（信号与信息处理专业论文）mimoofdm系统盲信道估计方法的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 多输入多输出正交频分复用( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，m i m o - - o f d m ) 技术由于支持高速数据传输、抗频率选 择性衰落以及频谱利用率高的优点被认为是下一代无线通信的核心技术。信道估计是相干 检测的重要组成部分。因为基于导频或训练序列的信道估计浪费了信道的带宽，降低了频 带的利用率，所以又出现很多关于信道盲估计的算法。本文在分析移动无线信道衰落特性 的基础上，阐述了m i m o 、o f d m 系统的基本原理及m i m o o f d m 系统实现的几个关键技术， 围绕着系统中的信道估计这一关键技术，深入分析了基于二阶统计特性的子空间盲信道估 计方法。本文首先介绍了子空倒方法的基本思想，接着研究了m i m o - - o f d m 系统中的子空 间盲信道估计方法，通过对仿真结果的分析。得知该算法能够取得不错的性能，但是该算 法不能用在发射天线数大于接收天线数这种情况，接着引出了基于非冗余线性预编码的子 空间盲估计方法。仿真结果表明，只要预编码矩阵中的参数p 的取值合适，该算法就会有 着很好的估计性能，特别是在低信噪比情况下，比前一种算法的性能改进尤为明显，并且 通过分析发现，该算法的计算复杂度比前一种算法也有一定的降低。但它也有一定的缺陷， 虽然该算法在信嗓比很低的时候就能取得不错的性能，但是随着s n r 的增大n m s e 几乎 没有什么变化，它不能通过增加s n r 来改善系统的性能，只能通过增加用来估计的数掘块 数来使n m s e 变的更小。 关键词：多输入多输出，正交频分复用，信道估计，子空间，预编码 工 南京邮电大学硕j ：研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t a n do r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( m i m o o f d m ) h a sb e e nc o n s i d e r e da st h ek e y te c h n o l o g yf o rt h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sd u et oi t sh i g hr a t et r a n s m i s s i o nc a p a b i l i t y , h i g hs p e c t r u me f f i c i e n c ya n d i t sr o b u s t n e s st of r e q u e n c y - s e l e c t i v ef a d i n g c h a n n e le s t i m a t i o ni sa ni m p o r t a n tp a r tf o rc o h e r e n t d e t e c t i o n c h a n n e lc a l lo f t e nb ee s t i m a t e db yt r a i n i n gs e q u e n c e so ra i do fp i l o t s ，b u tt h e yw a s t e r a t eb a n d w i d t ha n dr e d u c et h ee f f i c i e n c yo fs y s t e m s r e c e n t l y , al o to fb l i n dc h a n n e le s t i m a t i o n m e t h o d sh a sb e e nd e v e l o p e d t h i sp a p e rd i s c u s st h ep r i n c i p l eo fm i m o 、o f d ms y s t e ma n d s o m ek e yt e c h n o l o g yb a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no f f a d i n gc h a n n e l s f u r t h e r m o r e ，t h e s u b s p a c e - b a s e db l i n dc h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u ef o rm i m o o f d ms y s t e m su s i n gt h es e c o n d o r d e rs t a t i s t i c a la n a l y s i si si n v e s t i g a t e d o nt h i sp a r t ，f i r s ti n t r o d u c et h ek e yi d e ao ft h es u b s p a c e m e t h o