多天线OFDM信道全信息压缩估计理论与方法

智能天线(SA)与MIMO的有机结合是我国4G标准TD-LTE的核心，但目前SA/MIMO的功能在现有系统中并没有充分发挥，尤其在高速移动的场景下，根本原因在于缺乏有效的方法来精确估计宽带多天线信道在空时频上的全信息。基于压缩感知理论，本项目从多天线OFDM信道全信息压缩估计的基本理论、信号处理方法、实验验证三个层面开展研究，为信道全信息的精确高效估计提供理论与方法。在宽带多天线信道解析相关模型参数化与正确性实验验证的基础上，研究多天线OFDM信道的稀疏性、稀疏基与测量矩阵构造，构建多天线OFDM信道稀疏表征模型，分析确定性感知矩阵的可验证RIP条件，建立信道全信息压缩估计误差分析方法，基于信道特征参数的概率分布边信息及其多域联合稀疏结构特征，研究信道全信息压缩估计信号处理方法与快速算法，研究信道全信息压缩估计性能评估体系，在多天线实验平台上验证多天线OFDM信道全信息压缩估计理论与方法

针对多天线通信系统由于信道估计精度不能满足波束赋形、相干接收的需求以及导频开销过大等问题，研究了多天线信道在时延、频移、角度三个域上高效而精确的特征参数联合估计，包括：1）分析天线间的耦合效应，构建体现耦合效应的信道模型；2）研究在时延-角度-多普勒频率三域上的多天线信道稀疏表征模型；3）设计满足可重构条件的导频图样；4）研究提高估计精度、降低导频开销及计算复杂度的信道估计算法；5）研究信道特征提取与加密相结合的物理层安全技术；6）研究信道空时快速去相关特性与编码协同相结合的分布式编码技术。取得的成果包括：1）基于矩方法定量分析天线间隔与天线互阻抗间的定量关系，通过矢量网络分析仪实测验证了理论分析的正确性，由此构建体现天线互耦特性的信道模型。2）针对MIMO系统，设计了一种特殊的导频结构，采用修正OMP算法提高信道估计精度并大幅降低复杂度；针对高速移动环境下多普勒效应引起功率泄漏从而信道估计性能显著下降的问题，提出了DPSS稀疏基形式下的最佳门限算法，实现信道的可靠估计。3）针对智能天线系统，提出四种提高估计精度的信道估计算法：（a）基于信道在时延-角度域上的联合稀疏结构特性，设计联合估计信道时延与角度的压缩算法，不仅提高估计精度，且突破了传统方法要求天线数大于信道数的约束；（b）设计一种虚拟天线阵列，无需改变天线阵的物理结构就可扩大天线口径从而提高角度估计精度的压缩角度估计算法；（c）基于turbo准则的软信息迭代更新与传递的思想，设计LMMSE与稀疏重构相结合的迭代角度估计算法；（d）针对角度连续分布而在离散化时角度大概率不在采样点上从而导致功率泄漏的问题，提出新的信道误差模型及相应的迭代估计算法，大幅提高信道估计精度。3）基于无线特征，设计了三类联合信道估计与密钥提取的物理层安全算法：a）针对TDD-OFDM系统，设计了双向实时的身份验证算法、基于信道幅度/相位估计的密钥产生算法；b）针对FDD-OFDM系统，设计了基于信道相位估计的密钥产生算法；c）设计了结合信道估计、密钥提取与随机星座旋转的物理层自安全算法。4）利用信道的空时快速去相关特性，设计了结合信道估计与编码中继的多用户分布式编码算法。本项目成果包括发表SCI/EI论文17篇，中国/美国发明专利11项，英文专著章节1章，培养硕士6名。