（信号与信息处理专业论文）基于无扰动的最大速率传输mimo半盲信道估计.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：王：堂 焦墨量焦息处理 研究方向：玉线通信当值墨处理 作 者：2 0 0 7 级研究生陈钟 指导教师：塞里垩麴援 题 目：基于无扰动的最大速率传输m i m o 半盲信道估计 英文题目：as i g n a lp e r t u r b a t i o nf r e es e m i 。b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o n s c h e m ef o rm r tm i m o s y s t e m s 主题词：多输入多输出；最大速率传输；扰动误差；信道估计 k e y w o r d s ：m i m o ；m r t ；p e r t u r b a t i o ne r r o r ：c h a n n e le s t i m a t i o n 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 近年来，由于m i m o 通信系统不仅通过获得复用增益来提高系统容量，而且能够利用 分集增益来抵抗信道衰落，从而成为研究的热点。最大速率传输技术就是利用其低复杂度 以及分集增益特性，因此它是一种新颖的m i m o 系统的预编码技术。为了达到这些性能效 果，准确的信道估计对于m i m o 系统是至关重要的。 信道估计通常分为三种主要类型：基于导频估计，半盲估计，盲估计等方法。基于导 频的信道估计就是发射端和接收端都采用导频信号，但是存在带宽利用率低和数据传输效 率不高等不足。盲估计是针对导频信号的缺点而产生，它节省了带宽，但是计算的复杂度 限制了其应用的范围。然而，半盲估计就是充分利用两种估计的优点，将两者结合起来， 即有效的提高了带宽的利用率，并且降低了计算的复杂度，达到了良好的信道估计效果。 本文主要包含以下内容： 第一，研究了无线移动通信技术的研究现状和发展情况。深入研究了无线信道特性和 m i m o 的关键技术，重点分析了m i 弭m i m 0 信道估计的理论基础、研究方法和国内外研究 进展。 第二，先介绍了只使用导频的传统最小二乘估计算法c l s e 。接着研究了闭式半盲算法 c f s b ，它可以减少导频的消耗，从而提高频谱的有效利用率。最后，分析和推导c f s b 算 法的性能。 第三，分析t c f s b 算法中的扰动误差对该算法性能的影响。扰动误差使得该算法在高 信噪比的性能变差。其次，把w a n gf e n g 提出的方案应用于向量估计，即将发送信号中的 扰动矩阵信息随着发送信号一起发往接收端，而接收端在使用数据进行盲估计之前先去除 信号中的扰动，这样得出的向量估计效果优于原来的c f s b 算法。最后，基于扰动理论，分 析无扰动算法的向量估计m s e 以及接收信噪比与误码率关系。 关键词：多输入多输出：最大速率传输：扰动误差：信道估计 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ( m i m o ) c o m m u n i c a t i o nh a sr e c e i v e dm u c h a t t e n t i o nd u et oi t sp r o v i s i o no fa c a p a c i t yg a i nf r o ms p a t i a lm u l t i p l e x i n ga sw e l la sad i v e r s i t y g a mt oa g a i n s ts i g n a lf a d i n g m a x i m u mr a t i ot r a n s m i s s i o n ( m r t ) i sap a r t i c u l a r l ya t t r a c t i v e b e a m f o r m i n gs c h e m ef o rm i m oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sb e c a u s eo fi t sd i v e r s i t yg a i na n d1 0 w i m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i t y i no r d e rt oa c h i e v et h e s ep e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n t s ，a c c u r a t e e s t i m a t i o no ft h em i m oc h a n n e l si sc r u c i a i c h a n n e le s t i m a t i o ni s u s u a l l yd i v i d e di n t ot h r e em a i nt y p e s ：p i l o t b s a e d e s t i m a t i o n ， s e m i b l i n de s t i m a t i o n ，a n db l i