d ，t h e ns t u d yt h em e t h o di nm i m o - o f d ms y s t e m s b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h i s a l g o r i t h m ，i th a sag o o dp e r f o r m a n c e ，b u ti tc a nn o tb ea p p l i e df o rs c e n a r i o s ，w h e r et h en u m b e r o fr e c e i v ea n t e n n a si sl e s st h a nt h et r a n s m i ta n t e n n a s b a s e do nt h er e s e a r c ho fo r i g i n a la l g o r i t h m ， t h e np r o p o s ean e wi m p r o v e da l g o r i t h m ，n a m e l y , s u b s p a c e b a s e db l i n dc h a n n e le s t i m a t i o nf o r m i m o o f d ms y s t e m sv i an o n r e d u n d a n tl i n e a rp r e c o d i n g t h en e wa l g o r i t h mh a sg o tab e t t e r p e r f o r m a n c ei ns i m u l a t i o n ，w h e nt h ev a l u eo fp i sa p p r o p r i a t e ，e s p e c i a l l yw h e nt h es i g n a lt o n o i s er a t i o ( s n r ) i ss m a l l ，a l s oi t sc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yi sl e s st h a nt h a to ft h eo r i g i n a l a l g o r i t h m b u ti th adn o tg o tabe t t e rpe r f o r m a n c ewi t hi n c r e a s i n gth esn r ，i to n l y t h o u g h i n c r e a s i n gt h en u m b e ro fr e c e i v e do f d mb l o c k s k e y w o r d s ：m i m o - o f d m ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，s u b s p a c e ，p r e c o d i n g 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，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 含为获得南京邮电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 明确的说明并表示了谢意。 、一t 研究生签名：僻4 c p日期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：沼岳n 导师签名：如瓤 南京邮电大学顶 = 研究生学位论文第一帝绪论 第一章绪论 随着近年来个人通信需求的迅速发展及多媒体信息交流的急剧加速，频谱已成为f 1 益 宝贵的资源。因此，下一代移动通信的重要课题，就是在一定的频谱范围内，加强无线接 入能力及提供更优异的频谱利用率。在本章中将结合目前移动通信技术的发展状况展 望未来技术的发展趋势，提出本文的主要研究任务和意义，同时给出主要工作及内容安排。 1 1 课题的主要任务与意义 随着人们对信息的需求不断增长，要求移动通信系统在提供传统语音业务的同时，还 要求提供数字、图像、音频、视频等多媒体业务。这些业务对下一代的无线通信系统提出 了更高的要求，要求新的通信系统有更大的信道容量，更高的数据传输速率及更好的传输 性能。为了解决这些不断增长的需求和有限的频谱资源之间的矛盾，人们从多种角度展开 了相关技术的课题研究工作。 当前，普遍认为m i m o 技术将是4 g 蜂窝移动通信的关键技术。从早期的研究可以知道， 在通信系统的一端使用天线阵可咀增加分集的效果，从而在一定程度上提高系统的性能。 按照系统获得的增益类型，当前的m i m o 传输方案设计主要可以分为两大类：获取空间复 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。采用m i m o 技术后，信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用m i m o 信道成倍地 提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。 