（信息与通信工程专业论文）基于理想自相关训练序列的mimo信道估计算法研究.pdf

南京邮电人学颂j ：研究生学位论文摘要 摘要 多输入多输出( 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 ，简称为m i m o ) 技术可以在不牺牲带 宽和不增加功率的同时增加系统容量，正交频分复用( 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 ，简称为o f d m ) 技术具有抗频率选择性衰落的特点，二者的结合即 m i m o o f d m 技术已经成为下一代移动通信系统( b e y o n d3 r dg e n e r a t i o n ，简称为b 3 g ) 的热点候选方案。 为了在多径衰落信道中获得优异的性能，m i m o 系统中的信道估计是一个极具理论意 义及现实价值且充满挑战性的研究领域。本文采取理论分析和计算机仿真相结合的方法， 对o f d m 调制符号的m i m o 信道估计算法进行了研究。 本文首先介绍无线信道的特点，阐述了m i m o 技术和o f d m 技术的工作原理，给出 了m i m o o f d m 系统的基本框架。然后介绍了信道盲估计以及基于导频的信道估计方法， 其中基于导频的估计主要介绍了导频的选取和插入，几种不同的信道估计算法以及常用的 插值方法。之后，一方面，在深入研究一种以m 序列作为训练序列基于线性插值的信道估 计方法的基础上，本文提出了一种新的基于样条插值的信道估计算法，另一方面，为了进 一步降低计算复杂度，本文还提出了一种以具有完美白相关特性的z a d o f f - c h u 序列作为训 练序列的信道估计算法，最后利用本文提出的两种新算法对m i m o 系统进行了仿真实验， 仿真结果表明基于样条插值的信道估计方法比基于线性插值的信道估计方法具有更加优 越的性能，而基于z a d o f f - c h u 序列的信道估计方法比采用m 序列作为训练序列的信道估 计方法不但具有更好的性能，而且具有较低的计算复杂度。 关键词：多输入多输出；正交频分复用；信道估计；训练序列 南京邮电人学烦1 ：研究生学位论文a b s t r a c t a bs 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 ( m i m o ) t e c h n i q u ec a ne f f i c i e n t l yi n c r e a s es y s t e mc a p a c i t y w i t h o u ti n c r e a s i n gt h eb a n d w i d t ho rt r a n s m i t t e dp o w e r w h i l eo 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 ( o f d m ) i sa l le f f e c t i v et e c h n i q u ef o rm i t i g a t i n gt h ee f f e c t so fd e l a ys p r e a di nt h e f r e q u e n c y s e l e c t i v e f a d i n gc h a n n e l s t h e r e f o r e ，t h e c o m b i n a t i o no fm i m oa n do f d m ( m i m o - o f d m ) i s a na t t r a c t i v em e a nf o rt h en e x tg e n e r a t i o n ( b 3 g ) w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s i no r d e rt oi m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c ei nm u l t i - p a t hf a d i n gc h a n n e l ，c h a n n e le s t i m a t i o n t e c h n i q u ep l a y saq u i t em e a n i n g f u la n dc h a l l e n g e a b l er o l ei nm i m os y s t e m t h i sp a p e rh a s s t u d i e dt h et e c h n i q u eo fc h a n n e le s t i m a t i o nf o ro f d ms y m b o l si nm i m os y s t e mb yb o t ht h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n f i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i co fw i r e l e s sc h a n n e la n dt h eb a s i cp r i n c i p l eo f m i m o o f d ms y s t e m sa n ds y s t e mm o d e l a f t e rt h a t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sas u b s p a c eb l i n d c h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u eb r i e f l