（信号与信息处理专业论文）mimo系统中的符号同步技术研究.pdf

电子科技大学硕士学位论文 摘要 未来无线通信系统应能在时间频率选择性衰落信道中以低成本 提供可靠的高速数据传输服务。多入多出( m i m o ) 技术作为近年来无 线通信传输技术研究中最大的突破之一，利用信道多径效应，能够 极大改善无线通信的频谱效率和通信可靠性，为实现这一目标提供 了强有力的技术手段。同时，同步是数字通信中的重要问题。其研 究一直以来都是数字通信技术中投入人力与物力最大的研究方向， 而对于移动通信系统则尤甚。毫无疑问，随着移动通信系统的不断 升级，在未来这一趋势只会有增无减。实现位同步的时间校准有很 多种方法，较为普遍的方法是以改变采样时钟来实现同步。这种算 法可由接收信号提取信号的符号频率实现同步；也可采用后馈环路， 由信号样点所确定的相位误差来改变采样时钟频率实现同步。 针对m i m o 系统，由于多路信号的相互混叠，使提取一路信号 的采样时钟信息变得困难，所以在m i m o 系统中并不宜采用以上两 种通过改变时钟频率来实现同步的方法。本文主要研究内容如下： 1 ) 区别于以上两种方法的第三种方法，在该方法中采样时钟的频率与 符号定时无关。整个同步过程都是在数字域完成，该方法是基于拉 格朗日插值来得到同步情况下应该取得的正确采样值以实现时间校 准；2 ) 基于过零检测及拉格朗日插值得到最佳采样点位同步反馈算法， 分析了该算法的；3 ) 基于相位偏差估计及拉格朗日插值得到最佳采样 点的前馈位同步算法。 本文对两种算法的优缺都进行了比较说明，对于m i m o 系统的 位同步实际应用具有就较好的参考价值。 ，关罐坷：m i m o ，位同步，拉格朗日插值，过零检测，相位估计 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t f u t u r eb r o a d b a n dw i r e l e ssc o m m u n l c a t l o ds y s t e m ss h o u l db ea b l et o p r o v i d er e l i a b l eh i g h d a t a - r a t e t r a n s m i s s i o n sa tl o wc o s ti nt i m ea n d f r e q u e n c ys e l e c t i v ew i r e l e s sc h a n n e l 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 i m o ) t e c h n i q u e ，o n e o ft h em o s t s i g n i f i c a n tb r e a k t h r o u 曲s i n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sf i e l do f f e r sa ne f f e c t i v ew a yt oc o m b a ta n d e v e n e x p l o i tf a d i n g h o w e v e r ，t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o np l a y s a n i m p o r t a n tr o l e i nt h ea r e ao ft e l e c o m m u n i c a t i o n s i ti s d e v e l o p e dw i t h t h em o s tm a t e r i a l r e s o u r c e sa n d m a n p o w e re s p e c i a l l y f o rm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n w i t hm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n b e i n gu p d a t e d c o n s t a n t l y ，t h i s t r e n dw i l lb em o r eo b v i o u s t h es y n c h r o n i z a t i o ni s t y p i c a l l y a c h i e v e db y a l t e r i n g t h e f r e q u e n c y o ft h e s a m p l i n g c l o c k a n o t h e ra p p r o a c hi saf e e d b a c kl o o p i nt h i sc a s e ，ap h a s ee r r o ri s d e t e r m i n e df r o mt h es i g n a ls a m p l e sa n dt h es a m p l i n gc