n de s t i m a t i o nm e t h o d s p i l o t b a s e dc h a n n e le s t i m a t i o ni st h a tb o t h t h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e ru s i n gp i l o ts i g n a l s ，b u tt h e r ei saw a s t eo fb a n d w i d t ha n dr e d u c et h e e f f e c t i v ed a t at r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y b l i n de s t i m a t i o ni sf o rt h e s h o r t c o m i n g so ft h ep i l o t s i g n a l sp r o d u c t i o n ，s a v eb a n d w i d t h ，b u tt h ec o m p l e x i t yo fc o m p u t i n gd e g r e el i m i tt h e i r w i d e s p r e a da p p l i c a t i o n t h e r e f o r e ，t h es e m i b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o ni st om a k ef u l lu s eo ft h e a d v a n t a g e so ft w oe s t i m a t e s ，t h et w ot o g e t h e lt h a ti se f f e c t i v et o i m p r o v et h eb a n d w i d t h u t i l i z a t i o n ，a n dr e d u c et h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya n da c h i e v eg o o dc h a n n e le s t i m a t i o n r e s t a l t s t h i sa r t i c l ec o n t a i n st h e f o l l o w i n g ： f i m t ，w es t u d yt h ew i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t 。 d e p t hs t u d yo fm i m ow i r e l e s sc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e k e yt e c h n o l o g yo ft h e m r t - m i m oc h a n n e le s t i m a t i o nt h e o r y , r e s e a r c hm e t h o d sa n dp r o g r e s s s e c o n d ，w ed i s c u s s et h ea l g o r i t h mo ft h ec o n v e n t i o n a ll e a s ts q u a r e se s t i m a t i o n ( c l s e ) b a s e do np i l o t t h e n s t u d yt h ec l o s e df o r ms e m i b l i n da l g o r i t h m ( c f s b ) ，i tc a nr e d u c et h e c o n s u m p t i o no fp i l o tt oi m p r o v et h es p e c t r u mu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y n e x t ，w ea n a l y s i st h e p e r f o r m a n c eo ft h ea l g o r i t h md e r i v e dc f s b t h i r d ，t h ea n a l y s i so fp e r t u r b a t i o ne r r o re f f e c to nt h ec f s ba l g o r i t h mi s p e r f o r m e d t h e p e r t u r b a t i o nm a k e st h ea l g o r i t h mp e r f o r m a n c ei nh i g hs i g n a lt on o i s er a t i ow o r s e n e x t ，w e f z 塑室些皇奎兰堡士研究生学位论文 a b s t r a c t 一_ _ a p p l yt h ea l g o r i t h mb yw a n gf e n gi n t ot h ev e c t o re