y , a n dt h e ni n t r o d u c e sp i l o t - s y m b o la i d e dc h a n n e le s t i m a t i o n t e c h n i q u er o u n d l y , s u c h a st h es e l e c t i o na n di n t e r p o l a t i o no fp i l o t s y m b o l ，s e v e r a ld i f f e r e n t c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m sa n dt h ei n t e r p o l a t i o nm e t h o d sw h i c ha r ec o m m o n l yu s e d t h e n ，o n o n eh a n d ，a f t e rd e e p l yr e s e a r c ho fac h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h em s e q u e n c eu s i n g l i n e a ri n t e r p o l a t i o n ，t h i s p a p e rp r e s e n t san e wc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mu s i n gs p l i n e i n t e r p o l a t i o n ；o nt h eo t h e rh a n d ，i no r d e rt or e d u c et h ec o m p u t a t i o nc o m p l e x i t y , t h i sp a p e ru s e z a d o f f - c h us e q u e n c ew h i c hh a st h ei d e a la u t o c o r r e l a t i o n s h i pa st r a i n i n gs e q u e n c ei n s t e a do ft h e m - s e q u e n c e ，f i n a l l y , t h ep e r f o r m a n c e so ft h e s et w oa l g o r i t h m sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e db yt h e c o m p u t e rs i m u l a t i o n t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a t ，t h ea l g o r i t h mu s i n gs p l i n ei n t e r p o l a t i o n p e r f o r m sb e t t e rt h a nt h ea l g o r i t h mu s i n gl i n e a ri n t e r p o l a t i o n ，a n dt h ea l g o r i t h mb a s e do nt h e z a d o f f - c h us e q u e n c ep o s s e s s e sa ni m p r e s s i v ep e r f o r m a n c ew i t hl e s ss y s t e mo v e r h e a da n dl o w e r c o m p u t a t i o nb u r d e nt h a nt h ea l g o r i t h mb a s e d o nt h em s e q u e n c e k e yw 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 ；t r a i n i n gs e q u e n c e 南京邮电人学硕i ：_ f o f 究生学位论文专用术语注释表 缩略词 a m p s a w g n b l a s t b 3 g c d m a c p c s i d a b d a m p s d f t d s p d v b e d g e f d m a f f t g m s k g p r s g s m i c i 专用术语注释表 英文全称 a d v a n c e dm o b i l ep h o n es e r v i c e a d d i t i v e 纾乃i t eg a u s s i a nn o i s e b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m e b e y o n d3 r dg e n e r a t i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c y c l i cp r e f i x c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d i g i t a la u d i o b r o a d c a s t d i g i t a la d v a n c e dm o b i l ep h o n es e r v i c e d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t e n h a n c e dd a t a r a t ef o rg s me v o l u 