l o c ki sa l t e r e d d e p e n d i n go nt h eo b t a i n e de r r o rs i g n a l i nm i m o s y s t e mb e c a u s et h es i g n a li sc o m p o s e do fs e v e r a lr o u t so f s i g n a l ，i ti s d i f f i c u l to f e x t r a c t i n gt h et i m i n gi n f o r m a t i o n s ot h ef o r m e r t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sa r en o ts u i t a b l ef o rm i m os y s t e m i nt h i st h e s i st h e a u t h o r ：1 ) r e s e a r c h e d at h i r d m e t h o d ，w h e r e t h e s a m p l i n gc l o c kr e m a i n si n d e p e n d e n to ft h es y m b o lt i m i n g t h ee n t i r e s y n c h r o n i z a t i o np r o c e s s i s p e r f o r m e di n t h e d i g i t a ld o m a i n t i m i n g a d j u s t m e n t i sa c h i e v e db y i n t e r p o l a t i n ga m o n gt h en o n s y n c h r o n i z e d s a m p l e si n s u c hm a n n e ra st op r o d u c et h ec o r r e c ts a m p l e st h a tw o u l d o c c u ri ft h eo r i g i n a ls a m p l i n gh a db e e ns y n c h r o n i z e dt ot h es y m b o l s ； 2 ) r e s e a r c h e d a t i m i n gr e c o v e r y s c h e m eb a s e do nc r o s s i n gz e r o p o i n t t i m i n g e r r o rd e t e c t i o na n d l a g r a n g ei n t e r p o l a t i o n ；3 ) r e s e a r c h e d a t i m i n gr e c o v e r y s c h e m eb a s e do n p h a s e e s t i m a t i o na n d l a g r a n g e i n t e r p o l a t i o n t h e r e s e a r c h e so ft h e s es c h e m e sa r eu s e f u lt o s y n c h r o n i z a t i o ni nm i m os y s t e m 置叫w o r d s ：m i m o ，t i m i n gr e c o v e r y ，l a g r a n g ei n t e r p o l a t i o n ，c r o s s i n g z e r op o i n tt i m i n ge r r o rd e t e c t i o n ，p h a s ee s t i m a t i o n 1 l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期游n 多护日 电子科技大学硕士学位论文 第一章引言 本章将主要介绍无线通信技术的发展概况，面向未来无线通信 技术的研究现状，并简介对未来无线通信系统极具吸引力的m i m o 技术。在1 1 节中概述了无线通信系统发展现状及对未来技术的需 求，1 2 节简介了面向未来的物理层关键技术m i m o 技术以及m i m o 中位同步算法的研究现状，1 3 节说明了课题来源及硕士论文主要工 作。 1 1 无线通信系统发展现状及未来无线通信系统的技术需 求 1 1 1 无线通信系统发展概况 h e r t s 等人在1 9 世纪末对无线电波传输的研究为无线通信奠定 了理论基础。无线通信系统萌芽于1 9 世纪末m a r c o n i 的海上无线通 信，在2 0 世纪2 0 、3 0 年代获得开拓，1 9 世纪4 0 年代进入商业应用 f b e l l1 9 4 6 ) 。然而b e l l 实验室1 9 4 7 年提出并在1 9 7 4 年试验的蜂窝移 动通信系统的概念，才真正使无线通信获得蓬勃发展。