s t i m a t i o n i nt h es t u d i e da l g o r i t h m t h e p e r t u r b a t i o ni n f o r m a t i o nw i l lb es e n tt o g e t h e rw i t ht h et r a n s m i t t e ds i g n a lm a t r i xt ot h er e c e i v e r w h i c ha l l o w st h er e c e i v e ri se s t i m a t e du s i n gd a t ap r i o rt or e m o v a lo fb l i n ds i g n a l sp e r t u r b a t i o n ， a n dt h u sg e ta v e c t o re s t i m a t i o nb e t t e rt h a nt h a tw i t ht h eo r i g i n a lc f s ba l g o r i t h m f i n a l l y , b a s e d o np e r t u r b a t i o nt h e o r ，y , s i g n a l p e r t u r b a t i o n f r e ev e c t o ra l g o r i t h ma n dt h er e c e i v e rs i g n a lt on o i s e r a t i oi se s t i m a t e dm s ea n db e r r e l a t i o n s h i p k e y w o r d s ：m i m o ；m r t ；p e r t u r b a t i o ne r r o r ；c h a n n e le s t i m a t i o n i l l i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文缩略语 q 姨 b e r c d m a c g c r l b e v d f d m a f f t i b i i c i i f f t i s l l s l m m s e m i m o m l m l e m m s e m s e o f d m q a m q p s k s i s 0 s i m o s n r 缩略语 a d d i t i v ew h i t eg u a s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t e c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c h a n n e lg a i n c r a m e r - r a ol o w e rb o u n d e i g e n v a l u ed e c o m p o s i t i o n f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i n t e r - b l o c ki n t e r f e r e n c e i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e i n v e r s ef a s tf o u r i e rt m a s f o r i l l i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e l e a s ts q u a r e l i n e a rm i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m a ) ( i m u ml i k e l i h o o d m a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o n m i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o r m e a ns q u a r ee r r o r o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d e u l a t i o n q u a d r a t u r ep h a s es h i f tm o d u l a t i o n s i n g l e - i n p u ts i n g l e - o u t p m s i n g l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t s i g n a l t o - n o i s er a t i o i v 加性白高斯噪声 误比特率 码分多址 信道增益 克拉美罗下界 特征值分解 频分多址 快速傅里叶变换 块间干扰 载波间干扰 快速傅立叶逆变换 码间干扰 最d , - 乘 线性最小均方误差 多输入多输出 最大似然 最大似然估计 最小均方误差 均方误差 正交频分 复用技术 正交幅度调制 正交幅度调制 单输入单输出 单输入多输出 信号噪声比 