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摘要 m i m o 系统中的时域均衡技术研究 专业：无线电物理 硕士生：江艳敏 指导教师：秦家银 摘要 随着现代通信技术的飞速发展，因特网业务和多媒体业务在下一代无线通信 系统中得到更加广泛的应用。如何更高效、可靠的利用有限的无线频谱资源，满 足未来不断增长的宽带数据通信业务需求是未来无线通信技术发展的焦点所在。 多输入多输出m i m o 技术通过利用多根天线而大大增加通信系统的容量，是新 一代移动通信系统必须采用的关键技术。然而在m i m o 系统无线信道中，由于 多径衰落影响而导致的码间干扰( i s i ) 会使被传输的信号产生变形，从而在接收时 发生误码。码间干扰被认为是在移动无线通信信道中传输高速率数据时的主要障 碍，而均衡正是对付码间干扰的一项技术。目前解决m i m o 系统中的频率选择 性衰落的方案一种是利用均衡技术，还有一种是结合o f d m 技术。早期的m i m o 均衡研究都是基于在平坦衰落信道的假设下进行的频域均衡，但实际的传播信道 通常存在频率选择性衰落信道。对于频率选择性信道的均衡有其独特的研究方 法，并且更加复杂。 本论文的研究方向即为m i m o 系统在频率选择性衰落信道条件下的时域均 衡，也即信道缩短均衡。m i m o 系统中传统的时域均衡技术中有基于时域线性均 衡的算法，其中包括诸如：最小均方误差算法( m m s e ) ，最大缩短信噪比算法 ( m s 阶浓) 和最小符号间干扰算法( m n i s i ) 等算法。这些算法的使用可以使 系统的误码性能得到大大提高，但算法复杂度都非常高，在接收端系统中很难实 现。本论文是针对无线信道的特点而设计的一种全新的基于零点消除时域均衡算 法的信道缩短均衡算法，其复杂度较传统算法大大降低，但性能只比传统算法稍 降低，这在实际的无线通信系统中对i s i 消除要求不是特别高的情况下很容易实 现，因此具有很强的实际意义。 论文首先讨论了无线传输环境的复杂性、m i m o 系统信道特性和基本原理以 摘要 及m i m o o f d m 系统基本原理和其中的关键技术。其次介绍了频率选择性多径信 道下m i m o 系统中的信道缩短均衡原理和传统的信道缩短均衡算法，提出一种新 的基于零点消除的信道缩短均衡器的设计，并给出了新算法的理论分析和计算机 仿真。最后结合系统，仿真了系统误码率的仿真结果。基于m a t l a b 仿真平台， 仿真了新算法在m i m o 和m i m o o f d m 系统中不同信道环境下的误码性能，同时 还比较了新算法与传统算法在实际应用中优缺点。 关键字：m i m o 、信道时域均衡、m m s e 、m s s n r 、基于零点消除算法 u a b s t r a c t r e s e a r c ho ft i m ed o m a i n e q u a l i z a t i o n a l g o r i t h mf o rm i m o s y s t e m m a j o r ：r a d i op h y s i c s n a m e ：j i a n gy a n m i n s u p e r v i s o r ：p r o f q i nj i a y i n a b s t r a c t a l o n gw i t l lt h er a p i d l yd e v e l o p m e n to ft h em o d e mc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h ea p p l i c a t i o no fi n t e r n e ta n dm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o na r em o r ea n dm o r ew i d e r t h er e q u i r eo ff u t u r eb r o m b a i l dd a t ac o m m u n i c a t i o ni si n c r e a s i n g h o wt ou s et h e l i m i t e da v a i l a b l ef r e q u e n c yr e s o u r c ee f f i c i e n t l yi st h ef o c u so ft h ef u t u r ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n m i m oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa rea t t r a c t i n gal o to fa t t e n t i o nf o rt h e l a r g ec a p a c i t yi n c r e a s e sb ym e a n so fe m p l o y i n gm u l t i - a n t e n n a s ，w h i