目前，无线 通信涵盖了移动通信、无线局域网、固定无线接入、空间通信等诸 多方面。就移动通信而言，自1 9 7 8 年底，第一个蜂窝移动通信系统 a m p s ( 先进移动电话系统) 研制成功以来，经历了以下3 个发展阶段 【1 ： 1 第一代移动通信系统 电子科技大学硕士学位论文 蜂窝小区设计技术的应用是第一代无线通信系统( 1 g ) 诞生的标 志。它极大改善了大容量需求与有限频谱资源之问的矛盾。1 g 主要 采用模拟电子技术，f m 调制，f d m a 多址技术，主要用于传输单一 语音信号。典型系统有美国的a m p s ，北欧的n m t ，日本的n a m t s 。 】9 8 0 年代开始，欧美国家开始开发第二代移动通信系统。 2 第二代移动通信系统 数字技术是第二代移动通信系统( 2 g ) 的主要特征。2 g 系统主要 有欧洲的g s m 、美国的d a m p s ( i s 5 4 ，现在的i s 一13 6 ) 和 c d m a ( i s 9 5 ) 、日本的p d c 。其中的典型代表是g s m 。1 9 9 0 年，e t s i 制定出g s m 的规范。g s m 于1 9 9 2 年投入商用。最初最大速率为 1 4 4 k b p s ，改进后速率可达5 7 6 k b p s 。i s 9 5 是最早的商用c d m a 网 络，1 9 9 3 年制定标准，1 9 9 5 年投入商用。i s 一9 5 第一个版本i s 一9 5 a 提供速率为1 4 k b p s ，1 9 9 7 年改进后i s 9 5 b 数据传输速率可达6 4 k b p s 。2 g 的主要特点有：采用微蜂窝小区结构及数字化技术，引入 新的调制方式：g m s k 、q p s k ，引入t d m a 、c d m a ，提高了频谱 利用率和用户容量，能提供更多种的业务，降低了开发成本，提供 更有效的管理和更优质的服务。 3 第三代移动通信系统 为实现任何人在任何时间、地点以任何方式与任何人进行通信 ( 5 a ) 的目标，i t u 提出了以i m t - 2 0 0 0 第3 代移动通信系统( 3 g ) 的研 究，于1 9 9 2 年提出其频段范围，1 9 9 8 年后确定了最终的无线传输技 术( r t t ) 标准。一般认为c d m a 技术和宽带业务是它的主要标志： i m t 2 0 0 0 最初定义的主要参数为其数据传输速率：室内通信速率2 m b i t s ，车载通信速率1 4 4 k b i t s ，步行者通信速率3 8 4k b i t s ，并实 现全球漫游和多媒体业务。地面无线接口方案的主要标准有 w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 等。3 g 的主要业务是在2 g 提供的话音数据的 基础上，进一步提供多媒体服务如静态图像、移动图像等多种服务。 3 g 采用微蜂窝结构，宽带c d m a 技术，q p s k 调制、自适应调制方 电子科技大学硕士学位论文 式，t d m a c d m a 多址技术，交换方式从电路交换到分组交换。2 0 0 1 年d o c o m o ( 采用w c d m a ) 等公司已经开始提供3 g 服务。 1 1 2 第三代无线通信系统后的趋势 1 未来移动通信系统研究的紧迫性 当前，能提供2 m b i t s s 最大传输速率的3 g 系统已步入商用阶段， 但是3 g 从标准制定开始便面临着越来越高越来越多样化的无线通信 需求的挑战。3 g 中采用的扩频技术主要为d s c d m a 技术，但由于 正交扩频码集构造的困难以及同信道干扰随用户数增多而严重，3 g 技术仍难以岛更高速业务领域扩展；由于i m t - 2 0 0 0 空中接口标准的 限制，3 g 难以提供具有不同q o s 和性能需求的全范围多媒体业务， 而2 g h z 频段资源将很快饱和。 另外，目前在无线通信领域，多种体制并存。移动通信系统有 w c d m a ( d s c d m a f d d ) ， e d g e ， c d m a 2 0 0 0 ( m c c d m a ) ， t d ，s c d m a 、h s d p a 等标准，无线局域网有8 0 2 1 1 a ，b ，g ，h i p e r l a n 等多种体制，还有固定无线接入( f w a ) 图1 1 多种无线通信体制并存并向4 g 演进 标准i e e e8 0 2 1 6 ，2 0 。通信体制多样化，无线传输速率较低使未来 电子科技大学硕士学位论文 高质量的多媒体业务以及和i n t e r n e t 的融合即无线宽带多媒体系统 无法实现。因此，b 3 g 4 g 的概念应运而生。当前，4 g 与3 g 之间并 没有明确的划分标准。日本设想中的4 g 系统是宽带的统一的无线网 络，提供语音数据和影像等多种服务的2 0 m 1 0 0 m b p s 的数据率；当 达到6 0 0 m b p s 时成为5 g 。