塑窒坚皇奎堂堕士研究生学位论文 缩略语 s t c s p a c e t i m ec o d i n g空时编码 s v d t d m a t s s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t r a i n i n gs e q u e n c e v - b l a s tv e r t i c a lb e l l l a b sl a y e r e ds p a c e t i m e 垂直分层空时 z f z e r o f o r c i n g迫零 v 一 解 分址列值多序异分练奇时训 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t ：i i 缩略语i v 目录- v i 第一章绪论1 1 1 引言l 1 2 无线移动通信的研究现状l 1 3 无线移动通信的关键技术2 1 3 1 多天线技术理论及应用2 1 3 2o f d m 技术理论及应用3 1 3 3 信道估计技术3 1 4 本文的研究内容和结构安排4 1 4 1 本文的研究内容和课题来源4 1 4 2 本文的主要贡献4 1 4 3 本文的结构安排5 第二章m i m o 无线信道概述6 2 1 引言6 2 2 无线信道特点6 2 2 1 路径损耗和阴影衰落6 2 2 2 多径信道8 2 2 3 多普勒频移9 2 3m i m o 特点9 2 3 1 窄带m i m o 模型9 2 3 2m i m o 信道容量1 l 2 3 3m r t 最大速率传输ll 2 4m i m o 信道估计1 2 2 4 1 基于训练序列的估计。1 3 2 4 2 盲信道估计l5 第三章m r t - m i m o 信道估计技术概述1 9 3 1 引言19 3 2 传统最小二乘估计算法19 3 2 1 信号结构1 9 3 2 2 算法推导2 0 3 3 闭式半盲估计算法- 2l 3 3 1 信号结构2 l 3 3 2 算法推导2 i 3 4 本章小结2 3 第四章无扰动半盲估计算法：2 5 4 1 引言2 5 4 2 闭式半盲估计算法扰动分析2 5 v i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 4 3 无扰动信号传输结构2 6 4 3 1 无扰动误差推导2 6 4 1 3 2 无扰动发送矩阵构成2 8 4 4 无扰动方案应用半盲估计算法：2 9 4 5 各种算法仿真比较3 0 4 5 1 实验1m s e s n r 3 0 4 5 2 实验2m s e p i l o tl e n g t h 31 。4 5 3 实验3s e r s n r ：3 2 4 5 4 实验4s e r p i l o tl e n g t h 3 3 4 6 本章小结3 4 第五章无扰动算法性能分析3 5 5 1 引言3 5 5 2 特征向量扰动3 5 5 3 估计向量v 的m s e 分析3 6 5 3 1 导频噪声的影响- 3 6 5 3 2 向量估计的c r b ，3 8 5 3 3 盲估计的影响3 8 5 3 4 综合两个因素。4 0 5 4 接收信噪比和误码率分析4 0 5 4 1 导频噪声的影响。4 0 5 4 2 盲估计的影响4 0 5 4 3 综合两个因素：41 5 5 仿真结果4l 5 6 本章小结4 2 第六章结束语4 4 致谢4 6 参考文献4 7 攻读硕士学位期间撰写的学术论文5 l 攻渎硕士学位期间参与的科研项目。5 2 v l l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 引言 = 第一章绪论 本章主要介绍无线移动通信的研究现状，讨论宽带无线通信领域研究过程中所涉及的 关键技术，最后简要介绍本文工作安排以及研究成果。 1 2 无线移动通信的研究现状 从2 0 世纪8 0 年代以来，无线移动通信得到了空前的发展。与此同时，互联网技术也 是得到前所未有的发展。人们对通过无线方式随时随地接入互联网获取所需信息，将会有 越来越急迫的需求。这种服务需求从最初的收发电子邮件，到浏览网页，以及获取多媒体 信息等服务。因此，结合无线移动通信和互联网，就能为广大用户提供更丰富的业务类别， 更广泛的覆盖范围以及更快捷的接入方式，这是未来通信系统所具备的能力，也是未来通 信技术和业务发展的趋势。 1 9 7 8 年，美国芝加哥开通了第一台模拟移动电话，标志着第一代移动通信的诞生。第 一代移动通信只提供模拟语音业务。9 0 年代是第二代移动发展的时期，目前得到广泛应用 的第二代移动通信系统主要由g s m 系统、i s 1 3 6t d m a 系统以及i s 一9 5c d m a 系统。它 实现了语音的数字化，并用时分多址替代频分多址接入方式，大幅度增加了系统的用户容 量。但是，g s m 系统也仅能提供2 4 9 6 k b p s 甚至1 4 4 k b p s 的电路交换语音业务，以及通 过g p r s 和e d g e 分别提供1 4 4 k b p s 和3 8 4 k b p s 的分组交换数据业务。i s 9 5 系统能够提供 可变速率接入，其峰值速率分别可以达到9 6 k b p s 和1 4 4 k b p s ，还可以通过使用蜂窝分组 数据网络来提供1 9 2 k b p s 的数据业务。显然，第二代移动通信系统还不能满足用户日益增 长的对多媒体业务的需要。 