【正文】 測(cè)方法。該算法通過(guò)導(dǎo)頻信息獲得初始信道估計(jì)，在迭代過(guò)程中進(jìn)一步精確地估計(jì)限幅導(dǎo)頻序列和非線性失真信息。估計(jì)的限幅導(dǎo)頻序列用于信道再估計(jì)，而經(jīng)過(guò)非線性失真補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)子載波用于信號(hào)再檢測(cè)，提高系統(tǒng)的性能。 研究背景及意義 通信是一個(gè)比較古老的話 題，從遠(yuǎn)古時(shí)代的烽火狼煙、飛鴿傳信、驛馬郵遞，到工業(yè)時(shí)代的電報(bào)、電話，再到信息時(shí)代的無(wú)線移動(dòng)通信，經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期的發(fā)展演變過(guò)程。隨著社會(huì)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，人們對(duì)通信性能、通信質(zhì)量的要求也日益提高，目的是為了能夠在任何時(shí)候、任何地點(diǎn)、與任何人、以任何方式進(jìn)行聯(lián)系溝通和信息交流，這種愿望在沒(méi)有無(wú)線移動(dòng)通信業(yè)務(wù)之前，是無(wú)法想象，無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。早在 1897 年，馬可尼在布里斯托爾海峽進(jìn)行了無(wú)線電通信實(shí)驗(yàn)，并獲得了成功，當(dāng)時(shí)的通信距離能夠達(dá)到數(shù)十公里，這是移動(dòng)通信的開端 [1]。自此之后的 100 多年中，無(wú)線通信經(jīng)歷了從模 擬移動(dòng)通信到數(shù)字移動(dòng)通信，從窄帶通信到寬帶通信的發(fā)展過(guò)程。在近三十年來(lái)，移動(dòng)通信的發(fā)展尤為迅猛，經(jīng)歷了從第一代模擬通信（ 1G）到第二代數(shù)字通信（ 2G），再到第三代多媒體通信（ 3G） [2][3][4]，以及充分利用了 OFDM、 MIMO 等先進(jìn)通信技術(shù)的第四代移動(dòng)通信（ 4G）也正在如火如荼地研究當(dāng)中 [5][6]。 美國(guó)的 AMPS、英國(guó)的 TACS、北歐的 NMT450 和 NMT900、日本的 NTT 等制式是第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的典型代表，他們采用頻分多址（ FDMA）技術(shù)和模擬語(yǔ)音技術(shù)。我國(guó)于 1983年規(guī)定了蜂窩移動(dòng)通 信系統(tǒng)的頻段，并在 1990 年確定采用 TACS 制式。因?yàn)槟M技術(shù)比較成熟，第一代移動(dòng)通信在當(dāng)時(shí)得到了較為廣泛的應(yīng)用，但是它也有很多弊端，如各種制式互不兼容，移動(dòng)用戶不能在各種系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)漫游，另外頻譜利用率低、保密性能差、抗干擾能力差，并且系統(tǒng)通信容量小，能夠同時(shí)承載的用戶比較少，不能滿足人們?nèi)找嫣岣叩耐ㄐ判枨螅饾u在競(jìng)爭(zhēng)激烈的通信市場(chǎng)中被淘汰。 研究現(xiàn)狀 對(duì)無(wú)線信道特性的認(rèn)知是移動(dòng)通信中非常重要的一個(gè)方面，已成為無(wú)線通信領(lǐng)域中長(zhǎng)盛不衰的研究課題，并取得了豐碩成果。本文對(duì)該課題的研究擬引用控制 領(lǐng)域中的多模型理論，所以本小節(jié)，主要對(duì)信道估計(jì)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及多模型理論研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)要敘述。 信道估計(jì)研究現(xiàn)狀 對(duì)于一個(gè)特定無(wú)線通信系統(tǒng)，首先需要為其建立恰當(dāng)?shù)男诺滥Ｐ停@是后續(xù)系統(tǒng)搭建設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。