其它的看法如在3 g 中引入智能天线和干 扰抵消技术就形成了3 5 g ，如果采用软件无线电实现各种体制的融 合就构成了4 g ，也有欧洲学者认为高速的基于i p 的综合业务是4 g 的主要特征。但一般认为，未来通信系统应具有下述特征 1 】【2 ： 需要占据更宽的带宽； 采用全数字技术，提供更高的传输速率和更大的容量； 支持分组交换，通信以i p 协议为基础，能实现更高质量的多媒体 通信，兼容性强更强； 采用大区域覆盖，与3 g 、无线l a n ( w l a n ) 和固定网络之间无 缝隙漫游，使得终端具有智能和可扩展性； 实现真正意义的全球漫游，能满足用户接入因特网不受地域和设 备的限制，各种用户设备便捷她入网； 采用高度自治、自适应的网络，具有良好的重构性、可伸缩性、 自组织性，独立的软件平台等。 2 下一代无线通信( b 3 g 、4 g ) 研究现状 基于知识产权及技术进步的要求，及早进行未来无线通信技术 的研究具有重大意义。在2 0 0 3 年，全世界从事4 g 研究和产品开发 的组织机构已经超过2 5 0 0 家。表1 1 列出了部分有影响的从事4 g 研究的组织和计划【3 】。关于未来无线通信技术的研究涵盖了网络、 物理层、服务等多个方面，本文的研究范围集中于物理层中基带传 输部分。 4 电子科技大学硕士学位论文 组织或计划主要研究内容 i t u w p 8 f 工 负责i m t 一2 0 0 0 及以后的移动通信发展，分为 作小组( 2 0 0 1 i m t - 2 0 0 0 与b e y o n di m t 一2 0 0 0 ( 预计2 0 1 0 年完 年1成) ；研究对象涵盖各种电信环境的无线系统的 总和；主要研究内容：未来无线通信的研究目 标、业务和应用、实现研究目标的技术、操作 和频谱分配以及如何顺利地引入未来无线通信 系统。 i s t ( 信息社研究范围包括卫星通信、陆地通信及交互式广 会技术) ( 欧播系统，不同接入系统的融合和i p 技术；2 0 0 1 盟、 年发起“无线世界研究论坛”( w w r f ，1 3 0 家以 上来自于欧美等国的企业、大学和研究机构加 入，包括“新无线技术”、“新无线环境和自组织 网络”等4 个工作组，致力于全球范围内关于未 来通信系统概念和技术的研究) ：提出 m u l t i s p h e r e 概念。 电子科技大学硕士学位论文 日本电信技探讨未来移动系统技术；2 0 0 1 年发起了m i t p 术委员会论坛( 致力b e y o n d1 m t 2 0 0 0 无线系统技术、标 ( t t c ) ( 日本) 准、产品的开发) ；认为未来无线通信网络是基 于i p 的网络。 f u t u r e计研究通用无线电环境关键技术，重点突破和掌 划( 中国，8 6 3握宽带个人通信、无线互联网和高空通信平台 计划1的核心技术，最终建立一个集区位通信、新 代蜂窝移动通信( b e y o n d3 6 ) 和高空通信平台 为一体的通用无线电环境，支持人机互动、机 器与机器互动、自动、自治等面向未来的多媒 体新业务，在蜂窝移动、区位通信和高空通信 环境下的传输速率分别达到或超过2 0 m b p s 、 1 0 0 m b p s 和1 g b p s 。中国成立了4 g m f 论坛。 表1 1 主要的未来移动通信研究组织和计划 1 2 面向未来无线通信的杓理层关键技术 为实现任何人能在任何时间、地点进行高速的无线多媒体通信， 要求未来无线通信系统提供1 0 0 m b i t s s ( 移动用户) 一1 g b i t s s ( 固定无 线接入) 的数据传输速率【2 】。实现这一目标的关键在于物理层高速无 线传输技术的研究【1 】【2 】。 一方面，必须开辟新的频带( 更高的频率) 和带宽，并采用更为先 6 电子科技大学硕士学位论文 进的宽带信号处理技术f 2 。这些技术包括自适应均衡、( 自适应) 编码 调制技术、联合发送与联合检测技术、r a k e 接收、跳频、f e c ( 如 a q r 和t u r b o 编码) 技术等。 另一方面，当前的2 g 3 g 系统的频谱效率仍然不高( c d m a 2 0 0 0 ， 8 0 2 1 1 等无线系统的频谱效率在1 至2 7 b p s h z 之间) ，要提高通信 速率就必须加大发射功率或者增大带宽，但是频带资源是非再生资 源，且电池和辐射的限制使通信速率的提高面临挑战。因此，必须 寻找提高频谱效率的解决方案。在这一领域，较引人注目的有 m i m o 4 和o f d m 5 技术。m i m o 技术通过空间复用，使频谱效率 得以成倍提高，而o f d m 技术则通过正交调制，实现了高效率的多 载波通信，并大大简化了宽带系统中接收机的复杂度。m i m o 和 o f d m 以及二者的结合，引起了广泛关注，并被认为是未来无线通 信系统最可能采用的候选技术。下面简单介绍m i m o 技术的发展概 况。 1 2 1m i m o 技术及其发展现状 无线通信业务的需求推动了天线技术的发展，天线技术的进步 则为提高通信系统的容量提供了另一维设计空问。最早的天线设计 工作源于m a r c o n i 的跨越大西洋电报系统的定向天线的设计。