目前，第三代移动通信系统主要有欧洲的w c d m a 、北美的c d m a 2 0 0 0 以及中国的 t d s c d m a 系统。它们都可以在无线蜂窝网络中提供更加丰富的互联网业务和多媒体业 务。i n t e m e t 业务的日益普及，促使移动通信技术向全i p 方向发展。目前3 g p p 和3 g p p 2 等标准化组织制定了基于全i p 的第三代移动通信增强型体制标准。例如，3 g p p 2 提出了能 够支持高速分组业务的c d m a 2 0 0 0 1 x 标准，3 g p p 也制定了称为h s d p a 的增强型第三代 雨尿邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 移动通信标准。但是，3 g 移动通信系统所能够提供的业务能力与人们的期望仍有一定差距。 未来新一代宽带无线业务如高清无线视频会议、无线虚拟现实等，往往要求系统提供 高达每秒几百兆的数据速率。由于3 g 系统的不完善，b 3 g 无线通信系统的研究就已经兴 起。b 3 g 无线通信，也称为下一代无线通信或第四代无线通信，要求在与3 g 系统移动性 相同的情况下，能提供远高于3 g 系统的数据速率。虽然4 g 系统目前还处于研究阶段，4 g 标准还未完全形成，但相关的研究已经相当活跃。为实现4 g 所要求的高数据速率及高频 带利用率，给人们提供更为便利有效的无线综合业务服务，新技术的研究及新通信体系的 构建成为了新的研究热点。 1 3 无线移动通信的关键技术 一 。 1 3 1 多天线技术理论及应用 m i m o 技术是基于f o s c h i n i 和t e l e t a r 的多天线理论研究发展而来的，是无线移动通信 领域的重大突破i i j 。m i m o 技术的基本思想是利用在空间中增加的传输信道，在发射端和 接收端采用多天线同时发送信号。由于各发射天线同时发送的信号占用同一个频带，所以 并未增加系统带宽，因而能成倍的提高系统容量和频谱利用率。m i m o 技术的研究相当广 泛，主要包括空间复用技术和发射分集技术【2 】。空间复用技术在不同的天线上发射不同的 信号信息，真正体现了m i m o 系统容量提高的本质。贝尔实验室提出的分层空时码b l a s t 是空间复用技术的典型应用。不过，b l a s t 码虽实现了系统编码增益，但没有分集增益， 并不适于直接在宽带无线信道中应用。发射分集技术与空间复用技术不同，是在不同天线 上发射包含相同信息的符号，从而达到空间分集的效果。发射分集主要是空时码技术，如 适用于两发射天线分集的a l a m o u t i 码，利用某种网格图进行编码的空时格码( s 1 v r c ) 和 空时分组码( s t b c ) 等编码方案。s t t c 码可同时获得分集增益和编码增益，但是译码复 杂度随传输速率的增加呈指数增加，因而不适于在高速率业务中使用。s t b c 码只需通过 简单的线性运算进行译码，具有较低的译码复杂度，因而得到广泛应用。另外，s t b c 码 是基于平坦瑞利衰落信道提出的，且只考虑了系统空间分集，宽带通信系统潜在的其他分 集如多径分集、d o p p l e r 分集增益并没有得到完全应用，难以消除传输路径衰落对信号传 输的影响，不利于实现数据的高速传输。所以，如何在频率选择性信道、时间选择性信道 中充分利用空时编码优势是当前研究的一个重要课题。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 3 20 f d m 技术理论及应用 第四代无线通信系统除实现高频带利用率外，还有一个重要特点是要实现超3 g 系统的 高数据速率传输。由于无线信道存在时延扩展，高速信息流的符号宽度又相对较窄，信道 时延扩展有时达几十甚至几百个符号周期，符号之间往往会存在严重的符号间干扰。o f d m - 通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转变成平坦信道，从而减少了多径衰落的影响。 由于o f d m 各子载波间相互正交，因此可以大大提高频谱利用率，这对于频谱资源有 限的无线通信非常重要。o f d m 技术的正交调制和解调可以采用f f t 来实现，而f f t 非 常容易用d s p 来实现。随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，以及超 大规模集成技术和数字信号处理技术的发展，o f d m 技术在下一代移动通信中将得到越来 越广泛的应用。 o f d m 技术的优势显而易见，但其同时也存在着固有的缺陷。由于发射接收机振荡器 频率互匹配或者多普勒频移引起的载波频偏，会破坏o f d m 各个子信道的相互正交性，从 而导致严重的子信道干扰。其次，o f d m 输出信号为多个子信道信号的叠加而成，有时会 出现叠加信号的瞬时功率远远大于信号的平均功率。大的峰值平均功率比就要求发射机线 性放大器必须具有大的动态范围，这就增加了发射机的设计难度。 1 3 3 信道估计技术 由前面介绍可知，m i m o 技术能够在空间中产生独立的平行信道同时传输多路数据流， 有效地增加了系统的传输速率；o f d m 通过将频率选择性多径衰落信道在频域内变成平坦 衰落信道，从而减少了多径衰落的影响。