利用m i m o 技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者 是利用i i m o 信道提供的空间复用增益，后者是利用m i m o 信道提供的空间分集增益。 o f d m 是一种多载波调制技术，把串行的数据流分成几个并行发送的数据流，分别调制 到相应的相互重叠、相互f 交的子载波上，减少了子信道| 日j 干扰( i c i ) ，提高了频谱利用 率。同时，由于在每个子信道上信号带宽小于信道带宽，尽管总的信道非平坦，即具有频 率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，从而大大减少了符号问干扰( i s i ) 。即使有的 子信道由于深衰落出现误码，还可以采用交织和信道编码前向纠错以降低误码率。此外， 通过在o f d m 中添加循环前缀( c p ) 迸一步增强其抗多径衰落的能力。因此，o f d m 技术可以 有效对抗信道的多径和频率选择性衰落。 m i m o 和0 f d m 技术相结合，充分利用了两种技术的优点，适合无线衰落信道中的高数 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 据速率传输，是下一代移动通信核心技术的解决方案，高速无线传输领域的热点研究方向。 m i m o o f d m 技术将空间分集、频率分集以及时间分集有机地结合在一起。可以大大提高无 线通信中的信道容量和传输速率，并能有效的抵抗衰落、抑制干扰和噪声。在实际应用中， 为了进一步提高系统的频谱效率，m i m o o f d m 系统通常采用幅度非恒定的调制方式，例如 1 6 q a m 等，在这种情况下，接收端需要信道状态信息c s i 才能进行相干解调，另外，空时 编码的译码也需要有精确的信道状态信息才能完成。因此，信道估计是m i m o - o f d m 系统接 收机设计的一项主要任务。 有关o f d m 系统中的信道估计己有较多的研究，通常可以分为基于训练序列的方法和 盲估计方法。基于训练序列的信道估计算法有1 2 j 【 ，经研究表明，上述这些算法在o f d m 系统 中均能取得较好的性能，但是它们并不适用于m i m o o f d m 系统，这是因为m i m o o f d m 系统 采用多个发射接收天线，其接收信号是多个发射天线发送信号的衰落与加性噪声的叠加， 若采用上述算法估计信道，对于某个特定的发射接收天线对，来自于其它天线的信号即为 干扰，信噪比常常在o d b 以下，从而带柬很大的估计误差，导致系统性能急剧下降，因此， m i m o - o f d m 系统中的信道估计又是个需要研究的新天地。 目前，在m i m o - o f d m 系统的信道估计领域中常见的方法多是对基于训练序列或导频符 号【4 l 【5 j o f d m 信道估计方法的改进。一般的信道估计具有如下几个缺点： ( 1 ) 由于训练序列的存在，降低了通信系统传输的有效率。 ( 2 ) 对于一个快速时变信道，必须频繁地发送训练序列，以便更新信道估计。 ( 3 ) 在点对点通信网中，如果一个分支信道暂时失效后要恢复工作，就必须重新均衡 该分支接收机，这就有可能中断与其他分支信道的通信。 ( 4 ) 在通信系统中，由于信道上的干扰或其他因素的影响，有可能使接收机无法跟踪， 从而出现通信中断。为了重新建立通信，就需要发送端再发送训练序列，这就要求系统增 加反锁信道，以传送“请求训练信号”，使得系统变得复杂，难以实现。 相对于一般的信道估计方法，盲信道估计由于其从根本上避免了训练序列的使用，收 敛范围大，应用范圈广，克服了传统自适应均衡的缺点，从而降低了对信道和信号的要求， 并且还具有信道利用率高的特点。因此，m i m o - o f d m 信道的盲估计是个非常有挑战意义和 研究价值的方向。近年来，基于二阶统计特性的盲估计算法被研究的非常之多，并且这些 算法丌始与m i m o - - o f d m 系统结合起来。y o n g h o n gz e n g 2 4 】和h o n g y if u 【6 】等人分别先后发表 了利用噪声子空间的方法，对m i m o - - o f d m 系统进行盲估计的研究成果。那些算法有着很 好的性能特性，并且收敛快，只需有限多个样本，并且对信道阶数过估计具有鲁棒性。但 是该算法存在着要求接收天线数大于或等于发送天线数这个问题，本文将针对m i m o o f d m 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 系统中的盲信道估计的这一问题进行研究。 1 - 2 本文的主要工作以及内容安排 本文围绕m i m o - o f d m 系统中的信道盲估计技术进行分析研究。m i m o o f d m 系统的信道 估计研究是m i m 舻o f d m 技术中的一个难点，而盲估计更是一个有挑战性的研究课题。在研 究过程中，采用理论分析与计算机仿真相结合的手段，从理论和实践两个方面验证了研究 结果的正确性。全文主要工作如下： 深入研究了基于二阶统计特性的子空间盲信道估计方法。