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频率同步技术用于协调多个MIMO无线通信系统
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摘要
本论文是对协同多路复用器下行链路同步的研究，基本/多用户（CMBMU）系统。 CMBMU系统的目标是形成一个全系统的MIMO网络，使用多个同频道基站（BS）和移动用户（MS）。与现有的蜂窝系统相比，CMBMU好处包括增加微观和宏观分析。
信道和系统损伤对线性下行信号的总和容量的影响，检查链路CMBMU波束成形技术，以确定哪些损伤是最有问题的。多个载波频率组合（CFO）的存在系统被认为是最大的问题。证明本地振荡器诱导的CFO对总和容量的影响比多普勒诱导的CFO更显着。
然后，探讨了多CFO估计技术。利用MS侧估计器导出最大似然（ML）度量的凸度。由于ML度量取决于训练序列的长度和CFO的严重程度，制定保证ML度量凸度的分割方法。凸估计和分割方法的性能渐近地满足Cramer-Rao下限的多CFO估计。
由于MS不可能在CMBMU下行链路中纠正BS CFO，所以需要在BS和MS之间进行合作的估计和校正技术。被反馈给BS的初始MS侧估计显示为偏置的，所提出的技术克服了这种偏差,最终的结果是整个系统被带到公共载波频率。
在多CFO估计期间，额外的信道损伤，如定时设置，选择性频道和时间选择性频道可能使事情复杂化。进行对ML度量的简单修改，以补偿定时和频率选择性通道。基于参数化信道估计的新ML度量使用信道增益的自相关函数来补偿时间选择性渠道。对CFO MSE的改善近两个数量级可以通过使用原始信道估计器实现。
关键字:基地协调;波束成形;载波频率设定;衰退渠道;MIMO系统;移动通信系统
第1章 绪论
多天线系统被证明是高容量无线的重要组成部分网络。传统的通信系统在带宽和功率之间进行交易已经加入了第三个变量; 天线数量。配智能天线阵列和算法设计，这些多输入/多输出（MIMO）系统可以与天线数量成比例增加[75]。代替系统提供商必须购买额外的无线频谱，他们现在可以选择添加附加天线到其基站（BS）或移动用户（MS）。
由过去的工作引入MIMO系统，目前最先进的研究通信系统的物理层主要侧重于容量的最大化。容量是系统中用户的理论最大可实现数据速率。都上行链路和下行链路具有许多可以被使用的众所周知的技术接近MIMO系统的容量。 在上行链路中，多用户检测技术例如线性抑制滤波器[15,84]和涡轮技术[77]是流行的。 为了下行链路，奇异值分解（SVD）滤波器形式的空间复用[72]或最佳波束成形[14,59,78]。
同时，BS的协调理念也被认为是一种方式增加超过传统蜂窝系统可实现的容量。好处的BS协调，也称为宏分集或网络MIMO，在1984年首先被Yeh等人量化[86]，对于上行链路和下行链路的硬BS选择的情况频道现代BS协调研究侧重于BS信号的软组合。上行技术包括诸如Welburn等人提出的智能技术。在[81]中，其使用最佳最大值组合协调BS处的信号可能性标准。协调代码分多址的概念和能力（CDMA）系统已经被深入探索在[30,61,81,82]，而下行容量的协调窄带系统已被Bacha等人研究在[3]中。还有一些与协调BS相关的问题反映在合作MS领域通信，特别是关于载波频率的设置在[7,49,76]。
系统能力和BS协调研究领域之间的重叠领域协同多站/多用户（CMBMU）下行链路。在CMBMU系统中，BS协调其信号传输，创造有效的巨型分布式MIMO
天线。 在[19]中，相关工作包括通过Dawod等人最小化同位置天线之间的空间相关性的方法。对正交频分的调查[68] Shao和Roy的多路复用（OFDM）CMBMU系统，以及波束成形Ng等人使用协调BS的线性模型的分析在[53]。
虽然已经考虑了下行链路波束形成器的实际考虑在过去的文献[42，45]，但CMBMU系统大都被忽略了。CMBMU系统提出由于BS的物理分离而产生的新的和不同的问题。这个任务协调来自地理上分离的无线电发射机的传输能力引起人们怀疑。 然而，本论文提出了解决方案的主要障碍载波频率设置，作为实施CMBMU系统的一个步骤。
1.1 动机
本节提供了本论文研究背后的动机。介绍了协调多位/多用户系统的理由，以及系统分析期间存在的一些常见假设在实施前的处理。
1.1.1 移动通信系统容量
通信系统的理论容量是用于确定可获得的数据吞吐量限制的措施。为了满足当前移动应用的需求，研究工程师正在不断寻找增加这种能力的方法。容量通常使用容量定理来定义（见第2.1.2节）。 如上所述在介绍中，MIMO容量包括多个天线的效果，其中可获得的最大容量与发射天线的数量成正比单个信噪比的对数（详见2.1.3节）讨论）。因此，系统中的天线越多，容量越大。