c hm a k em i m o t e c h n i q u eo n eo ft h ek e yt e c h n i q u e su s e dn e c e s s a r i l yi nt h ef u t u r em o b i l es y s t e m s h o w e v e r , u n d e rs e r i o u sm u l t i - p a t hd i s p e r s i o n , h i g h - f a d i n gc h a n n e l , t h ea p p e a r a n c eo f i s ia n di n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ( i c i ) a r ei n e v i t a b l ei nm i m os y s t e ma n dt h e s e i n t e r f e r e n c e sc a nm a k es e r i o u sd i s t o r t i o no nt h et r a n s m i t t e ds i g n a l t h ei n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ( i s i ) c a u s e db yf r e q u e n c y s e l e c t i v ec h a n n e l sa n dm u l t i - p a t hf a d i n g d i s t o r t i o ni sr e g a r d e da st h em a i no b s t a c l ei nt h em o b i l ew i r e l e s sh i g h - s p e e dd a t a t r a n s m i s s i o n c h a n n e l s ，a n de q u a l i z a t i o ni sas u c hat e c h n i ct h a tw a sd e s i g n e df o r o v e r c o m i n gi s ia n di c i m i m os y s t e mc a no v e r c o m et h em u l t i - p a t hf a d i n gc h a n n e l s i ns o m ee x t e n t ，b u tw h e nu n d e rt h es e r i o u sf r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n ge n v i r o n m e n t ， m i m os y s t e mi sa l s op o w e r l e s s t h et w om a i nc u r r e n tm e t h o d so fr e s o l v i n gt h e f r e q u e n c y - s e l e c t i v ef a d i n gi nm i m os y s t e ma l ee q u a l i z a t i o na n do f d m t h ee a r l y r e s e a r c h e so fe q u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yi nm i m os y s t e ma l eb a s e do nt h ef l a tf a d i n g c h a n n e l , 1 1 0 w e v e r , t h er e a lc h a n n e l su s u a l l ya r ef r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d e d t h e r ei s s p e c i a lr e s e a r c hm e t h o d o l o g yf o r t h ee q u a l i z a t i o no ff r e q u e n c y - s e l e c t i v em i m o s y s t e m , a n di ti sm o r ec o m p l e xa n dh a r d w h e ni n t r o d u c et h et r a d i t i o n a le q u a l i z a t i o n t e c h n i c st ot h em i m os y s t e m , t h e r ea r es o m es p e c i a lp r o b l e m st h a tm u s th e c o n s i d e r e d ，s u c ha st h eo r d e ro fm i m os y s t e m sm a t r i xc h a n n e li sa m b i