而天线 阵列的使用则是从第二次世界大战开始，当时主要用于雷达。 随着无线通信的蓬勃发展，频谱效率的进一步提高被认为是无线通 信研究的紧迫问题。空域或者空时联合处理被认为是提高现代无线 通信系统性能“最后的疆域”【6 】。通过在接收端、发射端或两端均使 用多天线，可以获得显著的通信系统和链路性能的改善。传统的多 天线技术如智能天线技术【8 1 ，主要集中于在接收端空域处理( 如波束 形成算法【9 1 ) 或者空时联合处理( 如适用于c d m a 系统的空时二维 r a k e 接收系统【1 0 】) ，以获取接收分集增益、提高信噪比、对抗其他 用户干扰并进而提高小区覆盖范围，提高系统容量。 早期，智能天线配置于基站。从天线配置角度来说，大多数智 7 电子科技大学硕士学位论文 能天线系统可以视为s i m o 系统( 单发多收，如上行链路的接收波束 形成) 或m i s o 系统( 多发单收，如下行链路的发射波束形成) 。智能 天线的基本原理【8 在于不同用户信号通常以不同角度到达基站，从 而可以通过波束形成自适应最优合并，实现干扰抑制、提高s i n r 、 实现空分多址等。 锷能天线技术能有效提高频谱效率。传统的智能天线技术重视 空域一维处理，通过对用户信号的相干合并，一般能实现阵列增益 以提高接收倍噪比。但是在特定环境下，如基于c d m a 体制的城市 小区中，智能天线的性能受到挑战。因为在这样的环境中，存在大 量的散射体，由于多径效应导致每一个用户的信号均有较大的角度 扩展，同一用户的信号可能从较大的角度范围内到达，传统的智能 天线需要提供更大的自由度以接收这些多径信号【6 。从某种意义上 说，由于接收信号间相关性的减弱，会导致智能天线接收合并性能 的下降。 1 9 9 0 年代中期，基于r a y l e i g h 衰落、信道有大量散射体、信道 系数无关、最优编解码、发射端无信道信息接收端准确可知信道等 假设，b e l l 实验室的t e l a t a r 15 ，f o s c h i n i 【1 6 】等人从理论上证明了 收发端均使用多天线可以使通信链路容量成倍增加这一令人振奋的 成果，即在鸠发射天线，接收天线的多输入多输出( m i m o ) 系统 中，信道容量随i i l j n 屿，略】线性增加。独立同分布r a y l e i g h 衰落 m i m o 信道中，信道容量在大信噪比( s n r ) 时，满足： c ( s n r ) 。cm i n ( m r ，m r ) t o g ( s n r ) 这一振奋人心的结果提供了提高衰落信道中系统容量和可靠性的新 技术手段。 m i m o 技术可认为是一种新型的“智能天线”技术。但是它提供了 阵列天线应用的新思路并更着重于空时联合处理。通过在接收端和 发射端空时二维甚至空时频三维的联合设计和优化的编码、调制， m i m o 系统能极大改善通信链路的容量和通信可靠性。传统智能天线 系统中信号在向量信道中传输，而基于空时二维编码的m i m o 系统 中发射信号等效于在矩阵信道中传输。m i m o 技术的一个鲜明特色在 电子科技大学硕士学位论文 于它利用多径效应而不是试图对抗它。这里的多径效应在窄带系统 中体现为具有不同空间角度的时间不可分辨的信号分量，而在宽带 系统中则包括所有时间可分辨和不可分辨的信号分量。 但是，m 1 m o 信道容量是最优m i m o 系统性能的上限，知道这一上 限并不意味着能实现它。另外最优系统的空时联合处理由于高复杂 度而难以实用化。因此，对无线通信工程师而言，发挥m i m o 潜力 的关键在于为发端设计优化的信号传输形式，并在收端设计合理的 接收处理算法。按照系统获得的增益类型，当前的m i m o 传输方案 设计的目标主要可以分为两大类【“ ：获取空闯复用增益和空间分集 增益。当前的m i m o 系统设计主要着眼于最大化其中一种增益。针 对这一问题，f o s e h i n i 和t a r o k h 等人做了大量开拓性工作，推动了 无线通信向其极限性能的逼近。 为提高链路容量，f o s c h i n i 等人提出丫以分层结构为特征的 b l a s t 系统f 根据数据在并行信道上的映射的不同，可分为 v b l a s t 1 2 】，d b l a s t 【1 3 】等) 。b l a s t 是一种分层空时结构，它 将数据源分为多个数据子流，每个子流分别独立的编码调制，各发 射天线同时发射不同的数据子流，接收端使用干扰对消等技术恢复 各发送信号。b l a s t 系统可以在不增加带宽和发射功率的情况下， 获得高频谱效率。根据 1 4 】的报导，在4 0 发射天线6 0 接收天线( 4 0 x 6 0 ) 的b l a s t 系统中，3 0 d bs n r 下的试验系统实现了2 0 8 b s h z 的通信 速率。 由于b l a s t 系统是采用b l a s t 算法、z f 算法、m m s e 算法、 m l 算法等干扰对消的方法恢复各发射子流，接收天线数应不少于发 射天线数。在有些场合如蜂窝系统的下行链路，b l a s t 的应用受到 了限制。