然而，移动通信信道的效果并没有得到反映到容量表达式中。也就是说，BS向正在发送的MS发送阴影区域，这些阴影区域定义为具有非常高的衰减的区域周边环境比如如建筑物或丘陵。即使天线可能间隔足够远，可以在微观尺度上经历不相关的多路径，这些阴影区域引入了对宏观尺度的依赖。为了削弱如果天线是阴影效应，可以采用分布式天线，前提是天线远离足够的距离，以使它们具有独立的阴影效果。
绝大多数使用的移动通信系统依赖于分划模型。通过设计，分划系统将BS放置在经历独立阴影的区域中。这使得分划系统成为实现等效于分布式天线系统的理想机会，并且将传统分划模型折叠成有利于单个大型分布式MIMO天线阵列。 附加天线将提供额外的微分集，而分离的BS将提供宏分集以改善系统对阴影的抵抗力。
1.1.2 共同的假设
由于通信系统非常复杂，研究人员通常会简化模型。这种简化允许有趣的观察，但是它给出了系统性能的不准确描述，因为简化常规地忽略通信系统模型中的信道损伤。
在RF子系统中，损伤可能包括天线和放大器的频率响应以及所有伴随的匹配电路。这些损害在通信系统模型中非常不合理，因为它们基于各个组件，并且通常只能准确到达平均值的百分之几。因此，最好的模拟需要对组件价值分布的期望，这是一个非常复杂和几乎不可能的壮举。对于这些效果，最好假设效果可以忽略不计，或者至少可以通过智能电路设计来减轻。还存在用于信号上变频和下变频的不准确振荡器频率的损害。这种现象称为载波频率集（CFO），在信号模型中更容易建模。
对于通道，常见模型中忽略的损伤包括信道状态信息（CSI）的准确性，由多普勒频率引起的CFO（见第2.1.3节），以及存在于各种BS和MS之间的定时 在通信系统中。 这些损伤容易地作为附加参数并入到通信系统模型中。
应该注意的是，尽管有许多研究忽略了这些模型参数，还存在一个直接关注他们的研究的子集。 渠道状态的影响MIMO信道中的估计误差已经进行了深入研究[27,31,40,41]。 对于CFO和定时设置，存在依赖于模型的同步技术系统结构; 例如，为专门设计的参数估计方案OFDM系统[10,36,46,48]。然而，以前的研究没有考虑到具体的CMBMU系统的系统结构。
1.2 目标和贡献
本文的目的是调查下行链路信道损伤的效果协调的多位/多用户系统，并制定纠正或补偿的解决方案对于任何容量损失。特别感兴趣的是载波频率由于独立而设置本地振荡器，原因将在第3章中显而易见。这是通过对CSI的系统容量和误差分析进行了考察。 CSI被定义为CFO的组合，定时集和通道增益。
1.2.1 无线系统的演进
关于当前或即将到来的无线系统标准，协调的技术移动WiMAX [23]和高级长期使用中正在考虑波束成形3G系统的演进（LTE）[56]。在两种标准中，正在进行下行链路波束成形被认为是增加信号对干扰和噪声比（SINR）的手段MS。虽然具体的细节如何将一个特定的波束成形技术可以覆盖这些本文不考虑标准，这里提供了一些一般性意见。
虽然本论文没有明确考虑多载波系统，本文介绍的算法和技术适用于和/或易于适应。具体来说，多载波中附加的载波间和用户间干扰的效果系统可以并入到联合通道状态和CFO的目标函数中估计。
此外，在信道模型方面，所提出的算法和技术是特别适用于在具有中/郊区的密集多路径中操作的系统低/城市流动性。这在第3章中得到证明，并提出了建议算法特别适用于新兴的4G系统[56]。
1.2.2 目标
渠道障碍不可避免地导致一定程度的能力下降。首先目的是检查下行链路各种信道损伤的效果CMBMU系统 纳入具体渠道障碍背后的理由系统模型也将被验证。
CMBMU系统通道损伤校正方法，实际应用。在修正之前可以完成，但质量高必须对CSI进行估计，估计质量与低均值有关平方误差（MSE）。本论文的第二个目的是检查渠道障碍估计和/或补偿。最感兴趣的是载波频率设置。进一步的补充频率选择频道，时间选择频道和定时设置等被列为妨害参数，尽管进一步的调查可以提供足够的材料为第二篇论文。
下行CMBMU系统的载波频率的具体损耗是感兴趣的是在MS方面无法纠正。 这是波束形成器的结果协调BS的权重。 因此，第三个目的是检查修正BS本地振荡器使用参数估计技术。
总结一下目标：识别载波频率设置和时间选择信道的信道损伤对CMBMU系统的下行链路容量的损害程度，为多载波频率集合创建有效估计技术，设计能够在时间选择性信道中操作的载波频率估计的度量，为基站载波频率集合创建估计和校正技术。
1.2.3 贡献