g u o u s ，t h e l l i g hc o m p l e x i t ya n dt h es l o wc o n v e r g e n c e s o ，i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c hs p e c i a l l yo n e q u a l i z a t i o no fm i m os y s t e m n 1 a b s t r a c t t h es t u d yd i r e c t i o no ft h i sp a p e ri st h et i m e d o m a i ne q u a l i z e r ( t e q ) i nt h e f r e q u e n c y - s e l e c t i v em i m os y s t e m t h et r a d i t i o n a lt e qa l g o r i t h m sc a nh eb a s e do n t h el i n e a re q u a l i z a t i o nt h e o r y , s u c ha sm m s e 、m s s n r 、m g s n r 、m b r 、m i n - i s i 砧l t h e s et e qa l g o r i t h m sc a l ld e c r e a s et h es y s t e mb e rg r e a t l y , b u tt h e ya r ea l lv e r y c o m p l e xa n dh a r dt or e a l i z ei nt h ea c t u a lr e c e i v e r t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st o p r o p o s ean e wl o wc o m p l e x i t yt e qa l g o r i t h mw h i c hw a sd e s i g n e df o rs h o r t e n i n g c h a n n e li m p u l s er e s p o m ea n db a s e do nt h ez e r o p o i n te l i m i n a t i o n t h i sa l g o r i t h mm a y n o tp e r f o r m a n c es ow e l la st h et r a d i t i o n a lm m s et e q ，b u ta l s oc a nd e c r e a s et h e s y s t e mb e r a n dh a v em u c hl o w e rc o m p l e x i t yt h a nt h et r a d i t i o n a la l g o r i t h m t h en e w t e qa l g o r i t h mh a v eg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei nt h em i m os y s t e mw h i c hi sn o ts o s e n s i t i v et ot h ei s i i nt h i sp a p e r , w ef i r s t l yi n t r o d u c e dt h er a d i ot r a n s m i t i o ne n v i r o n m e n ta n dt h e m a i nf a c t o r st h a ta f f e c tt h et r a n s m i t i o n b a s e do nt h i s ，w ed i s c u s s e dt h ep r i n c i p l ea n d c h a n n e lm o d e l o fm i m os y s t e mt h e nw ei n t r o d u c e dt h et e qm o d e li nt h e f i e q u e c y - s e l e c t i v em i m os y s t e mw i t hm u l t i - p a t hd i s p e r s i o n , a l s ow ew i l lg i v et h e m a t l a bs i m u l a t i o nr e s u l t a tl a s tw ep r o p o s e dan e wc h a n n e ls h o r t e n i n ga l g o r i t h mw h i c hw a sb a s e do nt h e z e r o - p o 缸e l i m i n a t i o na n dg a v et h eb e r s i m u l a t i o no ft h en e w