由s i m o 系统入手，首先详 细分析了s i m o 信道模型中的盲估计算法，介绍了最根本的基于二阶统计特性的子空间盲 信道辨识算法，然后针对m i m o - - o f d m 系统，分析研究了子空间盲估计算法在该系统中的 实现，并对其做了仿真和性能分析。虽然这个算法有着很好的性能特性，并且收敛快，只 需有限多个样本。但是该算法存在着要求接收天线数大于或等于发送天线数的缺点，接着 又介绍了基于非冗余线性预编码的子空间盲估计算法，这个算法不仅可以用于发射天线数 大于接收天线数的情况，通过计算机仿真，验证了算法的有效性，同时对其的性能进行了 分析。 论文总共分为五章，结构安排如下： 第一章介绍背景知识，课题的研究意义及全文的工作安排。 第二章讨论了无线信道的衰落特性，给出了本文采用的多径衰落信道的计算机仿真模 型，并阐述了o f d m 和m i m o 的基本原理，引出了m i m o - - o f d m 技术，说明了其原理和系统 模型，最后讨论了m i m o o f d m 系统实现的关键技术。 第三章首先对s i m o 信道模型中的盲估计算法进行了研究，介绍了最根本的基于二阶 统计特性的子空间盲信道估计算法；然后针对m i m o - - o f d m 系统，分析研究了子空间盲估 计算法在该系统中的实现，并对其做了仿真和性能分析。 第四章围绕基于非冗余线性预编码的子空间盲估计算法，并结合计算机仿真验证了算 法的有效性，分析比较了算法的性能。 第五章总结全文内容，提出了本课题有待于进一步深入研究的问题，并展望该领域的 研究发展趋势。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二二章无线信道及m i m o o f d m 系统简介 第二章无线信道及m i m o o f d m 系统简介 无线传输信道，尤其是移动环境中的无线传输信道是一个非常复杂的物理现象，为了 实现在有限的频谱资源上支持高速率数据和多媒体业务的传输，就必须采取频谱效率高的 抗衰落技术来提高系统的性能。m i m o - o f d m 系统正是解决这些问题的关键的技术，是实现 无线信道高速数据传输最有希望的解决方案之一，具有广阔的研究和发展前景。本章将着 重介绍无线信道的衰落特性和常用衰落信道的仿真模型，m i m o 、o f d m 的基本原理以及 m i m o _ 0 f d m 的系统框图和关键技术等。 2 1 无线信道中多径传播与衰落 信道是发射端和接收端之间传播媒介的总称，它是任何一个通信系统不可或缺的组成 部分。按传播媒介的不同，物理信道分为有线信道和无线信道两大类。有线信道是平稳的、 可预测的，而无线信道则是随机的，并且不易分析。本节将讨论移动无线信道的主要特性 及其对信号的影响。 2 1 1 多径传播和影响衰落因素 从发射机发出的无线电波在传播路径上受到周围环境中地形地物的作用，产生绕射、 反射或散射现象。这样，在接收端接收到的信号将是从多条路径传来的多个信号的叠加。 多径传播引起接收信号的幅度、相位和到达时间的随机变化( 同相叠加使信号增强，反相 叠加使信号减弱) ，接收信号的幅度急剧变化，即产生所谓的多径衰落。衰落效应主要表 现为以下三个方面： ( 1 ) 短距离或者短时间中信号功率快速变化； ( 2 ) 不同多径信号的d o p p l e r 的频偏不同，会产生随机调频现象： ( 3 ) 多径传播时延会造成时延扩展。 多径信号的振幅、相位和入射角都是随机分布的，即使接收天线处于静止状态，由于 信道中障碍物的运动仍然会造成信号参数的随机分布。无线信道中很多的因素会影响衰 落，其中包括： 1 多径传播 无线信道中移动的反射体、散射体以及接收天线组成了一个不断变化的传播环境，引 4 南京邮电大学硕| ：研究生学位论文第一二幸无线信道及m i m o o f d m 系统简介 起接收信号在幅度、相位和到达时间上的变化。随机分布的幅度和相位使信号功率产生波 动而引起衰落，也可能造成信号失真。 2 移动台的移动速度 接收天线和发射天线之间的相对运动会产生d o p p l e r 频移，各个多径信号的d o p p l e r 频移一般都不一样。 3 信道中障碍物的移动速度 如果信道中有移动的物体，那么也同样会造成多径信号的d o p p l e r 频移的差异。如果 物体的移动速度大于接收天线移动速度，那么就要考虑这些移动物体的影响：如果小于， 那么一般可以忽略不计。 4 信号的带宽 如果信号的带宽大于多径信道的带宽( 多径信道可以看成是一个时变系统，带宽可以 用相干带宽表示) 接收信号就会失真，但是接收信号的能量在很小的范围内变化也不大， 即意味着衰落现象并不严重。 2 1 2 衰落类型 由于多径时延产生的衰落分为两类，一个是平坦衰落，一个是频率选择性衰落。 1 平坦衰落 如果无线信道带宽大于发射信号带宽，并且信道频率响应的幅度近似为常数，相位为 线性，那么信道的频谱会保持不变，但是信道增益会随着时自j 变化( 由多径所造成) 。这种 衰落称为平坦衰落，也是最常见的一种。因而在平坦衰落信道中，信道的冲击响应可以近 似的认为是一个占函数，也就是说没有附加的延迟1 7 l 。其条件可以概括为：占。 - 其中县是信道的相关带宽，c r ，是其时延扩展，且= ，e 和1 分别是信号的周期和 3 频率。