第五代移动无线调制系统MMSE接收机设计

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1、第第第五五五代代代移移移动动动无无无线线线调调调制制制系系系统统统MMSE接接接收收收机机机设设设计计计DesignonMMSEReceiverfortheFifthGenerationWirelessModulationSystem学科专业：信息与通信工程研究生：黎鸣诗指导教师：黄翔东副教授天津大学电气自动化与信息工程学院二零一七年十二月万方数据万方数据万方数据万方数据摘摘摘要要要无线通信终端的多样化和无线通信需求的日益增长，对无线通信的物理层传输方案提出了更高的要求。现阶段，第四代移动通信已经实现了高速率的可

2、靠传输，并覆盖大部分移动用户。下一代移动通信系统将面临更多的挑战，如提供更高的传输速率、所需功耗更低、实现更低的传输时延和提供灵活的波形选择。作为第五代移动通信物理层的候选方案，广义频分复用(GeneralizedFrequencyDivisionMultiplexing，GFDM)可满足上述需求。GFDM作为非正交的多载波调制解调系统，子载波间存在自干扰效应。目前，GFDM系统的最小均方误差(MinimumMeanSquareError，MMSE)接收机可同时抑制信道噪声和载波间干扰，且误码率性能不亚于其他接收

3、机。由于无线信道中普遍存在建筑物、雨雾等障碍干扰，信号在传输过程中不可避免地产生衰落现象，所以信道的冲激响应存在频率选择性。但是，MMSE接收机在频率选择性信道下的计算复杂度很高，导致其对硬件要求很高，难以应用到实际工程上。针对频率选择性信道下GFDM系统的MMSE接收机复杂度过高的问题，本文提出了两种低复杂度的MMSE接收机计算方案。第一种方案是在时域中对接收机涉及的大维度矩阵做分块处理，发掘了矩阵的特殊性质(稀疏性、准三对角性和块对称性等)，使矩阵相乘的复杂度降低。同时，该方案还提出了一种基于准三对角矩阵的3

4、步骤的分块求逆算法，并给出详细的数学推导过程。该算法可显著降低矩阵求逆的复杂度。第二种方案是在上述方案的基础上，提出了接收机中矩阵的分块内部是循环矩阵，并给出相应数学证明。此外，本方案利用矩阵在频域中的性质(循环矩阵可对角化性、成形滤波器频谱的快速衰减等)，使其进一步稀疏化，以获得更低的计算复杂度。本文对以上算法的计算复杂度做了定量分析。该分析结果显示，本文提出的低复杂度MMSE接收机时域算法比理论算法的计算量低约2个数量级；频域算法比最新文献算法的计算量低约0:5个数量级。此外，GFDM系统的仿真实验表明，本文

5、的两种低复杂度算法不会导致误码率性能下降。关键词：GFDM，MMSE接收机，低复杂度，频率选择性信道，成形滤波器I万方数据II万方数据ABSTRACTDuetothediversityofwirelesscommunicationterminalsandtheincrementofwire-lesscommunicationapplicationrequirements,higherdemandshavebeenproposedforthephysicallayerwaveformofwirelesscommun

6、ication.Atpresentstage,cellularsystemsofthefourthgenerationhavebeenoptimizedtoprovidehighdataratesandreliablecoveragetomobileusers.Cellularsystemsofthenextgenerationwillfacemorechallenges,suchashigherdatarates,lowerpowerconsumption,lowerlatencyandhigherflexibi

7、litychoiceofwaveforms.Asacandidateoffuturefifthgenerationnetworks,GeneralizedFrequencyDivisionMultiplexing(GFDM)hasbeenproposedtomeettherequirementsabove.GFDMiscategorizedasanon-orthogonalmulticarriertechnique,whichsuffersinter-carrierinterference.Atpresent,the

8、linearminimummeansquareerror(MMSE)receiverofGFDMcanmakeatrade-offbetweenself-interferenceandnoiseenhancement,whosebiterrorrateperformanceisnotinferiortootherreceivers.Typically,theinterfer