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下一代移动通信系统的研究工作将朝着“无论何时、何地、可与任何人通信”的最高目标发展,无线自组网则被认为是未来移动通信的核心技术之一。无线环境中的衰落使得自组网通信系统的性能受到严重影响,将协作分集通信应用于自组网中,能够充分利用自组网多节点优势来获取空间分集度,提高通信的可靠性,增大网络的覆盖范围,扩展网络容量,因此,将协作分集通信和自组网设计相结合具有很大的研究意义和实用价值。
本文对OFDM自组网通信系统中引入协作分集技术所碰到的多节点频偏问题展开研究。文章在定量地分析了频偏对DOSTBC-OFDM(基于分布式正交空时码的OFDM)系统性能的影响的基础上,提出了一种适用于TDMA自组网环境下的频率互同步机制,解决了协作分集通信中遇到的多节点频偏问题。该方法有别于现有文献的多节点频偏补偿方法,为协作分集技术在自组网中的实用化提供了一种新的思路。论文的主要研究成果体现在以下几个方面:
1、研究了多节点频偏对DOSTBC-OFDM系统性能的影响,推导出分布式正交空时编码在各中继信道增益不相等情况下的PEP性能,以及BER性能,并给出闭合表达式。在此基础上,分析了多节点频偏对DOSTBC-OFDM系统BER性能的影响,推导了在各子载波不相关情况下系统的BER表达式。
2、研究并改进了OFDM载波频偏估计方法。在载波频偏(CFO)估计方面,提出一种基于训练序列的最大似然频偏估计的快速算法,将算法搜索的计算量从原始的O(N3)降低到O(N2/2log2N)。由于训练序列的长度限制,CFO估计不尽准确,依然存在残余频偏(RFO)。针对RFO提出最大似然残余频偏估计方法,它能够充分利用OFDM数据符号对残余频偏进行盲估计,从而大大提高频偏估计的精度,仿真结果表明估计精度在AWGN信道、瑞利多径信道下的改善分别可达近4个数量级、1个数量级。
3、利用自组网节点的平等性和无中心性,提出频率互同步方法。同时给出算法收敛的充要条件,推导出网络节点频率终值表达式,并证明了算法的收敛速度由权值矩阵W的特征值中模值次大的值|λ2(W)|决定。此外,考察了网络拓扑与算法收敛性以及收敛速度的关系,证明了当网络有且只有一个独立强连通子图,并且在该独立强连通子图中至少存在一个带环的节点,那么频率互同步算法收敛。
4、考察了频率互同步算法在存在频偏估计误差和网络拓扑变化场景下的性能。对于频偏估计有误差的情况,采用频率平均均方误差来衡量网络的同步性能,估计出了它的上界和下界,而后进一步分析了节点的环权值对网络的同步性能以及网络频率漂移速度的影响:增大节点环的权值,可以获得更高的全网频率同步精度和更小的网络频率漂移速度。
对于存在频偏估计误差并且网络拓扑变化的情况,从稳定性角度对频率互同步算法进行分析,给出了算法稳定的一个充分条件:(1)在任意时刻,网络权值矩阵是一个对角线全正的随机矩阵,并且其非零元素都大于一个给定的正常数。(2)存在着一个常整数q＞0,从任意时刻开始的连续q个时刻的网络拓扑的并集是一个强连通带环有向图。
5、设计了硬件验证平台对频率互同步算法进行实物验证,实测结果证明了频率互同步算法的可行性与有效性。