由于信道增益的变化，接收信号的包络也将是个随机变量，因此通常可用r a y l e i g h 分布来描述这种包络的变化。 2 频率选择性衰落 相对于平坦衰落，当信道的带宽小于信号的带宽时，那么信号中各个频率分量的增益 不同，信道波形失真，称为频率选择性衰落。当多径时延超过发送信号的周期时，前一个 信号就会落入后面的信号中，引起码间干扰( i s i ) 。一般有两种解决方法，一种是加宽传 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二覃光线信道及m i m o - o f d m 系统简介 输频带，任何频谱中的陷落只引起- - 4 , 部分信号能量的丢失，1 另一种方法是把发射信号分 为很多窄带的载波就像0 f d m ，因为原始的信号是宽带的，那么频谱中的陷落不可能出现 在所有的子载波频率上，因此只会引起一些载波的丢失，而不会引起整个信号的丢失；丢 失载波的信息可以通过前向纠错编码恢复。因此，一般判断频率选择性衰落的条件 是：丑， 皿，t i ，巨 b o 。 这里需要说明的是，快衰落与多径没有关系，它仅表示信道中运动物体的变化所引起 南京邮电大学硕l i ：研究生学位论文第一二章光线衍道及m i m o o f d m 系统简介 的信道响应的变化快慢。一个快衰落信道既可能是平坦衰落，也可能是频率选择性衰落。 平坦信道的冲击响应可以近似为艿函数，那么如果一个信道是平坦快衰落信道，那么就表 示此占函数的变化率要大于发射信号的符号变化率，般来说，只有当数据率非常低的情 况下才有可能发生快衰落。而且统计表明，在障碍物均匀的城市街道或森林中，信号包络 起伏变化近似于r a y l e i g h 分布，故多径快衰落又称为瑞利衰落。例如在郊区或非规则地 形上，车速4 0 k m h ，电波频率8 0 0 m h z 时，衰落速度达每秒3 0 一4 0 次。 2 慢衰落信道 在慢衰落信道中，信道的变化率要小于信号的符号变化率。也就是说，在一个或者多 个符号周期内信道是不变化的，是一个静态的信划伽。相应的在频域中，信道的d o p p l e r 扩展要比基带信道的带宽小的多。长期慢衰落服从对数j 下态分柿。表示本地平均或对数正 态衰落分量，它的幅度是对数正态功率密度函数。慢衰落信道的条件是t j b l ，。 显然，移动台的移动速度及基带信号发送速率，决定了信号是经历快衰落还是慢衰落。 2 2 常用衰落信道仿真模型 2 2 1抽头延迟线模型 无线移动信道可以用抽头延迟线来实现，其中每个抽头的系数都是时变的，这样信道 冲击响应可以写成 h ( t ，f ) = q ( ，) e x p ( 崩( f ) ) j ( 丁一) j - 1 ( 2 - 2 ) 这里是抽头个数，a , ( t ) e x p ( j f k , ( f ) ) 是与时白j 有关的抽头系数，是输入到第f 个抽头 的延迟。对每个抽头都有一个多普勒频谱来描述其系数随时问的变化，不失一般性，通常 令气= 0 。 对f 选择有两种可能：一是它们与实际路径的到达时问完全一致：二是它们等问隔分 柿抽头间距由抽样定理来决定。对后者来说，抽头系数一般不是统计独立的。 如果抽头是等间隔的，且抽头系数被定义为统计独立的，则模型可以进一步简化。如 果存在视距成分，这种模型就称为一延迟( 或一径一波束) 莱斯衰落模型：如果不 存在视距成分，则称为一延迟瑞利衰落模型。对于这种模型，通常进一步假设抽头系数 只在远大于传播数据的一个符号周期的时间内才发生改变；也就是说在传输几个比特的时 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道及m i m o o f d m 系统简介 间里，信道是不变的，这样的信道叫做慢衰落信道或准静态信道。 2 2 2j a k e s 信道模型 描述无线信道多径传播行为的r a y l e i g h 衰落信道可以建模为一系列正弦函数的和， j a k e s 模型满足下面的r a y l e i g h 平坦衰落窄带信道的统计特性： ( 1 ) r a y l e i g h 衰落的包络的概率密度函数满足r a y l e i g h 分布 f a ( a ) = a e x p ( - - 口2 2 ) 口o( 2 3 ) ( 2 ) r a y l e i g h 衰落的相位的概率密度函数满足均匀分布 矗( 口) = 磊1 o 口2 丌 ( 3 ) 衰落信号的自相关函数可以表示为 r ( r ) = e o s ( r ) j 0 ( f ) 其中吐为载波频率，为最大d o p p l e r 频移，厶( ) 是零阶b e s s e l 函数。 ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) j a k e s 模型把接收信号一( f ) 表示为一系列余弦函数的叠加，归一化后得到 _ 爿( ，) = 压ec o s ( 哗+ 由，i c o s a n + o 。) ( 2 - 6 ) n n n 机n 9 4 ( f ) 可以用( g ，4 ，心。) ，以= l ，2 ，表示，这些参数假定统计独立。 