a l g o r i t h mi nv a r i o u s f r e q u e c y - s e l e c t i v em i m os y s t e ma n dm i m o o f d ms y s t e ma l s ow eg a v et h e c o m p a r i s i o ns i m u l a t i o no ft h en e wc h a r m e ls h o r t e n i n ga l g o r i t h ma n dt h et r a d i t i o n a l c h a n n e ls h o r t e n i n ga l g o r i t h m b yt h em a t l a bs i m u l a t i o nw ea n a l y z e dt h ep e r f o r m a n c e a n da p p l i c a b i l i t yo f t h en e wt e qu n d e rd i f f e r e n tm i m oc o n d i t i o n k e yw o r d s ：m u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) 、t i m e d o m a i n e q u a l i z a t i o n 、m m s e 、z e r o - p o i n te l i m i n a t i o nb a s e dt e q i v 原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的 成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：z 扭敏 日期： z o i o 年6 月牛日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：弘艳敏 导师签名：京未蒎 日期：2 d 年6 月孕日 日期：2 0 d 年多月牛日 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 当今时代是信息爆炸的时代。现代通信的发展经历了从电报、固定电话到今 天的移动电话、无线互联网，人们从中体验了前所未有的便利和高效。通信系统 的发展和应用也在经历着一次又一次的飞跃，从模拟到数字、从有线到无线，从 单一的话音业务到图像、视频、音频以及多种业务相结合的综合业务。随着 人们对各种各样的通信服务的需求越来越高，通信服务量增大，服务种类增多， 通信服务的质量已经远远不能令人满意，现有的无线通信系统的传输能力的在承 载多媒体应用和大量的数据通信方面也越来越不能满足现代通信的要求。影响当 前通信技术和应用发展的因素主要有两个方面【l 】，一是现有的通信标准未能全球 统一，跨区通信仍然存在很大的障碍；另一方面，是通信资源方面的限制，现在 使用的通信系统频谱利用率较低，因此急需新一代高效通信系统进入应用。 随着当前高速宽带无线通信新技术的发展和应用，未来移动通信系统的发展 趋势【1 】之一便是数据传输速率得到极大提高的同时无线频谱资源会得到更充分 地利用。多输入多输出( m i m o ，m u l t i p l ei n p u t - m u l t i p l eo u t p u t ) 系统作为未来宽 带无线通信的关键技术，它能够在不占用额外频谱带宽的前提下，有效的提高信 道容量，极大的提高数据传输速率，并能充分的利用空间资源以及提高频谱利用 率。最近的研究表明【2 】，采用m i m o 技术在室内传播环境下的频谱效率可以达 到2 0 - 4 0 b i t s h z ，而使用普通无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为 l 5 b i t s h z ，在点到点的固定苇箔系统中也只有1 0 - 1 2 b i t s h z 。这说明m i m o 技 术可以显著提高无线系统的频谱利用率。 目前，为了提高频谱资源利用率，人们想到利用无线信号的空间资源，即通 过空时处理增加通信容量。人们目前想到的方案主要有增加基站数目，把小区分 隔成微小区；利用天线阵列开发空时调制编码处理；多输入多输出( m i m o ) 天线 结构等，显然第一种方案代价最大；第二、三种方案可明显地改进频谱利用率， 提高系统容量和覆盖面积，更具有实用性。 m i m o 技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。它作为提高数据 第- 章绪论 传输速率的重要手段得到人们越来越多的关注，已经被认为是新一代无线传输系 统必须采用的关键技术之一。 1 2m i m o 技术的产生背景和发展历史 近年来，因特网和移动通信的应用飞速发展。在第三代蜂窝移动通信( 3 g ) 中已经部分地引入了无线因特网和多媒体业务，而在新一代移动通信系统( b 3 g 或4 g ) 中人们对传输速率提出了更高的要求，这就需要采用更先进的技术来实 现更高的传输速率。