在建立正確的信道模型基礎(chǔ)上，只有接收端獲知準(zhǔn)確的信道參數(shù)，才能使發(fā)送信號(hào)的解調(diào)恢復(fù)得以可靠實(shí)現(xiàn)。 無(wú)線通信信道有兩個(gè)主要特點(diǎn)： 其一，無(wú)線通信環(huán)境參數(shù)具有時(shí)變特性，導(dǎo)致在不同時(shí)刻傳輸?shù)男盘?hào)所經(jīng)歷的信道影響完全不同，主要由多普勒效應(yīng)引起的； 其二，無(wú)線信道具有頻率選擇性，導(dǎo)致不同頻率信 號(hào)經(jīng)歷的信道衰落也不盡相同，主要由多徑效應(yīng)造成的。這兩個(gè)特性對(duì)信道參數(shù)的估計(jì)帶來(lái)了很大的困難，因此對(duì)信道估計(jì)方法進(jìn)行深入研究，設(shè)計(jì)出合理的信號(hào)傳輸模型和信道估計(jì)方法非常重要。 多模型理論研究現(xiàn)狀 在我們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，由于系統(tǒng)的復(fù)雜化和多元化，導(dǎo)致單一模型是無(wú)法準(zhǔn)確跟蹤系統(tǒng)參數(shù)變化。比如當(dāng)系統(tǒng)從一種環(huán)境變換到另一種環(huán)境，系統(tǒng)的參數(shù)變化很大，單一的模型是無(wú)法精確描述系統(tǒng)的實(shí)際變化，將造成較大的系統(tǒng)輸出誤差，有可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的輸出結(jié)果，所以需要用若干個(gè)能覆蓋所有系統(tǒng)環(huán)境變化的動(dòng)態(tài)模型 共同跟蹤系統(tǒng)的參數(shù)變化。早在上世紀(jì) 70 年代，就有人提出了多模型理論，最初僅應(yīng)用于控制領(lǐng)域。近年來(lái)，多模型方法在其他研究領(lǐng)域也得到了廣泛研究。顧名思義，多模型控制是用多個(gè)系統(tǒng)模型來(lái)逼近系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)不確定性。多模型控制方法適用于非線性系統(tǒng)中，能夠達(dá)到較好的控制精度、跟蹤速度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。盡管多模型理論提出的很早，但是在當(dāng)時(shí)沒(méi)有引起足夠重視，直到上世紀(jì)九十年代末，隨著多模型理論在實(shí)際應(yīng)用中得到成功，人們才對(duì)這種方法重視起來(lái)，尤其在近十年，多模型控制方法在各個(gè)領(lǐng)域也越來(lái)越受青睞。目前多模型自適應(yīng)控制的研究工作主要集中 在兩個(gè)方面：多模型建模方法的研究和多模型控制器的研究。 多模型建模方法的研究：總的來(lái)說(shuō)，多模型建模方法主要分為兩大步驟，首先，訓(xùn)練多個(gè)盡可能不相關(guān)的模型，達(dá)到能夠覆蓋系統(tǒng)的所有狀態(tài)變化的目的；其次，采用適當(dāng)?shù)墓沧R(shí)規(guī)則，使多個(gè)系統(tǒng)模型的輸出達(dá)成共識(shí)。在建立模型時(shí)，既要確保每個(gè)模型有較高的輸出精度，又要盡可能降低模型間的相關(guān)性。但是，一般情況下輸出精度和模型間相關(guān)性是相互矛盾的，提高了模型預(yù)測(cè)精度往往會(huì)提高了模型間的相關(guān)性。因此，在建立模型時(shí)，需在模型輸出精度和相關(guān)性之間折衷考慮，以便達(dá)到較好的系統(tǒng)輸出效果?，F(xiàn) 階段多模型建模方法主要有： TS 多模型模糊方法、多神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型方法和局部模型網(wǎng)絡(luò)方法等。 TS多模型模糊方法，是由 Takagi 和 Sugeno 提出的一種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的模糊辨識(shí)方法 [24]，其基本思想是將非線性系統(tǒng)狀態(tài)分為多個(gè)模糊區(qū)間，在每一個(gè)區(qū)間內(nèi)用線性模型逼近，全局模型可以通過(guò)局部模型的插值得到。