这个随机信号实际上通过个振荡器实现，j a k e s 作下列假定： ( 1 ) e = 丽1 ，= 1 ，2 - + ， ( 2 ) 4 ；等， 例2 ， ( 3 ) n = 2 ( 2 m + 1 ) 所以可以得到 a ( t ) = 4 ( t ) c o s c o j + 4 ( t ) s i n c o j 其中 4 c r ，= 杀( 压c 。s + c o s ，+ 2 荟mc 。s 吃c 。s q ， 8 ( 2 - 7 ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一二帝无线佑道及m 1 m o - o f d m 系统简介 4 c r ，= 嘉( 压s i n + i c 。s r + 2 善s t n 鼠c 。s 哪 上面的模型与r a y l e i g h 衰落信道有相同的统计特性。 2 3m i m o - o f d m 技术简介 2 3 1o f d m 系统组成及系统模型 一个o f d m 基带系统的组成如图2 2 所示，首先对输入的二进制信息比特流进行基带 调制，如q p s k 、1 6 q a m 调制。随后经串并( s i p ) 变换，导频插入等步骤后，调制信号( z ( 七) 被送入i f f t 处理器，转变为信号仁( 行) ) ： x ( n ) = i d f t ( x ( k ) ) = x ( k ) e 2 删，甩= o ，1 ，n - 1 ( 2 8 ) 其中n 为子载波数。插入长度为l 的c p 后变为： 咖，= x ：茹麓i 1 ( 2 - 9 ) 图2 - 1o f d m 基带系统组成 这样就构成了个基本的o f d m 符号，该o f d m 符号经过数模( d a ) 变换后送上信道， 在接收端滤波后进入模数( a d ) 变换器，并经串并( s p ) 变换后的信号可以表示为： 9 南京邮电大学颤：研究生学位论文 第二隶无线作道及m i m o o f d m 系统简介 靠( ，t ) = ( 坩) ( 疗) + w ( 疗) ( 2 1 0 ) 其中，“以) 为加性高斯白噪声( a w g n ) ， ( 玎) 为信道冲激响应，可以表示为： ( 一) ：r - 1 扛e j 2 j r 如伽，j ( 五一) 其中_ r 为多径数，曩为第f 径的复冲激响应，厶为第i 径的多普勒频移，它引起了接收信 号的i c i ，五是时延扩展系数，f 是第，径的时延被采样时间归一化后的值。 从靠( 疗) 中去除c p 得到的，( 门) 经过f f t 后得到： m ) = 脚从呦= 寺薹l y p 叩山川扣。，l ，- l 假设c p 长度大于信道冲激响应的长度，即没有i s i 存在，y ( k ) 可以表示为： y ( 五) = x ( k ) h ( k ) + ，( j | ) + ( 七) ，k = 0 ，1 ，n - 1 ( 2 11 ) 其中( 七) 是信道冲激响应的傅立叶变换，( 七) 是由多普勒频移引起的子信道问干扰( i c i ) ， ( 七) 为州虾) 的傅立叶变换，且： 一r - 1 哪第1 t p 印叫， 葛0，) 1 日(七)，(七)=了了曼r-一i善n三-10丘x(足)_1兰；i筘一，2q， 日( 七) ，( 七) = i 己丘x ( 足) 写瓦耵石耐吖2 叩 v ，：n r t 0一p 。 ” 在这之后再经信道估计、基带解调等，就可以恢复出发送的信息比特流。当然，在实际中， 为了进一步的提高系统性能，在基带映射之前，对输入的数据还需要进行信道编码和交织 等处理。 在式( 2 一1 1 ) 中，如果假设无i c l ，则： y ( k ) = x ( k ) h ( k ) + ( 七) ，k = 0 ，l t “，n 一1 ( 2 一1 2 ) 上式通常被称为系统的频域数学模型。而式( 2 10 ) 通常称为系统的时域数学模型。 i o 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线信道及m i m o o f d m 系统简介 2 3 2m i m o 技术简介 m i m 0 ( 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 ) 系统，该技术最早是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出的，它是利用多天线来抑制信道的衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的 s i s 0 ( s i n g l ei n p u ta n ds i n g l eo u t p u t ) 系统，m i m 0 系统还可以包括s i m 0 ( s i n g l ei n p u ta n d m u l t i p l eo u t p u t ) 系统和m i s 0 ( m u l t i p l ei n p u ta n ds i n g l eo u t p u t ) 系统。m i m 0 技术在不 增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。