应用于认知无线电系统的NC-OFDM载波频偏与IQ失衡联合盲估计

Non-continuous orthognal frequency division multiplexing (NC-OFDM) is a promising physical transmission technique in cognitive radio, and the carrier frequency offset (CFO) and IQ imbalance estimation is of great importance. Currently, the joint CFO and IQ imbalance estimation methods for conventional OFDM rely on the training symbols, thus they are not applicable in NC-OFDM systems for the available spectrum in NC-OFDM is random and non-continuous. The blind estimation provides a possible solution as it needs no training symbols. This project aims to study the joint blind estimation of CFO and IQ imbalance with the help of constant envelope modulation and null subcarriers, both SISO and MIMO systems are under consideration. Based on the exiting research, this project proposed a blind CFO estimation scheme suitable for arbitrary constellations via exploiting the constant envelope transform. The blind estimation of IQ imbalance is carried out in the presence of CFO. We designed a two-step mechanism to further improve the estimation accuracy. The inherent problems of identifiability and high complexity of blind algorithms are addressed, and a low complexity estimation is introduced by utilizing the curve fitting. With the application of orthogonal space time block codes, the proposed scheme can also be applicable in MIMO systems, which further increases the universality.

非连续正交频分复用（NC-OFDM）是认知无线电系统十分有前景的物理层传输方案，而准确的载波频偏和IQ失衡估计对其性能至关重要。目前针对OFDM系统的载波频偏和IQ失衡联合估计依赖训练符号，由于NC-OFDM的可用频谱随机分布且不连续，因此已有方法不能应用于NC-OFDM系统。盲算法不需要训练符号，从而提供了可能的解决方法。本项目采用恒定包络调制技术以及利用空载波，研究NC-OFDM系统的载波频偏和IQ失衡联合盲估计，算法适用于SISO和MIMO系统。在已有的研究基础上，项目通过恒定包络调制设计了适用于任意星座图的频偏估计方法，同时利用空载波在有频偏的情况下估计IQ失衡。我们还研究通过两步式迭代的估计方法以提高精度。针对盲算法的可识别性以及复杂度高的问题展开研究，通过曲线拟合提出了简化的算法。利用正交空时编码，算法可以应用在MIMO系统中，进一步增强普适性。

项目的背景：.非连续正交频分复用（NC-OFDM）是认知无线电系统十分有前景的物理层传输方案，而准确的载波频偏和IQ失衡估计对其性能至关重要。目前针对OFDM系统的载波频偏和IQ失衡联合估计依赖训练符号，由于NC-OFDM的可用频谱随机分布且不连续，因此已有方法不能应用于NC-OFDM系统。盲算法不需要训练符号，从而提供了可能的解决方法。本项目采用恒定包络调制技术以及利用空载波，研究NC-OFDM系统的载波频偏和IQ失衡联合盲估计，算法适用于SISO和MIMO系统。..研究内容：.本项目研究NC-OFDM系统的载波频偏和IQ失衡联合盲估计算法的设计和仿真验证，算法不需要训练符号和导频，适用于SISO和MIMO系统。具体研究内容包括：.（1）恒定包络调制与解调；.（2）载波频偏估计算法的可识别性问题、复杂度简化和性能分析；.（3）存在载波频偏的情况下，利用空载波估计并补偿IQ误差；.（4）利用正交空时编码设计能够应用于MIMO系统中的联合估计方法。..重要结果、关键数据：.方案一：在发送端采用恒定包络调制使经过任意星座图映射的复信号在IDFT以前具有恒模特性，然后通过最小化相邻OFDM符号中相同子载波上的数据能量差来估计频偏。研究算法的可识别性问题，证明了最小化算法的代价函数能否得到唯一正确的频偏估计值。研究表明算法代价函数是正弦函数，因此采用曲线拟合大大简化了算法复杂度。利用经验公式对算法进行性能分析，明确了频偏估计算法为无偏估计。.方案二：利用OFDM系统中的空载波进行频偏和IQ失衡的联合盲估计。首先通过空载波所引入的镜像特性设计了频偏估计算法，代价函数为两个序列的方差，在正确的频偏处取得最小值。然后利用获得的正负估计值分别补偿接收信号，将获得的两路输出相处后再求平均值即获得IQ失衡估计。最后对接收信号进行联合补偿。..科学意义：.本项目针对NC-OFDM的载波频偏和IQ失衡联合盲估计展开研究，探讨减小复杂度、提高估计精度的方法。将对NC-OFDM以及认知无线电技术的研究、发展与实现能够提供重要的理论依据和方法支持。