一般称b l a s t 系统为“空间复用系统”，这一类系统的设计 目标是最大化数据传输速率。通过空间信号处理技术，b l a s t 系统 可以实现高速数据传输及复用增益。系统可能获得的最大的复用增 益为： r = m i n ( m r ，m r ) 与b l a s t 系统不同的另外一大类m i m o 应用系统是包含空间维 9 电子科技大学硕士学位论文 度的多维编码系统。包括空时编码( s t c ) 系统、空频编码( s f c ) 及空时 频编码( s t f c ) 系统。这一类系统主要的目标是通过在不同发射天线 信号之间引入空间和时间( 频率) 相关性，获取空间时间( 频率) 分集增 益( 尽可能获得编码增益) 以提高数据传输可靠性，由于具有发射分集 的特点，一般又称为“发射分集系统”。空时编码的主要思想是利用空 间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道 误码率，增加小区覆盖。合理设计的窄带空时编码系统中，空间分 集增益可以达到d 2 鸠m 一，其误码率随信噪比增加呈指数下降： g ( s n r ) s n r 一。 而在宽带系统中，可能达到的分集增益可以进一步提高。3 g 标准 u m t sw c d m a 已经采纳了发射分集方案作为其候选技术。 而从更一般的意义来说，所有的m i m o 系统均可视为具有不同分 集增益和复用增益折中的系统。如t a r o k h 提出的基于分组对消的系 统，借助于空间信号处理可以同时获得分集增益和复用增益，辅以 优化的功率分配策略和检测算法，可以获得有效的传输速率和可靠 性的折中，并能缓解大发射天线空时编码构造的难度，降低解码复 杂度。根据文献【1 1 的结论，在窄带准静态衰落信道中( 在编码分组 持续时间内信道保持不变) ，当编码分组长度，满足 ， 矗+ m r l 时，最优化的分集增益和复用增益其折中为： d = ( m r 一，) ( m r 一，) 上式可以理解为，对发射在发射天线数为m r ，接收天线数为m r 的 m i m o 系统，为提供，倍的数据传输速率改善，必须有r 根发射天线 和r 根接收天线用于提供数据传输的自由度，丽剩下的天线将用于提 供额外的独立信号传输的复本。b l a s t 系统和s t b c 、s t t c 系统均 为m i m o 系统的特殊设计。 纯b l a s t 系统将只能提供复用增益，纯空时编码系统只能提供 分集增益。不同的系统设计可以带来不同性能增益的折中 1 1 】。 l o 电子科技大学硕士学位论文 1 2 2m l m o 系统中的位同步技术研究 同步是数字通信中的重要问题。同时，该课题的研究一直以来 都是数字通信技术中投入人力与物力最大的研究方向，而对于移动 通信系统则尤甚。毫无疑问，随着移动通信系统的不断升级，在未 来这一趋势只会有增无减。 数字调制系统的性能是由系统的解调方式所决定的。要实现相 干解调，首先要在接受端恢复相干波，该相干波应与发送载波在频 率上同频，在相位上保持某种同步关系。载波同步就成为了实现相 干解调的先决条件。 数字通信系统中，数字信息是按照一定的数据格式传送的。一 定数目的码元组成“字”，若干“字”组成“句”，若干“句”组成 “帧”，从而形成群的数字信号序列。在接收端要正确的恢复消息， 就必须识别“句”或“帧”的起始时刻。数字通信中帧同步就是在 位同步的基础上识别出信息群的起始时刻，使接收设备的群定时与 接收到的信号的群定时处于回步状态。 位同步又称为符号同步。不管是基带传输，还是频带传输，都 需要位同步。由于传输信道的不理想，以一定速率传输到接收端的 基带数字信号必然是混有噪声和干扰的失真波形。为了从该波形中 恢复出原来的基带数字信号，就要对其进行采样判决。这就要求在 接收端产生一个重复频率与发送符号速率相同的脉冲序列，且脉冲 序列出现的时刻对准基带数字信号的最佳取样判决点。这种在接收 端设法从接收信号中提取位同步信息的过程称为位同步。 实现位同步的方法基本可分为两大类：1 外同步法，2 白同步 法。外同步法就是在发送端除了发送有用的数字信息外，还专门传 送位同步信号，到了接收端用窄带滤波器或锁相环把其取出作为位 同步用。自同步法是发送端不专门向接收端传送位同步信号，收端 所需要的位同步信号是从接收信号中或解调后的数字基带信号中提 取出来的。 电子科技大学硕士学位论文 自同步法的收端位同步提取电路，从功能上讲，一般都由两部 分组成：1 非线性变换处理电路，其作用是使接收信号或解调后的 数字基带信号经过非线性变换处理后含有同步频率分量或位同步信 息。2 窄带滤波器或锁相环路，它的作用是滤出噪声和其他谱分量， 提取纯净得位同步信号。 位同步自同步算法来实现时间校准有很多种方法，较为普遍的方 法是以改变采样时钟来实现同步。这种算法可采用如图1 3 a 的前馈 环路，由接收信号提取信号的符号频率实现同步；也可采用如图1 3 b 的后馈环路，由信号样点所确定的相位误差来改变采样时钟频率实 现同步。 m i m o 系统的高码率对于同步时间的要求很严格，同时为了减少 频带的占用，以及信号的实时处理，本文将对位同步的自同步算法 进行深入的研究。 