仅仅依靠增加频谱资源是不可行，因为频率资源总是有限的。 因此要实现下一代无线通信的高速率要求就需要开发具有极高频谱利用率的无 线通信技术【2 】。 传统的无线通信系统通常是单输入单输出( s i s o ) 系统。s i s o 系统的信道 容量受到s h a n n o n 容量的限制，具有不可突破的技术瓶颈。不管采用哪种调制技 术、编码策略或其他方法，由于受到无线通信工程上实际的无限信道的物理限制， 信道容量不可能达到非常大，因此也就无法满足用户对更高的数据传输速率的迫 切需求。目前，可以实现高系统容量的方法【3 】有很多，如设置更多的基站、拓宽 频带等。增设基站也就意味着采用更多的蜂窝，显然这种提高容量的办法代价太 大，不适用。拓宽频带在近期内不是提高无线通信系统容量问题的最佳解决方法。 因为【3 1 目前实际的无线应用大多是3 g 系统和w l a n ( 无线局域网) 系统，其使 用频带在微波频带的2 - 5 g h z ，加大该频带宽度会导致与现行的系统具有非常大 的兼容性问题，其代价也是很昂贵的。在单天线系统中，提高系统容量的另一个 方法是加大系统的发射功率。但是加大发射功率的同时，也会带来问题。较大的 系统发射功率会带来更大的辐射，影响人的健康。而且对硬件设计者来说，这也 是非常困难的，因为功放器件在大功率区域下的线性工作特性是很难设计的。即 使能实现也需要很高的硬件代价。 还有一个提高系统容量的方法1 4 1 就是使用分集技术，提高发射接收信噪比， 以增大系统的容量。近年来，主要是使用接收端有多个阵列天线，发射端只有一 个天线阵元的s i m o 系统来获得接收分集。为减少接收端特别是移动终端的处理 复杂度和体积，把接收端的多天线阵元分集处理技术转移到发射端，即发射天线 采用多天线阵列结构而接收天线采用单天线结构的m i s o 系统。s i m o 和m i s o 2 第一章绪论 技术进一步发展就产生了收发两端同时采用多元阵列天线的m i m o 系统。 m i m o 就是在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，它在通信 领域其实并不是一门新技术。早在1 9 9 8 年马克尼就提出m i m o 通信方式来抵抗 无线信道的衰落。从2 0 世纪8 0 年代开始，研究学者就发现与合并技术结合的多 天线空间分集可以进一步改善无线链路性能并增加系统容量，s a l z 在技术报告中 针对单用户m i m o 高斯信道，以两径传播信道模型分析了空间分集对信道容量 和容量分布的影响。g r m t e r s 讨论了干扰受限的无线系统中，利用多天线空间分 集和最有合并所能带来的容量增益，并明确地指出了增加分集天线数目可以增加 系统容量【3 l 。1 9 9 5 年，贝尔实验室的研究人员e t d a t a r 和qj f o s c h i n i 分别独 立地在他们各自的论文中论证了理论上的m i m o 信道的香农容量。他们指出使 用n xm 的信道矩阵描述m 根发射天线和根接收天线系统的无线信道，并假 定n x m 信道矩阵的元素间具有理想的独立衰落，则系统容量将会随发射天线数 与接收天线数中较小的天线数r a i n ( n , 蚴的增加而线性增加，即这种系统可以在 s i s o 的基础上成倍地增加系统容量。同时f o s c h i n i 还开发了用于m i m o 系统的 实际发射接收算法的著名的贝尔实验室分层空时码b l a s t 算法。在f o s c h i n i ， 的理论指导下，w o l n i a n s k y 等人采用垂直空时分层编码技术进行试验，利用 v - b l a s t 的试验平台达到了2 0 b i t s h z 以上的频谱利用率【2 】。 1 3m i m o 系统的研究现状 从w m t e r s 对无线通信系统空间分集与系统容量关系的讨论，到t e l a t a r 和 f o m h i n i 关于m i m o 信道容量的理论分析 4 1 ，这些研究为m i m o 无线通信奠定 了信息理论基础。而且研究者从实践的角度也证明了m i m o 能够在不占用额外 频谱带宽的前提下，有效的提高信道容量。在过去的十几年中，m i m o 技术的研 究己经取得相当大的进展，但是要在实际的系统中要达到m i m o 理论上的容量 仍然有许多技术难点，比如信道建模、信道容量、信号处理、如何解决宽带m i m o 系统中的i s i 问题等，这些都是m i m o 技术的研究热点。 在m i m o 技术成为无线通信研究热点之前，智能天线及空时域信号处理技术 一直是无线通信领域的研究热点之一。基于m i m o 的编码和信号处理技术是对 智能天线技术的继承和重大突破。智能天线技术主要包括自适应空时信号处理技 第一章绪论 术，而m i m o 技术不仅包括了智能天线的信号处理，还包括近来年的发展所涉 及到的编码、调制和网络系统结构等方面。m i m o 技术中最具代表的空时编码 ( s p a c e t i m ec o d e s ，s t c ) 技术和自适应m i m o 调制，以及分布式m i m o 天线 系统和协同空时无线通信结构等，都已经突破了智能天线技术的研究范围【3 1 。