时变信道环境下基于FrFT的单/多载波无线通信系统变换域信号处理方法研究

Single carrier frequency domain equalization (SC-FDE) and orthogonal freqyency division multiplexing (OFDM) are the correspondingly representative equalization techniques for single carrier and multicarrier transmission. They have the similar basic idea to combat the frequency-selective fading and both are the core techniques for the next generation of broadband wireless communication systems. However, they both suffer from severe subchannel interference caused by the nonorthogonality of the subchannles in the fast time-varying channel. By using the basic theoris of Fractional Fourier Transfomation (FrFT), this project establishs a system based on FrFT (FrFT-OFDM) and a single carrier fractional fourier domain euqualization system (SC-FrFDE) in order to research the technique of fractinal fourier domain euqualization (FrFDE) and to provide new theories and methods to practice the broadband wireless communication system in the fast time-varying channel. Firstly, we will research the adding and removing methods of zero-padding guardinterval to reduce the demand for transmitter. Secondly, we will research the etimation algorithms of time-varying channel for the proposed systems to abtain the channel state information accurately. Thirdly, we will research the method of selecting the optimal order of FrFT for FrFT-OFDM and SC-FrFD to reduce the influence of subchannel interference. Finally, by joining the equalization of several fractional Fourier domains,we will propose the multiple orders' intergration equalization algorithm to improve the performece of equalization.

SC-FDE系统和OFDM系统分别是单载波和多载波频域均衡技术的代表，其对抗频率选择性衰落的思想和性能基本一致，是下一代宽带无线通信系统的核心技术。但在快速时变信道环境下两系统都面临频域子信道不正交，子信道间产生相互干扰的严重问题。应用FrFT基本理论，本项目构建基于FrFT的正交频分复用（FrFT-OFDM）和单载波分数阶傅里叶域均衡（SC-FrFDE）系统，研究其中FrFD均衡等相关信号处理问题，为实现快速时变信道下宽带无线通信提供新技术和新方法。首先研究FrFT-OFDM和SC-FrFDE系统零前缀加入和去除方法，降低对系统发送端的要求。其次研究系统时变信道估计和递推跟踪算法，精确获取信道信息。第三研究FrFT-OFDM和SC-FrFDE系统最优FrFT阶次选择方法，降低子信道间干扰影响。最后提出SC-FrFDE系统多FrFD数据融合的均衡算法，通过多变换域联合均衡获得更好均衡效果。

本项目针对快速时变信道环境中单/多载波正交频域均衡系统所面临的载波间干扰（ICI）问题，应用分数阶傅里叶变换（FrFT）基本理论，构建基于FrFT的分数阶傅里叶变换正交频分复用（FrFT-OFDM）系统和单载波分数阶傅里叶域均衡（SC-FrFDE）系统，并研究其中零循环前缀加入、时变信道估计、最优分数阶傅里叶阶次选择、多用户干扰消除等关键信号处理问题，以适应高速移动中的无线通信需求，为快速时变信道环境下的通信信号处理提供新技术和新方法。. 项目立项以来，课题组开发了FrFT-OFDM系统和SC-FrFDE系统算法软硬件仿真平台，该平台可以完成系统各关键信号处理算法的性能仿真和分析。提出并构建了单/多天线的FrFT-OFDM系统和SC-FrFDE系统方案，给出了系统基本结构和工作方式。提出了MIMO SC-FrFDE系统的零循环前缀加入方法，使得在不改变现有传统单载波系统发射端结构的前提下，只需对接收端进行改造即可实现SC-FrFDE系统功能。提出了最优分数阶傅里叶变换阶次选择算法，实现在时变信道环境下的最小载波间干扰接收。将传统基于导频和插值的信道估计方法进行分数阶傅里叶域推广，提出了一种SC-FrFDE系统中时变信道估计方法，可实现符号内信道时变情况下的信道冲激响应估计与跟踪。将概率图模型和压缩感知等工具应用于时变信道估计，提出了一种基于变分推理的频域均衡与信道估计联合迭代算法和一种基于贝叶斯压缩感知的MIMO系统信道估计算法。这些基于分数阶傅里叶变换和贝叶斯估计的新算法和新思想不但可以应用于无线通信信号处理领域，而且也可以改进后应用于更广泛的信号和信息处理领域，例如图像的处理与识别领域，也为以后的研究奠定了基础。. 总体上，项目研究取得了较多原创性研究成果，发表SCI论文5篇，EI论文12篇，获软件著作权1项，省部级鉴定成果1项，较好地完成了预期的研究内容和研究目标。