图1 2 a 模拟同步跟踪环路 电子科技大学硕士学位论文 图1 2 b 模拟数字同步跟踪环路 在m i m o 系统中，由于多路信号的相互混叠，使提取一路信号 的采样时钟信息变得困难，所以在m i m o 系统中并不宜采用以上两 种通过改变时钟频率来实现同步的方法。 本文将研究区别于以上两种方法的第三种方法，在该方法中采 样时钟的频率与符号定时无关【1 4 】。如图l 一4 ，整个同步过程都是在 数字域完成，该方法是使用非同步的采样点进行拉格朗日插值来得 到同步情况下应该取得的正确采样值以实现时间校准。在该方法的 讨论过程中笔者分别对基于过零检测的反馈闭环算法和基于相位偏 差估计的前馈开环算法进行了研究。 由于m i m o 数字通信中，采样率大于传输的符号率，所以这一 处理过程也可看作是采样率的转化。重要的是采样率与符号率通常 是不相等的，而且采样的时间往往也不会是理想采样的时问。所以 将使用插值来得到最佳的采样点。 图1 3 全数字环路 电子科技大学硕士学位论文 1 3 课题来源及硕士论文主要工作 本文课题来源于8 6 3 计划个人通信技术专题方向的新型天线与 分集技术研究课题，其研究目标是：面向移动通信系统应用，研究 适用于终端和基站的分布式或多天线结构，探索可穿戴式天线或分 布式天线在手机终端上的应用，研究相应的提高系统容量和降低发 射功率的方法。探索关键技术的实现，完成相应的技术示范。以系 统应用为目标，探索基于分布式天线或多天线阵子的发射分集、空 时编码、接收分集技术及其在手机和基站上的应用，提出相应的解 决方案，申请有关发明专利。本文研究工作是此课题的研究内容的 一部分，主要面向宽带应用研究其无线传输技术。 本论文的主要研究内容和主要贡献有： 在第二章中讨论了m i m o 系统的系统原理，系统结构，并对 m i m o 系统最为核心的系统容量问题进行简单的推导和讨论。概述了 m i m o 技术的发展及原理，讨论了m i m o 系统模型的结构，对m i m o 系统的核心问题系统容量进行了简单的推导。这一章是全文的基础， 后面各章的关于都是基于这一系统模型进行探讨，后面的针对m i m o 系统的位同步算法研究都是以本章的系统模型为基础。 在第三章中讨论了在接下来的第四，第五章中用于数据再现的 多项式拟合内插。本文所采用的两种位同步的算法都是基于拉格朗 日内插算法来实现最佳采样点的再现。第三章讨论了内插的数学原 理，拉格朗日插值公式，以及用于均匀采样的再现滤波器( 即后文中 提到的插值滤波器) ，这些内容都是后面两章插值滤波器( f i r 滤波器1 系数推导的纂础。 在第四章中讨论了针对m i m o 系统的基于过零检测及拉格朗日 插值的反馈闭环位同步算法，在该算法中采样时钟的频率与符号定 时无关。整个同步过程都是在数字域完成，该方法是在非同步的采 样点中插值来得到同步情况下应该取得的最佳采样点以实现时间校 电子科技大学硕士学位论文 准。在单发单收和单发多收的m i m o 实验系统中应用可以得到较好 效果。这一章讨论了算法的基本原理；在第三章的基础上对插值原 理进行了详细讨论：研究了同步误差过零检测；研究了该算法中环 路滤波器的设计；对算法的关键部分一控制环节进行了详细的讨论： 在仿真结果基础上进行了分析说明，讨论了该算法在实际多发多收 m i m o 系统中的不足。 第五章主要讨论适用于m i m o 系统多发多收情况下的一种前馈 开环算法，该算法的基础是相位偏差估计和拉格朗日插值。该算法 回避了闭环算法中的过零检测，以及m i m o 系统接收端多路信号叠 加时所引起的信号过零点模糊。该前馈位同步算法直接从接收到的 数据中得到符号同步信息，传输符号的最佳样点由对接收到的采样 点进行插值计算得到。本章讨论了该算法的基本原理，相位偏差估 计算法和算法的具体实现，在第三章的基础上讨论了插值，在5 2 节 的基础上讨论了一种可提高估计值精确度的相位估计算法，在仿真 结果基础上进行了分析说明。 第六章介绍了研究来源国家高技术研究计划( 8 6 3 ) 重点项目新 型天线与分集技术研究( n o ：2 0 0 2 a a l 2 3 0 3 2 ) 的m i m o 实验系统， 以及应用了相位估计算法实现符号同步的信号处理软件仿真平台。 第七章总结全文，并讨论下一步的研究内容。 电子科技大学颐士学位论文 第二章m i m o 技术原理和特点概述 本章将主要讨论m i m o 系统的系统原理，系统结构，并对m i m o 系统最为核心的系统容量问题进行简单的推导和讨论。在2 1 节中概 述了m i m o 技术的发展及原理，2 2 节讨论了m i m o 系统模型的结构， 2 3 节则是对m i m o 系统的核心问题系统容量进行了简单的推导。 2 1m i m o 技术概述 m i m o 是指在发射端和接受端分别使用多个发射天线和接收天 线，而传统的通信系统是单入单出( s i s o ) 系统，基于发射分集和 接收分集的多入单出( m i s o ) 方式和单入多出( s i m o ) 方式也是 m i m 0 的一部分。m i m o 并不是一门新技术，1 9 0 8 年马可尼就提出 用m i m o 方式来抵抗无线信道的衰落。