目 前m i m o 系统下的空时编解码技术也是业界的研究热点，它被认为是解决下一 代移动通信高速率数据传输的最佳方案。已有的空时格码技术的解码较为复杂， 而解码较简单的空时分组码技术在发射天线数小于2 时不能实现复信号的全速 率传输。因此寻找高速率的空时编码方法和低计算复杂度的空时频域技术也是当 前m i m o 系统中的研究热点之一【3 】o m i m o 技术的优点主要是通过在收发端使用多天线结构的配置来充分利用 信号的空间资源，从而达到提高系统容量的目的。目前针对m i m o 系统所进行 的研究也主要围绕提高系统的空间复用增益和空间分集增益这两个方面。空间复 用技术可以大大提高信道容量，而空间分集技术则可以提高信道的可靠性，降低 信道误码率。在m i m o 系统理论及性能研究方面已有非常多的研究工作5 】【8 1 ， 但是由于无线移动通信m i m o 信道的特殊性及复杂性，m i m o 系统中尚有大量 问题需要研究。总结近几年来关于m i m o 技术的研究，可以将m i m o 技术研究 的主要内容归纳为以下4 个方面： 1 ) m i m o 衰落信道的建模方法，包括频率选择性衰落和移动信道情况的研 有【9 】【l l 】 u 2 ) m i m o 信道容量的分析： 3 ) 基于m i m o 的空时编解码方法1 1 2 1 4 1 4 1 ； 4 ) 基于m i m o 接收机关键技术，如信道估计、均衡、多用户检测等。 可以看到这4 个方面的相关研究，面对的是一个相同的核心问题，即针对各 种复杂的无线衰落信道环境，如何更有效地利用m i m o 通信结构抗多径衰落、 增加数据传输速率以及提高系统容量，只是这四个方面研究的侧重点不同。 在无线通信系统中，空时信道的估计及其信号检测较普通信道更具挑战性， 特别是空时信道的均衡，对最后的误码性能和系统容量有很大的影响。快速移动 的通信环境所导致的信道时变特性，以及当多径时延扩展的长度大于码元周期 时，多径衰落使得空时信道变成一个时变的矩阵信道，使得对空时信道的均衡变 4 第一章绪论 得相当困难【1 5 1 。因此，对无线信道的均衡能力，将直接影响和决定无线信道的 传输能力和利用效率。目前，已经提出的信道均衡方法可以大致分类为无训练数 据序列的盲均衡方法、需要借助参考信号导频或训练序列的基于训练序列的均衡 方法、结合盲均衡与基于训练序列均衡这两种方法优点的半盲信道均衡方法 【1 5 1 ，本文将主要讨论非盲均衡信道缩短算法。 1 4 均衡技术研究背景和基本理论 在无线信道中，由于多径影响而导致的码间干扰( i s i ) 会使被传输的信号产生 变形，从而在接收时发生误码。因此码间干扰被认为是在移动无线通信信道中传 输高速率数据时的主要障碍，而均衡正是对付码间干扰的一项技术。 1 4 1 均衡技术的研究背景 最常用于均衡的线性滤波器是横向滤波器，也称为线性均衡。有两种常用的 方法确定线性均衡器的抽头系数：迫零( z f ) 准则和最小均方误差( m m s e ) 准则【1 6 1 。 研究表明，线性均衡器对于像电话线这样的信道来说性能良好，因此这种算法被 广泛应用到各种码间干扰不是很严重的场合。令线性滤波器的输入字符序列为 吒一。 ，输出为字符序列 咒 的估计，则儿的估计可写作： r 允= w f 矗一， ( 1 1 ) 以2 己哆矗 ( 1 1 ) j - - k 式中 ) 为均衡器的2 k + 1 个复抽头系数。将估计值允量化到最接近的那个线性 字符，并形成一决策量只，兑与只常常不等，即存在决策误差。优化均衡器抽 头系数 ) 使决策误差最小，根据优化准则的不同，得到不同的线性均衡器。最 常用的准则有最大失真准则和最小均方误差准则。 随着现代无线通信技术迅猛发展，无线通信应用范围也越来越广。由于无线 信道复杂非常复杂，这种线性均衡算法的弱点逐渐暴露出来。因此人们把研究的 重点放在了实现简单、性能较好的非线性均衡器上i m 。判决反馈均衡器( d f e ) 和 最大似然序列估计( m l s e ) 就是典型的两种非线性均衡器。判决反馈均衡器的基 5 第一章绪论 本结构如图1 - 1 所示： 图1 1 判决反馈均衡器结构图 输出 由结构原理图可以看到判决反馈均衡器【l 刀包括一个前馈滤波器和一个反馈 滤波器。前馈滤波器与横向滤波器结构相同，反馈滤波器以对先前被检测符号的 判决序列作为其输入，其作用是从当前估计值中除去由先前被检测符号引起的那 部分符号间干扰。最大似然序列估计( m l s e ) 方法的实质【l6 】与极大似然序列估计 相似，不同于极大似然序列估计的是采用自适应信道估计器为序列检测提供信道 信息。这两种非线性均衡方法与线性均衡方法相比其性能有很大的改善。 在很多系统中衰落信道是随机时变信道，因此需要研究适合这种信道特性 的，能自适应地跟踪信道时变性的均衡器，这促进了自适应均衡技术【l6 】的发展。 基于训练序列的自适应均衡器最早在二十世纪六十年代提出。传统的自适应均衡 技术往往使用导频训练信号，即在传输的数据中加入一个时隙，在此时隙中传输 一个在接收端已知的训练信号，然后根据自适应算法，在接收端调整均衡器，使 均衡器的输出与己知的参考训练达到最大可能的匹配。这种自适应均衡的技术己 经被用在很多数字通讯系统中，例如高速率电话系统、卫星通信系统、数字蜂窝 移动通信系统等。