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 r n g a u s s i a nm i n i m u ms h i f tk e y i n g g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e i f f ti n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i s i i t u l d p c l m m s e l s l t e m i m o i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c k l i n e a rm i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r l e a s ts q u a r e s l o n gt e r me v o l u t i o n 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 v 中文对应翻译 高级移动电话服务系统技术 加性白高斯噪声 空时分层结构 下一代移动通信系统 码分多址 循环前缀 信道状态信息 数字音频广播 数字化高级移动电话服务系统 离散傅立叶变换 数字信号处理 数字视频广播 增强型数据速率g s m 演进技术 频分多址 快速傅立叶变换 高斯最小频移键控 通用无线分组业务 全球移动通信系统 载波间干扰 快速傅立叶反变换 符号间干扰 国际电信联盟 低密度奇偶校验 线性最小均方误差 最d , - 乘 长期演进 多输入多输出 南京邮电人学颂l ：研究生学位论文 专用术语注释表 m lm a x i m u ml i k e l i h o o d最大似然 m m s em i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r 最小均方误差 m q a mm a r yq u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o nm 元正交幅度调制 o f d m o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x正交频分复用 p d cp e r s o n a ld i g i t a lc e l l u l a r 个人数字蜂窝 p s a m p i l o t s y m b o l a i d e dm o d u l a t i o n 导频辅助 q p s k q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g四相相移键控 s d r s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o软件无线电 s i m o s i n g l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t单输入多输出 s i s o s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t 单输入单输出 s n r s i g n a l t o - n o i s er a t i o 信噪比 s t b c s p a c e t i m eb l o c kc o d e空时分组码 s t c s p a c et i m ec o d e空时编码 s t t c s p a c e t i m et r e l l i sc o d e 空时格形码 t d m a t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 时分多址 t d - s c d m a t i m ed i v i s i o n - s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s w c d m a 1 g 2 g 3 g 3 g p p 4 g w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ls tg e n e r a t i o n 2 n dg e n e r a t i o n 3 r dg e n e r a t i o n 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t 4 t hg e n e r a t i o n 时分同步的码分多址技术 宽带码分多址 第一代移动通信系统 第二代移动通信系统 第三代移动通信系统 第三代合作伙伴计划 下二代移动通信系统 南京邮电大学学位论文原创性声明 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。 研究生签名：馋垦塑塑日期：丝! ：鱼! 垒 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、缩印或其它复制手段保存论文。本文电子文档的内 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：丝! 塑煎 导师签名： 南京邮电人学硕i j 研究生学位论义 第一章绪论 第一章绪论 从2 0 世纪未至l j 21 世纪初，随着无线通信技术在全世界范围内以前所未有的速度向前发 展【3 6 1 ，手机，这种无线通信设备业已成为了现代社会中人们不可或缺的一种通信工具。