。 接着我们提出一种基于局部线性回归的 OFDM 系统的信道估计方法，该方法明确提出将信道估计的插值过程和噪声消除过程进行分离： 首先对估计出的导
4、频处的信道估计值进行插值， 然后对插值后的信道估计值进行局部线性回归以消除信道噪声和插值引入的误差。该方法不仅能够有效的抵抗线性插值所带来的误差，而且能有效的回避变换域方法受到附加矩形窗的影响，从而明显改善信道估计的性能。该方法不需华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 II 要知道信道和数据的先验知识，因此具有很高的鲁棒性。算法的计算复杂度仅为()O N。 为了在不增加计算复杂度的前提下进一步提高估计精度，我们又提出了基于Saviztky- Golay 平滑的 OFDM 频域信道估计算法， 该算法实际上是一种局部多项式回归平滑算法，可以转
5、化为卷积运算进行计算。利用通常 Saviztky- Golay 滤波器的抽头数远大于回归多项式阶数这一特点可以大大降低估计的计算复杂度， 使得计算复杂度仅为()O N。该方法具有局部线性回归估计算法的所有优点，且由于采用了局部多项式回归，估计精度比局部线性回归要高，同样不需要知道信道和数据的先验知识。 对于块衰落信道， 我们提出了基于二维核回归估计的 OFDM 系统信道估计方法。在核回归方法中，我们可以利用核函数来刻画信道复增益在时域频域上的相关性，因此估计性能比简单的局部回归要好。由于 WSUSS 信道的相关性可以进行时频分解，该算法可以分解为两个级联的一维核回归算法，复杂度大大降低。通过优
6、化时域和频域核函数的支撑区间的长度，该算法的性能在低信噪比时甚至超过一维 MMSE 估计算法，而复杂度远低于一维 MMSE 估计算法，但比前两种算法的计算复杂度稍高一些，每点数据的算法复杂度与两个核函数长度和成正比。 最后论文讨论了基于小波阈值估计的基本原理并提出了基于块阈值估计的小波阈值信道估计算法，该算法的性能优于基于传统的小波去噪信道估计算法，且在信道多径扩展大于 CP 长度时仍然具有较好的估计性能，且不存在模型失配问题，而计算复杂度仅为()O N。 通过全文的研究我们可以发现，非参数估计方法可以很好地在 OFDM 信道估计领域进行应用，并且可以在较低的计算复杂度下取得较好的估计性能。对
7、基于非参数估计的信道估计方法， 下一步的研究可以包括如何以较低的计算复杂度将这些算法推广到 MIMO- OFDM 系统中、算法的性能界的分析、估计窗长的选择、核函数的选择以及进一步降低二维核回归算法的计算量等方面。 关键词关键词：无线衰落信道，OFDM 信道估计，局部线性回归，Savitzky- Golay 平滑，核回归估计，小波块阈值估计 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 III Abstract Along with the extensive deployment of 3G wireless mobile communicat
8、ion systems, which are based on IMT2000 standard, the innovative B3G or 4G broadband multimedia communication techniques are widely investigated. To adapt to the need for multimedia services, the aim of the B3G/4G systems is achieving a transmission rate of 100Mbps in high- mobility environment and
9、1Gbps in low- mobility environment. So there must be some major progress in frequency efficiency and transmission rate in these systems. OFDM is a multi- carrier modulation or transmission technique. It has the advantages of high frequency, resistant to multipath delay spread and realization simplis
10、ity etc., therefore is chosen as one of the core techniques of B3G/4G communication system. To transmission in OFDM system with high data rates while reserving high frequency efficiency, big constelation mapping and coherent detection must be employed. In this situation, the receiver must know the c
11、hannel state information. Otherwise, many transmission schemes such as adaptive modulation and coding, space time transmission, MIMO, beamforming and crosslayer processing, all have to know the CSI. So channel estimation is a essential part of OFDM systems. Our focus is on the nonparametric estimati
12、on based OFDM channel estimation algorithm. In the dissertation, the radio fading channel property and nonparametric estimation theory were firstly discussed, then some channel estimation algorithm based on nonparametric function estimation were proposed and analysed after the briefly intruducing of
13、 conventional LS estimator, LMMSE estimator and DFT base transform domain estimator. These algorithm do not neen the a priori information of the channel and transmitted data, and can highly improve estimation performance only at a cost of computation complexity ()O N. In the first part, the properti
14、es of the radio fading channel were firstly discusseded, then the channel mode and its mathmatical characters were carefully analysed and the nonparametric estimation theory was introduced. Finally the conclusion was drawn that the radio fading channel can be estimated by nonparametric function esti
15、mation. Therefore a solid theorical basis is laid for the rest part of the dissertation. 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 IV In the second part, a nonparametric frequecy domain channel estimation algorithm based on local linear regression was proposed. In this method, the interpolation
16、 processing and noise cancellatiod processing were seperated, the LS estimated channel gain at pilot tones were firstly interpolated by piece- wise constant or piece- wise linear interpolation and then smoothed by local linear regression. This method can efficiently suppress the channel and interpolation error as well as avoid the windowing effect of the DFT based algorithm, so the performance was improved greatly. To enhence the accuracy of the estimation while reserving the computational com