它可以定义为发送端和接收 端之间存在多个独立信道，也就是说天线单元之间存在充分的间隔，因此消除了天线间信 号的相关性，提高信号的链路性能，增加了数据吞吐量。它的重要特征是利用无线通信的 多径传播来提高系统的性能，即m i m 0 技术能够有效地利用无线链路中的随机衰落和延迟扩 展特性来成倍地提高传输的速率和可靠性。 m i m 0 系统模型如图2 2 所示，首先在发送端，数据以二进制比特流形式进入一个发射 模块，这个模块包括差错控制编码、交织、映射调制和空时编码等功能。在经过该模块之 后，产生几个单独的符号流，这几个符号流之间可以是独立的、部分冗余的或完全冗余。 随后将符号流映射到其中一根发射天线上，该处理可能会包括天线元的线性空间加权或者 线性天线空时预编码。再经过上频转换、滤波和放大，信号发射到无线信道。接收端使用 多根天线捕获信号。随后进行解调和去映射等一系列与发射端相对应的操作，最后恢复出 原始发送信号。 ， 、 空 时 处 理 、lj r、 空 时 处 理 l 图2 2m i m o 系统模型 目前，对m i m 0 技术的研究工作已经进入了一个相对成熟的阶段。第3 代移动通信( 3 g ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线竹道发m t m o - o f d m 系统简介 中 “i m o 方案标准化工作已经开始，这些主要是在国际电信联盟和3 g p p 的论坛上进行的。出 现了许多技术用来对m i m o 进行补充以改进吞吐量、性能和频谱效率，这些方案引起了研究 人员的高度重视，特别是那些对3 g 增强的技术，例如高速数字分组接入( h s d p a ) 、自适应 调制与编码、混合a r q 等等。但至今为止，m i m o 在蜂窝系统中还很少商业实现。影响j m i m o 系统大规模商业化的主要因素有以下两点： 第一个因素是天线问题。在m i m o 系统设计中，天线的数目和白j 足巨是很重要的系统参数。 具有多天线的基站更多地关注于环境，因此，天线元的数目被限制在恰当的数目，比如说 四根天线。而对于终端而言，1 2 波长间距足够保证非相关衰落，可以设想终端天线的晟 大数为四根，当然两根天线实现的可能性更大。间距参数对于实现m i m o 的高频谱效率尤其 重要，然而，对于手机而言，安装两根天线都可能是个问题。这是因为目前手机设计的趋势 是把天线放入盖子旱以改进外表的吸引力，这就使得该间隔的要求近乎苛刻。 第二个因素是接收机复杂度的问题。首先，接收机中对m i m o 信道的估计使得复杂度增 加。另外，复杂度还来自特别的r f 、硬件和接收机高级分离算法。m i m o 接收机应该是双模 的，以支持j f m i m o 模式。在m m o 模式时，接收机的每根天线使用一个r f 链路，另外还要有 附加的基带操作，即用来消除空间干扰的空时合并器和检测器。这些附加需求使得四发四 收m i m o 系统的复杂度大约是单天线接收机的两倍。另外由于m i m o 接收机环境时延扩展带来 的不同信道条件可能还需要均衡和干扰消除等处理，这可能会进一步的加大接收机的复杂 度。 2 3 3m i m o o f d m 系统框图 下一代无线通信主要是提高系统的吞吐量( 比特速率) 和网络容量。在发射端和接收端 使用多天线技术可以提高系统吞吐量。尤其是在多散射信道的条件下，m i m o 技术充分利用 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，使得在 理想情况下，系统容量可以随着天线数量的增加而线性增加，它不占用额外的带宽，也不 消耗额外的发射功率，因此有人指出m i m o 技术将是新一代无线通信系统所必须采用的关键 技术。m i m o 技术可以分为两类：空时编码( s t c ) 和空分复用( s d m ) 。s t c 通过在不同发射信 道上的编码来提高通信系统的性能，而s d m 是通过在同样的载波频率，不同传输信道上同时 发送独立的数据流来提高系统的吞吐量( 比特速率) 。 将m i m o 技术与o f d m 技术相结合，利用其高频谱效率的空时处理技术、抗频率选择性衰 落和窄带干扰的特点，可以大大提高系统的传输速率和系统容量。这使得其成为解决多径 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二覃无线信道及m i m o - o f d m 系统简介 衰落信道和带宽效率问题的十分有效的手段，因此它也成为了下代无线标准8 0 2 1 l n 物 理层设计的选择。 编交映 斗 插 加 码 斗 织 射 导 l d f t c 频 l p 审 并 编交映 插 加 码 织 射 导 i d f t - - - - 1 1 c 频 p 检测雨j 解码模块 d 上时间 | l 包括：信道估计， fc雨【 卜_ 一 m i m o 检测，相仔偏 t p 频率 移较正，解凋解交 同步 织，和解码 d 去么 fc _ 一 tp 幽2 - 3m i m o - - 0 f d m 系统模块框图 典型的m i m 0 - - o f d m 系统如图2 3 所示。发送端首先将发送数据进行串并转换，接着对 每一路信号进, 行o f d m 等调制处理等，随后送往相应的天线发送：在接收端利用多根天线对 信号进行接收，在经过同步、信道估计和检测等过程后，恢复出原始的信号。 