多神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型方法 [25]，其基本思想是利用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有逼近非線性函數(shù)的能力，在不同的狀態(tài)區(qū)域內(nèi)，利用不同的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)逼近不同的非線性過(guò)程，從而描述含有大量不確定性因素的復(fù)雜非線性系統(tǒng)。局部模型網(wǎng)絡(luò)方法，其思想是利用 一組線性無(wú)關(guān)的基函數(shù)來(lái)逼近非線性未知系統(tǒng)函數(shù)，并結(jié)合多模型理論解決復(fù)雜系統(tǒng)的建模問(wèn)題。 多模型控制器的研究：在上世紀(jì) 70年代，由 Lainiotis 和 Athans 提出了卡爾曼濾波器控制，被用來(lái)應(yīng)對(duì)控制問(wèn)題中因系統(tǒng)非線性帶來(lái)的輸出誤差，這種多模型控制器在當(dāng)時(shí)得到了廣泛應(yīng)用。多模型控制方法主要有：增益調(diào)度控制和多模型自適應(yīng)控制。在環(huán)境變化比較頻繁的系統(tǒng)中，增益調(diào)度控制是一種行之有效的方法。常用來(lái)分析單一定常系統(tǒng)無(wú)法描述的非線性問(wèn)題。增益調(diào)度的目標(biāo)就是通過(guò)一系列對(duì)應(yīng)不同環(huán)境條件的線性控制法則來(lái)逼近非線性系統(tǒng)控制策 略。而多模型自適應(yīng)控制是在傳統(tǒng)自適應(yīng)控制方法無(wú)法充分描述復(fù)雜非線性系統(tǒng)性能時(shí)提出的。首先，基于被控對(duì)象和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不確定性建立多個(gè)模型，組成模型集，然后根據(jù)模型集設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的控制器，最后結(jié)合系統(tǒng)所處狀態(tài)，根據(jù)切換準(zhǔn)則在模型集中選擇最優(yōu)模型作為系統(tǒng)輸出模型。 第 2 章 OFDM 系統(tǒng)中信道估計(jì)技術(shù) 技術(shù)背景 近年來(lái)，個(gè)人通信和移動(dòng)無(wú)線通信得到迅猛的發(fā)展，同時(shí)對(duì)傳輸速率和通信的質(zhì)量提出了更高的要求。正交頻分復(fù)用（ OFDM, Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing）和基于多天線陣列的多輸入多輸出（ MIMO, Multiple Input MultipleOutput）技術(shù)被認(rèn)為是下一代無(wú)線通信中的核心技術(shù)。 OFDM 技術(shù)是多載波傳輸?shù)囊环N，其多載波之間相互正交，可以高效地利用頻譜資源。另外， OFDM 將總帶寬分割為若干個(gè)窄帶子載波，每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此，每個(gè)子信道是平坦衰落，從而可以有效地抵抗頻率選擇性衰落，消除符號(hào)間干擾。在 OFDM 系統(tǒng)中，高速的數(shù)據(jù)信號(hào)被轉(zhuǎn)換成低速的子 數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。各個(gè)子信道的正交調(diào)制和解調(diào)可以采用快速傅立葉反變換（ IFFT， Inverse Fast Fourier Transform）和快速傅立葉變換（ FFT， Fast Fourier Transform）實(shí)現(xiàn)，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)（ VLSIC）與數(shù)字信號(hào)處理（ DSP， Digital Signal Processing）技術(shù)的發(fā)展， IFFT 和 FFT 都是非常容易實(shí)現(xiàn)的。