本论文为新兴合作社提供了一些新的贡献多位置/多用户系统，以及更一般地估计信号特性。 在特定，它提供了迄今为止对多个独立BS CFO对CMBMU下行链路容量的影响的唯一调查，为静态通道中的多个频率设置提供了最佳的估计器，提供了衰落信道中多个频率集合的唯一估计器，提供了将单独的BS分配到公共的唯一方法通过使用由MS反馈的估计来操作载波频率。
更详细地介绍了具体的贡献和简要总结本论文如下：确定了CMBMU系统的下行链路容量是因为CFO的数量，MS的数量和系统信号对噪声比（SNR），并且仅略微取决于BS内的数量系统。 此外，当将独立的本地振荡器与CFO进行比较时
由多普勒扩散导致的CFO，证实了对于正常的局部值振荡器精度和本地振荡器效果的相对移动速度更大。这也证明了对于时间选择性（即衰落）的容量效应，渠道。设计出有效的多CFO估计量。所提出的估计量是有能力的实现错误表现的下限，同时使用同步训练序列，以最大化每帧的数据速率。与现有的时差相比所提出的估计器需要较低的峰值功率，并且具有比实际可实现的现有方法更大的时间孔径，因此具有更大的分辨率。通过使用新的分割过程，可以看出这些估计器能够补偿CFO的任何大小。尽管容量模拟表明时间选择性通道没有具有如CFO，CFO估计在存在时间选择性方面的优势渠道是一个主要的问题。模拟证明了时间选择性的效果对CFO和CSI的估计。 为了补偿，设计了一个新的CFO估计器，它依赖于通道自相关的模型。这项工作似乎是首先解决时频选择性多频率估计的问题渠道。进行了仿真，证明了设计参数对于时间选择性CFO估计器必须仔细选择以匹配通道条件。由于当使用下行链路波束形成技术时，MS不能补偿多个CFO，所以设计了CFO“紧缩”技术，通过该技术BS基于来自MS的反馈校正其频率。紧缩技术涉及单个BS和MS CFO的最大似然估计器以及MS侧CFO估计反馈的单帧。此外，BS和MS通过移动其载波频率进行校正 该技术能够减少BS CFO相当普及。虽然MS的添加提高了技术性能，但BS的添加稍微降低了性能。表现在BS与MS信道SNR的变化较大的系统中，结果非常有利。
1.3 论文组织
本论文由四部分组成，不包括第2章提出的背景，第3章使用CMBMU系统中的表达式来考察CFO的作用理论能力。模拟用于证明CFO的效果，并对比对时间选择性渠道的影响。零强制波束成形的具体例子是用过的。在第4章中，对在MS上估计多个CFO的方法进行了检查。在第5章，调查了BS CFO的估算和修正。最后，时间选择渠道被列入第6章的首席财务官估计模型，并提出了一个新的指标将适应快速衰落的频道。结论见第7章。
2 背景
本章为论文中使用的理论和模型提供参考。概述的符号和系统模型也被提出。在2.1节中，概述了一般通信系统，包括系统容量的简要说明衰落信道和MIMO信道。 第2.2节介绍了大容量多用户物理层传输方案是为CMBMU系统提出的，而第2.3节详细介绍了多基地协调的中心思想。最后，系统模型在第2.4节中介绍，由前面几节的组成部分组成。
2.1 通信系统
数字通信系统（DCS）的主要目标是传输二进制数据从源头到数据接收端（参见[57]进行全面处理，或者[70] - [71]进行教程审查）。这在第2.2节中扩展到多个源和汇。对于有线和DCS上的无线变化，数据的传输使用电磁场作为传播介质[35]。传输数据的具体应用一般不是关注物理层通信系统的设计，因此不会被考虑这里。对于基本的DCS，随机噪声可能导致检测过程中的错误。在数据接收端，热噪声被引入到所有频段。因此，a的主要目标数字通信工程师将优化功率和带宽，以提高效率检测嵌入在热噪声中的原始二进制数据。这个优化需要编码，调制和检测方案组合的形式。 DCS可以分为少量功能特定的块，如图2.1所示。注意尽管源提供用于传输的二进制数据，但是通常将位组合在调制步骤期间成为更高维度的符号。在图2.1中也要注意源和宿处的各个块彼此之间产生反向操作。
大多数DCS依赖于源和纠错编码。源代码删除来自源的二进制数据的冗余信息（[17]，第5章）; 这种技术用于最小化传输的数据量，并有效减少数量
必须从源到汇的符号。 另一方面，纠错编码寻求向二进制数据添加冗余信息[83]; 通过添加数据依赖符号，这种冗余用于通信链路的接收端增加在存在通道损伤的情况下选择正确符号的概率。
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资料编号：[137681]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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