在 早期，人们对无线通信的业务要求仅仅是进行语音通信，而随着全球移动通信系统( g l o b a l s y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，简称为g s m ) 的发展，业务运营商在进一步完善语音 通信质量的同时，为满足人们对无线通信业务的需求，开发了短信、彩信、彩铃、炫铃等 各种已经投入到实际运营并带来了巨大商业价值的移动增值业务。同时，随着因特网、多 媒体业务在这几年获得的高速发展，消费者对通过无线方式随时随地接入因特网获取信息 以及在手机上实现更多多媒体业务的需求也显得同益迫切，这就为新一代无线通信系统的 产生打下了一个坚实的市场基础，同时也吸引了全世界范围内众多科研人员投入到新的无 线通信技术的研究中。把无线通信、计算机和因特网等技术结合起来，为广大用户提供更 丰富的业务种类、更广泛的覆盖范围以及更快捷的接入方式，就成为了新一代无线通信系 统必须具备的能力，这也是未来无线通信技术和业务发展的一大趋势【2 副。 本章简要介绍了无线通信系统的发展概况，以及对新一代移动通信系统的展望；概括 性地叙述了对于未来无线通信系统而言极具吸引力的关键技术多输入多输出技术、正 交频分复用技术及其研究现状：最后介绍了在高数据率的m i m o o f d m 系统中，实现 m i m o o f d m 系统接收端准确检测、解码及提高无线数据接收性能的关键技术 - m i m o o f d m 信道估计技术。 1 1 无线通信的发展以及新一代移动通信系统的展望 1 1 1 无线通信系统的发展概况 无线通信是当前通信领域发展最迅猛的技术之一，其相对于有线通信具有巨大的便利 性，是实现任何人( w h o e v e r ) 在任何地方( w h e r e v e r ) 、任何时间( w h e n e v e r ) 与任何人 ( w h o m e v e r ) 进行任何形式( w h a t e v e r ) 交流的重要保证，一直是通信领域的研究热点。 无线通信不仅f 在越来越广泛地渗透进每个人的同常生活，改变人们的生活方式，而且己 经成为我国乃至世界各国最主要的高新技术支柱产业之一。 第一次利用无线电波进行通信源臼于1 8 9 7 年意大利科学家m a r c o n i 在英格兰海峡的试 南京邮电人学颀l ：协f 究生学位论文第一章绪论 验，自那以后，无线通信受到了世界各国的瞩目并得到了广泛的研究。二战期间，应用无 线手段的通信己经在军队罩使用。2 0 世纪5 0 年代，无线移动通信丌始从军用转向民用。2 0 世纪6 0 年代，贝尔实验室提出了蜂窝的概念，改变了传统大区制的结构，提高了系统可容 用户数，为无线通信的大规模商用奠定了基础。2 0 世纪7 0 年代，具有高可靠性的固态微型 射频硬件的发展使移动通信逐渐成熟起来。2 0 世纪8 0 年代，商业蜂窝电话网络开始运营。 2 0 世纪9 0 年代，出现了一些新型的无线移动设割1 引。从此，人类进入移动通信时代。目前， 无线通信涵盖范围广阔，包括了移动通信、无线局域网、固定无线接入、空间通信等诸多 方面，其中移动通信是当今通信领域内最为活跃和发展最为迅速的领域之。自1 9 7 8 年底， 第一个蜂窝移动通信系统高级移动电话服务系统( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es e r v i c e ，简 称为a m p s ) 研制成功以来，经历了以下3 个发展阶段：即通常所说的第一代、第二代以及 第三代移动通信系统【4 9 】。 ( 1 ) 第一代移动通信系统 第一代移动通信系统( 1 s tg e n e r a t i o n ，简称为1 g ) 出现于2 0 世纪8 0 年代，提供频分多 址( 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 ，简称为f d m a ) 的模拟语音通信，典型代表为美 国的高级移动电话服务系统，北欧的n m t ，同本的n a m t s 。以蜂窝小区设计技术的应用 作为第一代无线通信系统诞生的标志。它极大的缓解了大容量的需求与有限频谱资源之间 的矛盾。1 g 主要采用模拟电子技术，频率调制，f d m a 多址技术，系统仅能提供模拟话音 业务【3 3 】。尽管第一代移动通信系统在当时获得了迅速的发展，但是人们也发现了它所存在 的许多问题，如：频率利用率低，系统容量小；不能提供高速数据业务服务：保密性差；移 动设备成本高，体积大等。这些缺点成为了发展第二代移动通信系统的出发点。从十九世 纪8 0 年代丌始，欧美等国丌始丌发第二代移动通信系统。 ( 2 ) 第二代移动通信系统 第二代移动通信系统( 2 n dg e n e r a t i o n ，简称为2 g ) 兴起于二十世纪九十年代。通过语 音的数字化及用时分多址( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，简称为t d m a ) 代替频分多址 ( f d m a ) 的接入方式，大大增加了系统的用户容量。主要代表系统有欧洲的基于时分多 址的g s m ( 提供2 4 9 6 k b p s 的传输率，通过通用无线分组业务( g e n e r a l p a c k e tr a d i o s e r v i c e ，简称为g p r s ) 技术，传输率可以达到1 4 4 k b p s ，通过增强型数据速率g s m 演进技 术( e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n ，简称为e d g e ) ，传输率可以达至0 3 8 4 k b p s ) 、 美国的数字化高级移动电话服务系统( d i g i t a la d v a n c e dm o b i l ep h o n es e r v i c e ，简称为 d a m p s ) ( i s 5 4 ，现在的i s 1 3 6 ，可以达到9 6 k b p s 的传输率) 和码分多址( c o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ，简称为c d m a ) ( i s 9 5 ，提供可变速率接入) 、同本的个人数字蜂窝( p e r s o n a l 2 南京邮也人学坝i j 硼f 究生学位论文第一章绪论 d i g i t a lc e l l u l a r ，简称为p d c ) 。