無(wú)線信道的頻率選擇性衰落和時(shí)間選擇性衰落都會(huì)影響到 OFDM 系統(tǒng)的性能。頻率選擇特性導(dǎo)致接收信號(hào)的幅度、相位 和到達(dá)時(shí)間的劇烈變化，所以，為了在接收端準(zhǔn)確恢復(fù)出發(fā)送信號(hào)，必須要進(jìn)行信道估計(jì)，獲得所有子載波上的參考相位和幅度，利用估計(jì)出來(lái)的信道信息對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行均衡。而時(shí)間選擇性將導(dǎo)致 OFDM 系統(tǒng)的子載波不再正交，并引入了子載波間干擾（ ICI），為此，必須對(duì)載波間干擾進(jìn)行補(bǔ)償，消除ICI 的影響，然后進(jìn)行均衡，消除信道時(shí)變特性的影響。 發(fā)展歷史 在數(shù)字通信系統(tǒng)中，如果發(fā)射信號(hào)的帶寬超過(guò)了信道的相關(guān)帶寬，信號(hào)通過(guò)信道將經(jīng)歷頻率選擇性衰落，信道稱為頻率選擇性衰落信道。我們稱信道呈現(xiàn)頻率選擇特性的數(shù)字通信為 寬帶數(shù)字通信 [1]。在寬帶數(shù)字通信中，如果使用單載波調(diào)制方式，并且接收端沒(méi)有采用相應(yīng)的均衡處理消除頻率選擇特性的衰落或者 ISI，系統(tǒng)性能將嚴(yán)重惡化，甚至失去通信能力；而系統(tǒng)采用的信道均衡方法在復(fù)雜度和性能之間不能很好地折衷。同時(shí)，發(fā)射信號(hào)的帶寬超過(guò)了信道相關(guān)帶寬，信號(hào)各個(gè)頻率分量經(jīng)歷不同的衰落，系統(tǒng)具有頻率分集增益的潛力，單載波調(diào)制方式不容易充分地利用該分集增益。 圖 11 Kineplex 系統(tǒng)的子載波功率譜 上世紀(jì) 50 年代，研究人員提出與單載波調(diào)制方式相對(duì)應(yīng)的多載波調(diào)制方式 Kineplex 系統(tǒng)，將發(fā)射的高速數(shù)據(jù)流分為多個(gè)低速的數(shù)據(jù)流在多個(gè)載波上獨(dú)立并行地傳輸，每一個(gè)支數(shù)據(jù)流獨(dú)占一個(gè)子載波，但是系統(tǒng)總共占用的帶寬和單載波調(diào)制方式相同，在接收端必須用帶通濾波器對(duì)子信道進(jìn)行分離，頻譜效率很低。其功率譜如圖 11 所示。 Chang 于 1966 年提出了允許子信道頻譜相互重疊的并行發(fā)送方案，各個(gè)子載波發(fā)射信號(hào)的可分性依靠交錯(cuò)系統(tǒng)兩個(gè)正交通道上發(fā)送數(shù)據(jù)的半個(gè)符號(hào)周期來(lái)獲得，子信道間保持 Nyquist 準(zhǔn)則下的正交，以此來(lái)避免 ICI，在接收端可以獨(dú)立恢復(fù)各子載波的數(shù)據(jù)。此后， Saltzberg、 Gibby 分析了這種系統(tǒng)的性能，并得出結(jié)論：有效的并行系統(tǒng)應(yīng)該著眼于減少子信道間的串?dāng)_而不是增大子信道的間隔。這種技術(shù)稱為錯(cuò)正交幅度調(diào)制(Staggered Quadrature Amplitude Modulation, SQAM)，頻譜利用率較 Kineplex 系統(tǒng)提高了一倍。如圖 12 所示。為進(jìn)一步提高頻譜利用率，正交頻分復(fù)用（ OFDM）的多載波傳輸系統(tǒng)被提出來(lái)了。在這種系統(tǒng)中，各個(gè)子載波的功率譜緊密地相互交疊，如圖 13 所示。這樣的子載波分割方法大大提高了系統(tǒng)的頻譜利用率。各個(gè)子載波之間的頻譜間隔 是保持各個(gè)子載波之間正交性的最小間隔。在接收端，子載波信號(hào)不是通過(guò)傳統(tǒng)的濾波器方法分離出來(lái)的，而是通過(guò)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行基帶處理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 圖 12 SQAM 系統(tǒng)的子載波