目前常用的自适应算法有最小均方( l m s ) 算法和递归最小二乘 ( r l s ) 算法等，他们的收敛特性和均衡性能己经被人们深入的研究。目前常见的 自适应均衡器结构有格形结构、横向结构和网络结构( 神经网络均衡器) 【1 6 】。 基于训练序列的自适应均衡方法的不足是传输训练序列需要宝贵的信道容 量，降低了系统的传输效率。因此二十世纪八十年代以来，无需训练序列的盲均 衡技术开始得到迅速的发展。现在出现的典型的盲均衡算法【l6 】有：基于b u s s a g a n g 技术的盲均衡算法、基于高阶统计量的盲均衡算法、基于二阶矩的盲均衡算法等。 6 第一章绪论 盲均衡的优点是不需要发送训练序列，因此可以降低发送训练序列所占用的额外 信道资源。而且有些应用环境中不可能发送训练序列，这时就只能用盲均衡：其 缺点是需要较多的观测数据，收敛速度也较慢。 由上可知，随着通信技术的发展，人们对通信系统的性能要求越来越高。因 此结合所使用的传输技术( o f d m 仆皿m o ) 本身的特点来设计与之相适应的各种 信道均衡方法，以提高系统性能是十分必要的。 1 4 2 时域均衡的基本原理 信号在从发射机通过信道传到接收机时的过程中，不理想的信道特性，不可 避免的会使接收数据流之间产生码问干扰i s i 。如果在接收端不对信道做任何补 偿，则会在检测时产生很高的差错概率。理论和实践都表明，在接收端插入一种 补偿滤波器对信道特性造成的影响进行补偿，就可以减弱或克服i s i 的影响。这 种补偿滤波器就是我们所说的均衡裂9 1 。 均衡按照所处理的信号的时频域特性，可以分为时域均衡【3 l j 和频域均衡f 3 2 1 。 频域均衡是从频域的角度补偿信道，修改系统的频率响应特性，使均衡器与信道 合成后的等效信道频率特性能够满足无i s i 的条件；时域均衡则是修改系统的时 间响应特性，使均衡器与信道的合成冲激响应可以满足无i s i 的条件。频域均衡 中均衡器对接收端f f r 解调后的信号进行校正；而在时域均衡中，均衡器对接 收端f f t 解调前的信号进行校正。频域均衡是使整个系统的频率传递函数满足 无失真传输的条件【2 0 1 ，即满足： 日( w ) = 】，( w ) x ( w ) = k e m 频域均衡器的原理图如图l - 2 所示。 图1 - 2 频域均衡器原理图 一般在d m t o f d m 系统中，所设计的循环前缀长度大于等于信道的最大相 7 第一章绪论 对传输时延时，可以消除i s i 并抑制载波间干扰i c i 。在高速的数据传输系统中， 信道的时变性很容易导致多径时延长度超过发送符号间所添加的循环前缀的长 度，引起码间干扰i s i ，并破坏子载波间的正交性，引起载波间干扰i c i 。此时由 于子信道之间的相关性，如果仅用单抽头的频域均衡器对系统进行均衡，系统的 性能会出现恶化。为了解决这种问题，许多学者提出利用时域均衡器( t e q ) 2 0 1 ， 直接从时间响应出发，使整个系统的冲激响应满足无码间干扰的条件，即从时域 上缩短信道的有效多径长度，这样就可以使用更短的循环前缀来消除i s i 和i c i 。 因此时域均衡器也被叫做信道缩短均衡器。时域均衡器的原理框图如图1 3 所示。 a w g n ( n ) 图l 一3 信道缩短均衡器原理图 图1 3 中x 是输入信号，h 是实际信道的冲激响应( c i l l c h a n n e li m p u l s e r e s p o n s e ) ，刀内是高斯白噪声( a w g n ) ，t e q 是所加的时域均衡器( 即信道缩 短均衡器) ，时域均衡器的系数表示为w ，b 是目标冲击响应( t i l lt a r g e ti m p u l s e r e s p o n s e ) 。时域均衡的原理可以理解成原始的实际信道和引入的时域均衡器级 联得到一个等效的信道，该等效信道的冲激响应即s i r ( s h o r t e n i n gi m p u l s e r e s p o n s e ) 。传统的时域均衡器设计中，信道缩短均衡器【3 4 】的目的是使s i r 中的 一段长度为 的目标窗内样值与t i r 最大限度的相似，即两者的均方误差值 p 2 ( 七) 要尽可能的小。理想等效信道的表达式可写为： j l l 够( ，z ) = 厅( 聆) o w ( 聆) = 【( o ) ( 1 ) b ( 三+ n w 1 ) 】7 = 【0 0k 州( 0 ) k ( 1 ) k ( m 一1 ) 0 0 】7 其中 ( ”) 表示信道冲激响应，是办( ，) 的离散时域表达式；w 俐为时域均衡器 的冲击响应；三为信道冲击响应长度，虬为时域均衡器抽头个数，m 是目标冲 击响应的长度。 3 第一章绪论 1 5 本文主要研究工作和论文安排 本文研究工作的目标是多输入多输出天线系统在频率选择性衰落的多径信 道环境中的信道缩短均衡算法研究。文章在对m i m o 技术以及m i m o o f d m 技 术和国内外流行的时域均衡算法研究的基础上，提出了一种新的基于信道传输多 项式的复杂度较低的时域信道缩短均衡算法，并对该算法的优缺点以及复杂度性 能做了详细的分析。