第二代移动通信系统以数字技术为其主要特征，采用微蜂 窝小区结构及数字调制技术和先进的呼叫处理技术及新的网络结构，引入新的调制方式如 高斯最小频移键控( g a u s s i a nm i n i m u ms h i f tk e y i n g ，简称为g m s k ) 、四相相移键控 ( q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g ，简称为q p s k ) 等，引入了t d m a ，c d m a 等技术。与第 一代移动通信系统相比，第二代移动通信系统不仅提高了频谱利用率和系统容量；还能够 提供除语音通信之外的多种业务服务，并且降低了开发成本，抗衰落性能大大增强，具有 更方便、灵活的网管与控制功能。2 g 既可以传输声音也可以传输数据，支持传真及短消息 服务，而且具有更好的安全保密性。 由于第二代移动通信系统的巨大成功，全球范围内的移动通信用户数量急剧增加，移 动用户数目的高速增长，对现在的移动通信系统如何进一步提高频谱利用率和增大容量提 出了新的要求；同时，i n t e m e t 也在飞速发展，这就让移动用户迫切希望无线通信系统能够 承担更高速率的数据业务，这一切所面临的新的问题就成为了第三代移动通信系统发展的 主要动力。 ( 3 ) 第三代移动通信系统 为实现任何人在任何时间、任何地点以任何方式与任何人进行通信，同时也为了实现 为广大用户提供更丰富的业务种类、更广泛的覆盖范围以及更快捷的接入方式的目标，国 际电信联盟( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，简称为i t u ) 提出了第三代移动通信 系统的研究，并且在1 9 9 2 年提出其频段范围，在1 9 9 8 年后确定了最终的无线传输技术标准。 i t u 希望得到一个支持高速数据接入的全球统一的移动通信标准，并提出第一个第三代移 动通信系统，取名为i m t 2 0 0 0 。到现在为止，基本存在3 种方案，即由欧洲和r 本支持的 宽带码分多址( w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，简称为w c d m a ) ，由美国提出 的c d m a 2 0 0 0 ，中国自主提出的时分同步的码分多址技术( t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，简称为t d s c d m a ) 。一般认为c d m a 技术和宽带业务是它的主 要标志。第三代移动通信系统( 3 r dg e n e r a t i o n 简称为3 g ) 采用微蜂窝结构、宽带c d m a 技 术、q p s k 调制、自适应调制方式、t d m a c d m a 多址技术。3 g 的主要业务是在2 g 提供的 话音数据基础上，进一步提供包括数据、语音、视频和图像在内的多种业务，部分实现移 动通信的宽带化和多媒体化。在2 0 0 1 年的时候，d o c o m o 等公司采用w c d m a 方案，丌始 提供第三代移动通信系统服务。 目前，在研究领域，研究的对象已经从第三代移动通信系统丌始走向第四代移动通信 系统，其目标是为全球提供一个统一的移动通信方案，从而使得移动用户能够在全球范围 内得到更统一更优质的服务。然而，对第四代移动通信系统的定义到目前为止依然有待明 南京邮电人学硕 研究生学位论文第一章绪论 确，它的技术参数、国际标准、网络结构、乃至业务内容均未有明确说法。 1 1 2 新一代移动通信系统的展望 ( 1 ) 新一代移动通信系统研究的紧迫性 到目前为止，第三代移动通信系统的各种标准和规范已达成协议，在某些国家已经开 始商用，在中国，3 g 牌照亦己发放。但是3 g 从标准制定伊始就面临着用户提出的越来越高 的无线通信需求，仍有很多问题需要改进【6 1 ，譬如： 1 ) 3 g 缺乏全球统一标准，多种体制并存，通信体制多样化以及无线传输速率较低， 从而使未来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： 2 ) 3 g 所采用的语音交换架构体系仍然承袭了2 g 的电路交换，而不是纯i p 方式： 3 ) 流媒体( 视频) 的应用还远远不能满足移动用户的需求； 4 ) 数据传输率也只接近于普通拨号接入的水平，无法实现高速获得信息的目标。因 此，对新一代移动通信系统的概念应运而生。越来越多的研究人员丌始了对下一代移动通 信系统( b e y o n d3 r dg e n e r a t i o n 4 t hg e n e r a t i o n ，简称为b 3 g 4 g ) 的研究f 7 1 。 ( 2 ) 新一代移动通信系统的展望 当前，4 g 还处于研究的初级阶段，人们对4 g 还无法进行精确的定义，它的技术参数、 国际标准、网络结构、乃至业务内容均未有明确说法，并且与3 g 之间也没有明确的划分标 准。 但是，有一点我们能够肯定的是，4 g 将是一个比3 g 更完美的新无线世界。相对于3 g 而占，4 g 在技术和应用上将有质的飞跃，而不仅仅是在第三代移动通信系统的基础上再加 上某些新的改进技术【3 1 。 