将o f d m 和m i m o 两种技术相结合，即可实现 系统很高的传输速率，也可通过分集达到的很强的可靠性。发射分集是m i m o 无线移动通 信系统中过一种能有效对抗信道衰落的分集技术，特别是当接收分集实现代价比较高或难 以实现时。空时码是能有效实现系统分集及编码增益的最具有吸引力的发射分集技术。然 而，空时线性编码需要接收端已知信道状态信息( c s i ，c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) 1 3 1 当 c s i 在发送端已知，根据信道状态信息采用注水原理自适应分配发射功率，可实现最大化 发射功率效率；在接收端利用所获知的c s i 进行最佳比值合并，可大大提高接收信噪比， 从而提高整个系统的传输性能【4 】。因此，信道估计是一项非常关键的技术。 采用导频辅助估计方法进行分集信道估计，虽然可有效提高系统传输性能及编码效率， 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 但当系统天线数较大，或信道呈随机快速变化时，为了进行信道估计，系统将不得不插入 更多的导频信息符号。导频信息符号不包括任何有效信息的。从而大大减少了用来进行数 ， 据传输的时间，降低了数据传输速率，系统频带利用率显著下降。通过引入符号间相关特 一 性来进行盲信道估计【6 】，虽省去了导频符号所占用的传输时间，但由于计算度相当高而限 制了其应用。在此情况下，结合两种估计方法的优点，就形成了半盲信道估计，也不失成 为了新的选择。 。 1 4 本文的研究内容和结构安排 1 4 1 本文的研究内容和课题来源 本文的研究集中在无线信道半盲估计这一领域，具体包括两方面的内容： ( 1 ) 研究了m i m o 信道下，最大速率传输系统的信道估计问题。由于在最大速率传 输过程中，接收端不需要估计整个信道增益矩阵，仅需要估计发送端向量和接收端向量， 从而减少了信道估计的参数个数，提高了系统的性能。 ( 2 ) 在使用半盲估计算法时，接收端只使用有限的数据进行盲估计，从而估计结果就 存在着扰动误差。本文应用无扰动理论分析了该半盲算法存在的问题，采用无扰动发射方 案，得到无扰动误差的向量估计，从而提高了系统的估计性能。 本课题的研究来源于下列项目： 国家自然科学基金项目“基于扰动分析的m i m o o f d m 信道半盲估计算法研究”，编 号6 0 8 7 2 1 0 4 。 1 4 2 本文的主要贡献 本文的主要研究成果如下： ( 1 ) 首先，介绍了只使用导频的传统最d - - 乘估计算法c l s e 。接着，研究可以提高 频谱的有效利用率的闭式半盲算法c f s b ，它使用盲估计方法来估计接收端向量，接着利 用导频来估计发送端向量。最后，分析和推导c f s b 算法的性能。 ( 2 ) 针对半盲估计c f s b 算法中存在扰动误差问题，本文先分析了扰动对该算法性能 的影响。分析结果显示由于扰动误差的存在，该算法在高信噪比的环境下，性能将变差。 接着，本文把w a n gf e n g 所提出的用于估计整个信道增益矩阵的无扰动的发射方案应用于 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 c f s b 算法中。具体改进为：将发送信号中的扰动矩阵信息随着发送信号一起发往接收端， 接收端在进行盲估计之前先去除信号中的扰动误差，使得向量估计优于原先的c f s b 算法。 1 4 3 本文的结构安排 本文的具体内容安排如下： 一 第一章，介绍了课题研究的背景知识，研究内容的必要性和重要性。对无线移动通信 系统研究现状做了简要概述，随后介绍了全文的总体研究思路和主要工作。第二章，全面 阐述了m i m o 信道和信道估计技术，为后续章节的展开做了理论铺垫。第三章，研究了最 大速率传输m i m o 系统的信道估计技术，基于m r t - m i m o 信道模型，分析传统最小二乘 估计( e l s e ) 和闭式半盲估计算法( c f s b ) 各自的特点。第四章，研究了c f s b 存在的 扰动误差，介绍无扰动信号传输结构，并将此结构应用到c f s b 算法中去，最后对各种算 法进行计算机仿真，得出相应的仿真结果。第五章，使用扰动理论，将特征向量的扰动应 用到估计向量的m s e 分析，以及接收信噪比和误码率的分析。第六章，对全文进行总结 并指出今后有待进一步研究的方向。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m i m o 无线信道概述 2 1 引言 第二章m i m o 无线信道概述 基于无扰动的最大速率传输m i m o 半盲信道估计主要包括m i m o 信道模型，半盲估 计方法，以及去除扰动误差方法等内容。m i m o 信道模型就是考虑发送端和接收端均有多 个天线系统。由于本文的主要研究内容是m i m o 信道估计，因此，本章将在介绍无线信道 基础上，重点介绍m i m o 信道的特点。为后文研究m i m o 信道的半盲估计以及去除扰动 算法打下理论基础。 2 2 无线信道特点 无线通信是依靠电磁波在大气空间的传播来实现的，大气空间是一个开放的自然环 境，电波在其中传播时能量在不断减小，而且受到反射、散射和绕射等多种因素的影响。 因此无线信道易受噪声、干扰和其他信道因素的影响。而且由于用户的移动性，这也造成 信道的动态变化。 