通过理论分析和实验仿真的结果，得到新算法在信道条件较 好，且系统对i s i 的影响不敏感的情况下，具有很强的实用性。本文所做的实验 仿真都通过m a t l a b 软件实现。本文主要章节安排如下。 第一章为绪论，综述m i m o 技术的背景、演进过程、研究现状和时域均衡技 术的研究背景以及在通信系统中的研究现状。 第二章简要概述了无线传播环境、无线信道的复杂特性，并详细介绍了频率 选择性多径信道的数学描述。 第三章简要概述了m i m o 系统和m i m o o f d m 系统的系统模型、信道模型、 基本原理和其中的关键技术等。对m i m o 系统的三种空时分层结构分别进行了 介绍和实验仿真，并着重分析了m i m o o f d m 系统受多径干扰数的影响和为克 服码间干扰所采用的循环前缀问题。为后文将所设计的新算法应用在带循环前缀 的m i m o o f d m 系统中提供理论基础。 第四章为信道缩短均衡技术的研究与本文算法实现。在分析了传统的 m m s e 、m s 卧取等时域信道缩短均衡算法的基础上，针对无线信道的特点，在 m i m o 系统中设计了一种基于信道传输函数的部分零点消除的信道缩短均衡算 法。针对m i m o 系统中多天线的频率选择性多径信道的特点，分析讨论了m i m o 系统中的时域均衡器设计，通过理论推导分析了新算法的可行性。最后对比仿真 了本文算法与传统的信道缩短算法的信干比性能和计算复杂度性能。 第五章为系统误码率性能仿真结果分析。基于m a t l a b 仿真平台，本章搭 建了m i m o 和m i m o o f d m 系统，并分别仿真了各自的误码性能。在搭建的系 统基础上，仿真了所设计的新算法对系统误码性能的影响。同时将新算法与传统 的m m s et e q 算法作了对比仿真。对仿真结果进行分析，得到新算法的性能和 实用性。 最后在第六章对本文作进行了总结和展望。 9 第二章无线传播环境 第二章无线传播环境 无线通信系统主要是借助无线电波在媒介中的传播来实现通信的。媒介包括 任何可以传播电波的介质，例如空气、水等。在实际的移动通信环境中，存在很 多可以散射、反射电磁波的物体，这些散射、反射在无线通信链路的发射与接收 端形成不止一条的传播路径，这些多径传播对通信的有效性与可靠性造成了严重 的影响【1 9 】。 经过不同路径到达接收端的信号分量具有不同的传播时延、相位和振幅，在 接收端经过叠加后得到的复合信号相互抵消或增强。当复合信号为各个多径信号 分量的相抵消时，就会导致严重的深衰落【2 。深衰落会降低所传输的有用信号 的功率，使得接收机的接收信号严重失真，造成通信系统接收机无法正确检测输 入信号，解调器的输出出现大量差错，使得系统可靠性降低，或者完全不能进行 通信。另外，在发射机或接收机都处于移动状态，或者通信系统的信道环境发生 较大变化，信道特性随时间随机变化的情况下，会产生多普勒( d o p p l e r ) 效应【2 ， 这种情况也会使接收信号产生较为严重的失真。 2 1 衰减作用 无线信道对信号的衰减作用，主要可以分为三种【2 1 】：路径损耗、阴影衰落和 多径衰落。 ( 1 ) 电波在自由空间内的传播损耗l 计”，是由于发射功率在传播路径中的 辐射和扩散传播特性造成的，它属于大尺度衰落，其中刀一般为3 , - 4 ； ( 2 ) 阴影衰落s ( d ) ，是由于无线传播中的地形起伏，建筑物和其他障碍物 通过对电波产生吸收、反射、散射和绕射等作用而造成信号功率的衰减，被称作 中等尺度衰落； ( 3 ) 多径衰落尺( d ) ，由于无线电波在空间传播会存在反射，绕射，衍射等， 传播信号可能会经过多条路径到达接收端，而每个多径信号分量的时延，衰落和 相位都不相同，因此在接收端对多个不同相位的信号分量叠加时，会出现同相叠 l o 第二章无线传播环境 加增加信号强度，异相叠加减小信号强度的现象，从而造成接收信号短时间短距 离内的急剧变化。这种衰落属于小尺度衰洲2 1 l 。 由路径传播损耗和阴影衰落引起的大尺度衰落主要考虑的是长距离及中等 距离的无线信道的传输特性，其模型主要用于分析小区的覆盖及规划设计【2 1 1 。 而无线信道的多径衰落和时变性引起的小尺度衰落模型，是设计分析无线通信技 术及其性能的基础，因此，下面将对大尺度衰落和小尺度衰落进行具体的介绍。 2 2 大尺度衰落 大尺度路径损耗模型描述的是发射机和接收机之i 司长距离上的平均场强燹 换，即无线电波的功率随着电波在空间中传播距离的增加而减小。最简单的大尺 度路径损耗模型可表示为【2 1 】： 扛e p r = k 上 ( 2 - 1 ) 其中c 表示本地发射信号的平均功率，e 表示接收功率，d 是发射机与接收机之 间的距离。，是路径损耗指数，一般取2 0 。平均的信噪比【2 1 1 表示为： s n r = 导= k 导d 上n o b ( 2 - 2 ) 只 7 、7 其中o 表示噪声功率单边谱密度，b 表示信号带宽，k 是独立于距离，功率和 带宽的常数。为了保证可靠接收，要求s n r s n r o ( 其中s n r o 表示信噪比门限) ， 根据这样的限制条件，由公式( 2 2 ) 得到： 以采妊 ， 口m v 几 式( 2 3 ) 表明路径损耗会对