一般认为，4 g 应具有下述特征【2 4 】： 1 ) 需要占据更宽的带宽： 2 ) 采用全数字技术，提供更高的传输速率和更大的容量； 3 ) 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服务，包括了 语音、数据、影像等业务类型； 4 ) 兼容性更强，采用大区域覆盖，与3 g 、无线l a n ( w l a n ) 和固定网络之问无缝 隙漫游，使得终端具有智能性和可扩展性，实现真于意义的全球漫游，能满足用户接入因 特网而不受地域和设备的限制，各种用户设备便捷地入网： 5 ) 采用高度自治、自适应的网络，具有良好的重构性、可仲嫡枷 自缃钔眦拙右 独立的软件平台等。 南京邮r 乜人学坝 ：研究生学位论文第一章绪论 为实现任何人能在任何时间、任何地点进行高速的无线多媒体通信，要求新一代移动 通信系统能够提供的数据传输率在1 0 0 m b i t s s ( 移动用户) 1 g b i t s s ( 固定无线接入) 之间 1 2 5 1 。这个目标推动了相当多的物理层高速无线传输新技术的研究活动。 要实现4 0 期望的目标，就必须丌辟新的频带( 更高的频率) 和带宽，采用更为先进的 宽带信号处理技术【2 5 1 ，寻找提高频谱效率的解决方案。 在4 g 中，引入了几大核心技术，这些技术是构成4 g 强大竞争力的基础。 1 ) 正交频分复用，是一种细分带宽以降低频率之间的干扰，同时利用高速率传输大 容量数据的技术。 一 2 ) 软件无线电( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ，简称为s d r ) ，是利用软件对频率范围、调 制方式、无线输出等主要无线特征进行更新或变更的调锘0 m o d e m 技术。 3 ) 多输入多输出，是利用多个天线同时收发数据，提高传输效率的一种技术。 4 ) 低密度奇偶校验( l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c k ，简称为l d p c ) ，是一种更加有效的错 误更j 下技术，能缩短对接收数据的译码时间。 在4 g 所采用的众多信号处理技术中，最引人注目的是m i m o 技术【3 1 和o f d m 技术【1 0 1 。 文献【3 9 】研究表明在多径环境中，采用收发多天线空时编码系统可以使频谱效率得以成倍 提高，从而提高信道容量：而采用o f d m 技术，将大大降低在多径环境下的接收机复杂度， 也能够提高频谱效率。 目前人们普遍认为，多输入多输出和正交频分复用技术将是新一代移动通信系统必须 采用的关键技术。第三代合作伙伴计划( 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ，简称为3 g p p ) 标准化组织在2 0 0 5 年1 2 月选定了长期演进( l o n gt e r me v o l u t i o n ，简称为l t e ) 的基本传 输技术，即下行o f d m 上行s c ( 单载波) f d m a ，批准采用由北电等厂家提出的o f d m 和 m i m o 方案作为其无线网络演进的唯一标准；而在2 0 0 6 年1 月由多家公司联合提出的 8 0 2 1 l n 标准中也明确提到了使用m i m o o f d m 技术；在w i b r o 和w i m a x 系统中，也明确提 到了以o f d m 技术为核心，配以m i m o 技术的方案。 综上可以看到，在未来的无线通信系统中，m i m o 技术结合o f d m 技术是一个必然的 趋势【4 3 1 。 1 2m i m o o f d m 技术发展简介 4 g 无线通信系统的关键技术是多输入多输出和币交频分复用技术。因此，对m i m o 技 术齐n o f d m 技术的研究有着重要的意义。 下面将介绍m i m o 技术和o f d m 技术的发展历程。 南京邮电大学顾j ：研究生学位论文第一章绪论 1 2 1m i m 0 简介 系统容量是影响无线通信系统性能的一个重要参数，传统的无线通信主要通过划分小 区来提高系统容量。但小区不能一味地划分下去，因此小区分裂的思想在大容量的需求条 件下就变得不可行了。而利用空问发送分集技术束提高容量的m i m o 多天线技术则是进一 步提高系统容量和频谱效率的有效措施。 多天线系统最早由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出。m a r c o n i 最初的设想是利用多天线来抑制信 道衰落。随着m i m o 技术的发展，对它的研究转变为如何利用多径来提高系统容量。2 0 世 纪8 0 年代，w i n t e r 等人就丌始论述有关天线分集和容量的相关问题【2 9 1 。而到了2 0 世纪9 0 年 代，贝尔实验室提出了空时分层结构( b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m e ，简称为 b l a s t ) ，迈出了m i m o 研究具有旱程碑意义的步。为了迸一步提高系统的性能和容量， t a r o k h 等人将时间分集应用于m i m o 中，提出了空时格形码( s p a c e t i m et r e l l i sc o d e ，简 称为s t t c ) 。1 9 9 8 年，a l a m o u t i 提出了一种利用两个发射天线的复j 下交设计方案，从而揭 丌了空时分组码( s p a c e t i m eb l o c kc o d e ，简称为s t b c ) 的研究序幕【2 0 1 。 m i m o 系统在不增加带宽和天线发射功率的前提下，可以成倍提高系统频谱利用率。 因为若各发射接收天线间的信道响应相互独立，则m i m o 系统相当于多个并行空问信道， 且这些独立信道占用相同的频带。这相对于单输入单输出( s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ，简 称为s i s o ) 系统是一个极大的优势。