2 2 1 路径损耗和阴影衰落 路径损耗是由发射功率的辐射扩散及信道的传播特性造成的。在路径损耗模型中一般 认为对于相同的收发距离，路径损耗也相同。阴影效应是由发射机和接收机之间的障碍物 造成的，这些障碍物通过吸收、反射、散射和绕射等方式衰减信号功率，严重时甚至会阻 断信号。 ( 1 ) 路径损耗 假设信号经过自由空间到达距离d 处的接收机，发射机和接收机之间没有任何障碍物， 信号沿直线传播。自由空间路径损耗使接收信号相对于发送信号引入一个复数因子，产生 接收信号 ，( f ) = r 七 譬“( f ) e 2 t 7 ) ( 2 1 ) 式中虿是在视距方向上发射天线和接收天线的增益之积，p 印删z 是由传播距离d 引 6 塑塞塑皇奎兰堡主竺壅生兰篁堡茎 笙三兰坚! 竺竺垂堡笪望丝堕 起的相移。 发射信号s ( t ) = u ( t ) e j 2 * i j 的功率为e ，由( 2 1 ) 可得到接收功率和发射功率的比值 鲁= ( 等) 2 ( 2 _ 2 ) 可见接收功率与收发天线间隔距离d 的平方成反比。接收功率还与波长五的平方成正比。 因此，载波频率越高则接收功率越小。 信号传播的复杂性使得很难用单一模型来反映各种传播环境下的路径损耗。在系统设 计中经常使用下面的简化路径损耗模型 鲁川乌d 7 、。( 2 - 3 ) 对应分贝值为 p j b m ：p 。d b m + k d b 一1 0 y l o gl o ( 冬)( 2 4 ) 式中，k 是一个依赖天线特性和平均信道损耗的常系数、d o 为天线远场的参考距离、厂为 路径损耗指数a ( 2 ) 阴影衰落 信号在无线信道传播过程中遇到的障碍物会使信号发生随机变化，从而造成给定距离 处接收信号功率的随机变化，反射面和散射体的变化也会造成接收功率的随机变化。因此 只能用统计模型来表示这种随机衰落。最常用的模型是对数正态阴影模型。 对数正态阴影模型是把发射和接收功率的比值= z 只假设为一个对数正态分布的随 机变量，即 础，2 南唧c 一掣， 陪5 ， 式中孝= l o l n l o 、是以d b 为单位的1 0 l o g ，。的均值、仃则为其标准差a 多数室外信道测量表明，标准差的范围在4 d b - 1 3 d b 之间。平均值以曲取决于路 径损耗和所在区域内的建筑物属性a 随距离变化，一是由于路径损耗随距离变化，二 是因为距离增加时，障碍物的数量会增加，造成平均衰减增加。 ( 3 ) 路径损耗和阴影衰落的混合模型 7 丽尿郾电大学硕士研冗生学位论文 第二章m i m o 无线信道概述 将路径损耗模型和阴影衰落模型叠加在一起就可以同时反映出功率随距离的减小和阴 影造成的路径损耗随机衰减。此混合模型用路径损耗模型来描述平均分贝路径损耗， 再增加一个均值为o d b 的阴影衰落来体现围绕路径损耗的随机变化。按照这个模型，接收 功率和发射功率之比的分贝值为 鲁拈= 0 1 0 。o - l o y l o g “鲁) 一(2-6)p 1 0 1g l o y lg 王拈 。( 等) 一 式中是均值为0 、方差为吃的高斯随机变量。如图- l 所示，路径损耗随l o g 。d 线性 下降。 2 2 2 多径信道 图2 1 路径损耗、阴影与距离的关系 在实际中，确定性模型不足以反映信道的真实性。如果发射一个单脉冲，那么通过多 径信道后，将接收到的信号是一个脉冲序列，序列中每一个脉冲对应于直射分量或由一个 或一簇散射体造成的可分辨多径分量。多径信道的时延扩展将导致接收端信号的明显失 真。时延扩展等于最先到达信号分量和最后到达信号分量之间的时间延迟。多径传播对接 收信号的影响取决于直射径与多径的时延扩展相对于信号带宽倒数的大小。 ( 1 ) 窄带衰落模型 信道的时延扩展乙远远小于发送信号带宽b 的倒数，即乙b ，那么直射分量和多 径分量一般是不可分辨的。则接收信号的幅度服从瑞利分布、相位服从均匀分布，且幅度 堕室堕皇奎兰塑主竺壅生兰篁笙奎笙三雯塑! 坚竺垂垡笪堕塑堕 和相位彼此间相互独立。 ( 2 ) 宽带衰落模型 当多径时延扩展乙b ，每一径都是可分辨的，这些多径分量将对后续脉冲造成干 扰，也就是码间干扰。对抗这种失真的方法包括均衡、多载波调制和扩频等。 。2 2 3 多普勒频移 当发射机和接收机有一个在移动时，接收信号将会有一个多普勒频移厶= v c o s a 旯，0 是入射波相对于移动方向的角度，v 是接收机沿其移动方向移动的速度，五是信号的波长。 对于典型的车速( 7 5 k m h ) 和频率( 约lg h z ) 多普勒频移只有1 0 0 h z 左右。当发送信 息的符号速率远大于多普勒频移，则反映在信号波形内的失真情况就比较不明显，保证了 在一个时间周期丁内信道的增益不变，也就是慢衰落，但相对于路径损耗和阴影效应来说 就是比较快衰落。所以，采用扩频通信可以增大符号速率从而减少多普勒频移。第四代移 动通信目标是实现1 0 0 m b s ，这将远远大于多普勒频移。但符号速率的提高就是b 一的减 小，这就将多径干扰的影响变得严重。 2 3m i m o 特点 多天线系统可以通过复用来提高数据速率，也可以通过分集来提高性能。复用主要利 用信道增益矩阵的结构来获得独立的信号通路，从而可以在这些通路上发送独立的数据。 2 3 1 窄带m i m o 模型 发送端天线数为m ，接收端天线数为m ，则离散时间模型表示为 卧 扛m ： h mr 1卧 p 7 ， 也可简单表示为y ( 刀)