2 3 4 m i m o o f d m 系统实现的关键技术 m i m o 一0 f d m 系统实现主要包括以下关键技术： 堕塞堂皇盔堂堕主堡壅竺堂堡堡壅 苎三里垄些笪垄丝竺! 坚2 ：旦! 旦竺墨竺竺尘 ( 1 ) 发送分集 目前已经提出了多种发送分集的方案，它们都需要在复杂度和性能之间进行折中。比 如在m i m o - - o f d m 系统中，如果发送端采用时延分集，好处在于实施简单而且性能又好。 并且不需要信息反馈。在该方案中，第二副天线中发送的信号是第一副天线的延时副本。 通过适当的编码和交织，发射机可以在不了解任何信息状态的前途下，获得空问一频率分 集的好处。下一代无线系统还可以集成改进的发送分集方案，其中最引入注目的就是：不 需要反馈的空时编码，基于信道统计特性并且要求最小信息反馈的线性预编码方案。 在空时卷积编码中，相同的信号经过不同的编码，形成不同的数掘流，然后经过多副 天线发送出去。而另一种空时分组编码凭借其简单的线性译码，也得到了广泛的关注。 在线性预编码中，根据慢变信道统计特性，把发送信号映射到多副发送天线。线性预 编码还可以与空时编码共同使用。初步测试表明：与时延分集或单一空时分组编码相比， 该方案分别可以获得2 3 d b 和3 d b 的好处。 ( 2 ) 空间复用 为了提高数据传输速率，可以采用空间复用的方法，即通过多天线发送不同的编码数 据流。这样，可以把高速编码数据流分割为一组相对速率较低的数据流，分别在不同的天 线，对不同的数掘流独立地编码、调制和发送，但是使用相同的频率和时隙。每副天线都 可以接收经过不同信道滤波的多个独立发送的信息。接收机利用空间均衡器分离多个信 号，并且解调、译码和解复用，恢复出原始信号。只要每个发送数据流内包括不同的空间 签名序列( 即信道矩阵满秩) ，就可以对组合的发送信号进行分离。由于多数空间均衡器都 使用信道矩阵求逆，因此只有在接收天线数大于独立发送信号的数量时才是可行的。链路 适配层可以在每个用户的基础上，检测信道状况，并且确定采用空间分集还是空间复用方 案。 ( 3 ) 接收分集和干扰消除 由于收发端采用多个天线，因此在两端都可以获得分集好处。在接收端可以采用最大 比合并( m r c ) ，把多个接收机内得到的信号进行相干叠加，使得信噪比能够最大化。由于 m r c 与期望信号的空间签名序列相匹配，而不是与干扰信号的空间签名序列匹配，因此m r c 具有潜在地抑止干扰的作用。但是m r c 不能抑止强干扰。在这种情况下，更希望采用最小 均方误差( m m s e ) 算法，以降低期望信号与其估计值之间的均方误差，从而使得信号干扰噪 声比( s i n r ) 最大化。m m s e 算法要求能够已知噪声和干扰的统计特性因此确定周围环境是 噪声受限还是干扰受限，在适当时间和频段内进行平均得到精确的统计值是非常重要的。 如果干扰源为空间复用的用户，则可以在m m s e 算法中利用干扰源的空问签名序列；而当 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道及m i m o - o f d m 系统简介 干扰来自邻近小区的用户时，则利用其二阶统计特性( 协方差矩阵) 得到干扰的空间结构。 ( 4 ) 软译码 m r c 与m m s e 算法都能生成软判决信号，供软译码器使用。在每个子载波的基础上，由 估计到的s i n r 对软判决进行加权，即为状态好的子信道分配较大的权值，为较差的子信 道分配较小的权值。软判决译码与s i n r 加权组合使用，可以在频率选择性信道中获得3 4 d b 的性能增益。 ( 5 ) 信道估计 信道估计的目的在于识别每组发送天线与接收天线之间的信道冲激响应。从每副天线 发出的子载波都是相互正交的，从而能够唯一识别每副发送天线到接收天线的信道。实际 情形中，信道的状态信息( c s i ) 通常是未知的，必须从接收信号中进行估计，如果信道估 计的不理想，会导致系统的性能急剧下降，因此准确的信道估计是保证m i m o - o f d m 系统传 输质量，发挥其优越性的关键所在。本文的重点就是分析m i m o - o f d m 系统中基于子空间的 信道估计技术。 ( 6 ) 同步 在上行和下行链路传输之前，都存在同步时隙，用于实施相位、频率对齐，并且实现 频率偏差估计。时隙可以按照如下方式构成：在偶数序号子载波上发送数据和训练符号， 而在奇数序号子载波设置为零。这样经过i f f t 变换之后，得到的时域信号就会被重复， 更加有利于信号的检测。 ( 7 ) 自适应调制和编码 为每个用户配置链路参数，可以最大限度地提高系统容量。根据用户在特定位置和时 间内的s i n r 统计特性，以及用户o o s 地要求，存在多种编码和调制方案，用于在用户数 据流的基础上实现最优化。o a m 级别可以介于4 到6 4 ，编码可以包括凿孔卷积编码与r e e d - - s o l o m o n 编码。因此存在6 种调制和编码级别，即编码模式。在2 m h z 的信道带宽内，编 码模式1 6 分别对应域1 1 6 8 m b i t s 的数据传输速率。在使用空间复用的情况下，上 述速率可以被加倍。链路适配层算法能够在s