m i m o 系统巨大的发展潜力引起了世界各国研究者的 兴趣，得到了越来越多的关注。 1 2 2o f d m 简介 o f d m 并不是最近才发展起来的新技术，早在2 0 世纪6 0 年代，o f d m 技术就已经被应 用到高频军用系统，如k i n e p l e x 等，只是该系统仍采用传统的多载波调制系统实现方式， 比较复杂。直到1 9 7 1 年，w e i n s t e i ns b 和e b e r tp m 提出了使用离散傅立叶变换( d i s c r e t e f o u r i e r t r a n s f o r m a t i o n ，简称为d f t ) 实现多载波的基带调制和解调，从而大大降低了多载 波系统的复杂度，成为o f d m 发展史上的一个里程碑。随后，p e l e da 平d r u i za 提出了采用 循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，简称为c p ) 的方法来对抗符号问干扰( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ， 简称为i s i ) 及信道多径，为o f d m 的应用做出了重要的贡献【4 9 1 。同时，随着高速数字信号 处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，简称为d s p ) 技术、高阶调制技术等的发展，o f d m 得到 了越来越广泛的研究和应用。 o f d m 是多载波调制技术的一种。o f d m 系统是将所传输的数掘符号并行调制在相互 6 南京l b | i l 乜人学颀l ：研究生学位论文第一章绪论 之间重叠正交的多个子载波上来传输。一方面，数据符号串并变换会使每个子载波上的符 号周期相对地增长，可以最大限度地减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性 对系统造成的影响，避免频率选择性衰落；另一方面，子载波之间正交，可以有效利用带 宽，提高系统容量。 总地来说，o f d m 具有抗多径，避免频率选择性衰落和频谱利用率高等优点。 采用o f d m 技术的最主要原因之一是它可以有效对抗多径时延扩展，、通过把输入的数 据流并行分配到个并行的子信道上，使得每个o f d m 的符号周期可以扩大为原始数据符 号周期的倍，因此时延扩展与符号周期的比值也降低倍，从而可以最大限度地减轻由 无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响。 在o f d m 系统中，为了最大限度地消除符号间干扰，在每个o f d m 符号之间要插入保 护间隔，该保护间隔的长度一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分 量就不会对下一个符号造成干扰。 为了消除由于多径传播造成的子信道间干扰( i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ，简称为i c i ) ， 一种有效的方法是将原来宽度为丁的o f d m 符号进行周期扩展，将符号尾部宽度为疋的部 分填充到符号前的保护间隔内，这保护问隔内的信号就称之为循环前缀。增加循环前缀可 以有效防止子载波之问的正交性受到破坏，避免引起i c i 。 目前，o f d m 技术已经被多种通信标准采纳，如i e e e 8 0 2 1 l a 、h i p e r l a n 2 、欧洲数 字音频广播( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t ，简称为d a b ) 和数字视频广播( d i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t ，简称为d v b ) 、i e e e 8 0 2 1 6 a 等等。 1 2 3m i m 0 一o f d m 简介 如前所述，m i m o 系统能在一定程度上利用传播中的多径分量，但是对于频率选择性 深衰落信道，m i m o 系统依然是无能为力。而o f d m 通过f 交的子载波来传输信号，把频 率选择性深衰落信道转变成平衰落信道，能有效对抗多径衰落信道，实现高速率传输。对 o f d m 技术来说，为了进一步增加系统的容量，提高系统传输速率，需要增加子载波的数 量，造成系统复杂度的增加，并增大系统的带宽需求，这在实际的带宽受限和功率受限的 无线通信系统中是不可行的。m i m o 技术在收发两端采用多天线，在不需要增加频谱资源 和发送功率的情况下，就可以成倍地提高信道容量，解决o f d m 中存在的问题。 因此，o f d m 和m i m o 技术的结合，将为未来的无线通信提供巨大的发展潜能。 a g r a w a ld 等人于1 9 9 8 年第一次提出将这两者结合1 4 9 1 ，后来l ub 等人也做了进一步探 讨。 南京邮电大学侦i ? 研究生学位论义第一章绪论 1 3 信道估计研究意义及研究现状 1 3 1 研究意义 传输信道是无线通信区别于有线通信最重要的一个方面，也是影响通信系统性能的一 个重要因素。无线发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，从简单的视距传输到复杂的 具有各种各样障碍物的反射、折射和散射路径。无线信道的传播特性具有极大的随机性， 严重影响了接收信号的检测和移动无线系统的设计。因此，有必要对无线信道进行正确的 估计以提高系统性能。 对m i m o o f d m 系统而言，尽管o f d m 技术在频域把非平坦的频率选择性信道分成许 多正交子信道，在每