贝尔实验室的e t c l a t a r 和 g j f o s c h i n i 分别独立的在他们各自的论文【1 5 】和【1 6 】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 x m 信道矩阵描述m 副发射天线和副接收天线系统的无线信道，如果n m 信道矩阵的 元素间具有理想的独立衰落，系统容量将会随发射方和接收方天线 数中最小一方的天线数m i n ( n ，m ) 的增加而线性增加。这可以在s i s o 基础上成倍的增加系统容量。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( 分层空时码( b l a s t ) 算法) 【1 6 1 。随 后，a t & t 实验室提出了空时编码算法，它可以提高m i s o 和m i m o 系统的分集增益。这些信号处理方案均是用以提商m i m o 系统容量。 m i m o 技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益， 空间复用技术可以大大提高信道容量，而空间分集则可以提高信道 的可靠性，降低信道误码率。 6 电子科技大学硕士学位论文 空间复用技术 空间复用就是在接受端和发射端使用多副天线，充分利用空间 传播中的多径分量，在同一频带上使用多个数据通道( m i m o 子信道) 发射信号，从而使得容量随着天线数量的增加而线性增加。这种信 道容量的增加不需要占用额外的带宽，也不需要消耗额外的发射功 率，因此是提高信道和系统容量一种非常有效的手段。 空间复用的实现如图2 1 所示，首先将需要传送信号经过串并转 换，转换成几个平行的信号流，并且在同一频带上使用各自的天线 同时传送，由于多径传播，每一副发射天线针对接收端产生个不 同的空间信号，接受方利用信号不同来区分各自的数据流。实现空 间复用必须要求发射和接收天线之间的间距大于相关距离，这样才 能保证发端各个子信道是独立衰落的不相关信道。 串并 转换 ( 向 量编 码) 1 l 4 。1 、 | l 。4 l 4 数据 处理 ( 信 道估 计和 解 码 图2 1 空间复用示意图 实现空间复用的接收端的解码算法有迫零算法( z f ) ，最小均方 误差算法( m m s e ) ，垂直贝尔实验室分层空时码( v b l a s t ) 算法 和最大似然算法( m l ) 。迫零算法是一种线性接收方法，可以很好的 分离同频信号，但是需要有较高的信噪比才能保持较好的性能。另 一种线性接收算法是最小均方误差算法，该算法可以使由于噪声和 同频信号相互干扰造成的误差最小，尽管它降低了信号分离的质量， 1 7 电子科技大学硕士学位论文 但具有较好的抗噪性能。最大似然算法接收性能最好，但是计算复 杂性高。 b l a s t 是一种可以实现空间复用增益的算法。其中，对角贝尔 实验室分层空时码( d b l a s t ) 算法由于复杂度太大，很难实际应 用；v b l a s t 算法是复杂度和译码性能综合考虑下一种最优的译码 算法，在该算法中，不对所有的发送信号一起解码，首先对最强的 信号解码，然后在接收到的信号中减去这个最强的信号，再对剩余 信号中的最强信号解码，再减去这个信号，依次进行，直到所有信 号被译码。 发送分集和接收分集 空间分集技术可以分为接收分集和发射分集两类，通常可以认 为s i m o 系统是接收分集，m i s o 系统是发射分集。无线信号在复杂 的无线信道中传播产生r a y l e i g h 衰落，在不同空间位置上其衰落特 性不同。如果两个位置间距大于天线之间的相关距离( 通常相隔十 个信号波长以上) ，就认为两处的信号完全不相关，这样就可以实现 信号空间分集接收。空间分集一般用两副或多副大于相关距离的天 线同时接收信号，然后在基带处理中将多路信号合并。在s i m o 系统 中的接收分集技术可以分成最大比合并( m r c ) ，等增益合并( e g c ) 和选择分集合并( s d c ) 三种类型。在最大比合并的接收中，每一副 天线的输出用一个复数加权，然后相加；等增益合并接收使各副天 线的输出信号保持相同，然后相加。选择分集合并接收中，简单的 选择众多信号中的一个质量最好的天线的信号，并使用该信号作为 接收到的信号。由于最大比合并之后信号的信噪比等于合并之前各 支路的信噪比之和，因此是最佳的合并方式。 发散分集就是将分集的负担从终端转移到基站端，采用发射分 集的主要问题是在发射端不知道衰落信道的信道状态信息( c s i ) 。 因此，必须采用信道编码以保证各信道具有良好的性能，具体是采 用空时编码( 参见文献 3 5 1 ) 。空时码( s t c ) 是信道编码设计和多 发射天线的结合，由a t & t 实验室的t a r o k h 等人提出。空时码在将 电子科技大学硕士学位论文 数据分成 个数据子流在副天线上同时发射时，建立了空间分离信 号( 空域) 和时间分离信号( 时域) 之问的关系，而且在采用撮大 比接收合并( m r r c ) 接收时，这些空时码方案可以获得相同的分集 增益。除了分集增益以外，好的空时码还可以获得一定的