（信号与信息处理专业论文）mimoofdm系统的信道估计及其在不等差错保护视频传输中的应用.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 m i m o o f d m 技术将o f d m 与空时编码技术有机结合在一起，可以有效的抵抗多径 衰落，大幅度地提高系统容量和传输速率，是未来移动通信最关键的技术之一。然 而其前提是接收端必须能获得较准确的信道信息，以正确地恢复被干扰和噪声污染 的信号。因此，信道估计是保证m m o o f d m 系统传输质量，发挥其优越性的关键。 本文研究了m i m o - o f d m 系统中的非盲信道估计技术，给出了几种相应的估计算法及 其改进算法。仿真分析发现，基于训练序列的时域判决反馈与f i r 维纳滤波相结合 的改进估计算法在慢衰落信道中体现了良好的系统性能。运算量相同的情况下，慢 衰落信道中低阶可分离维纳滤波( s v d ) 估计器与二维m m s e 估计器、可分离的f i r 维纳滤波估计器相比具有最佳的系统性能；而在快衰落信道中，可分离的维纳滤波 估计器的误符号率最小，低阶可分离维纳滤波估计器的误符号率仅在高信噪比时变 差，出现了误差地板( e r r o rf l o o r ) 。另外，简化的二维导频辅助估计算法在慢衰 落和快衰落信道中均体现了良好的性能，且其复杂度大大的降低。 论文还对m i m o o f d m 系统中不等差错保护( u e p ) 视频传输进行了研究。仿真分 析发现，与传统基于f e c 的u e p 机制以及无u e p 机制相比，使用基于子信道分割的 u e p 机制的系统性能有明显提高，并且基于训练序列的信道估计改进算法适用于该 系统。 关键词：空时编码、信道估计、维纳滤波、不等差错保护、子信道分割 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c l - m i m o - o f d miso n eo ft h ek e yt e c h n i q u e si nf u t u r ew i r e l e s sc o m m u n f c a t i o n s y s t e m s i tc a nc o m b a tm u l t i p a t hd e l a ys p r e a da n di n c r e a s es y s t e mc a p a c i t y o v e rw i r e l e s s1 i n k sb yt h ec o m b i n a t i o no fo f d mw i t h s p a c e t i m ec o d i n g h o w e v e r ，t h ep r e m i s ei st h a tr e c e i v e rc a ng e tc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o nt o r e c o v e rt h et r a n s m i t t e ds i g n a lc o r r e c t l y s oc h a n n e le s t i m a t i o ni se s s e n ti a l i nm i m o o f d m s y s t e m s i nt h i sp a p e r ，w ed i s c u s st h en o b l i n dc h a n n e l e s t i m a t i o nt e c h n i q u ei nm i m o o f d ms y s t e m sw i t ht h ee m p h a s i so n t r a i n i n g s e q u e n c eb a s e da n dp i l o tb a s e dm e t h o d s a n ds o m eb a s ea n di m p r o v e da l g o r i t h m s a r eg i v e nr e s p e c t i v e l y a f t e rc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，w ed e m o n s t r a t et h a tb y c o m b i n i n gt i m ed e c i s i o nf e e d b a c ka n dw i e n e rf i l t e r i n g ，t h et r a i n i n gs e q u e n c e b a s e di m p r o v e dc h a n n e le s t i m a t o ro f f e r s g o o dp e r f o r m a n c e a tt h es a m e c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y ，t h e1 0 w r a n ke s t i m a t o rh a st h eb e s tp e r f o r m a n c e i nas l o w f a d i n ge n v i r o n m e n tc o m p a r e dw i t h o p t i m u mm m s ee s t i m a t o ra n d s e p a r a t ew i e n e rf i l t e r i n ge s t i m a t o r w h i l ei naf a s t f a d i n ge n v i r o n m e n t ， s e p a r a t ew i e n e rf i i t e r i n ge s t i m a t o rh a s t h el e a s t s y m b o le r r o rr a t e l o w r a n ks e p a r a t ew i e n e rf ii t e r i n ge s t i m a t o rw ill h a v ea ne r r o rf l o o rw i t h ah i g hs n r i na d d i t i o n ，t h es i m p l i f i e dp i l o ta i d e dc h a n n e le s t i m a t o rs h o w s ag o o dp e r f o r m a n c ea tal o wc o m p l e x i t y w ea l s o a n a l y z e t h e u n e q u a le r r o rp r o t e c t i o ns c h e m ef o rv i d e o t r a n s m i s s i o ni nm i m o o f d m s y s t e m s s i m u l a t i o n si n d i c a t es u b c h a n n e l p a r t i t i o n i n gb a s e du n e q u a le r r o rp r o t e c t i o ns c h e m eh a sab e t t e rp e r f o r m a n c e c o m p a r e dw it ht r a d i t i o n a lf e cb a s e du n e q u a le r r o rp r o t e c t i o ns c h e m e a n d t h et r a i n i n gs e q u e n c eb a s e di m p r o v e dc h a n n e le s t i m a t o ri ss u i t a b l ei nt h i s s y s t e m k e y w o r d s ：s p a c e t i m ec o d i n g ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，w i e n e rf i l t e r i n g u n e q u a le r r o rp r o t e c t i o n ，s u b c h a n n e lp a r t i t i o n i n g 儿 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学信号与信息处理 研究方向： 图像处理与多媒体通信 作者：2 0 0 3 级研究生孙健指导教师塞建堑 题目：m i m o o f d m 系统的信道估计及其在不等差错保护 视频传输中的应用 英文题目：c h a n n e le s t i m a t i o nf o rm i m o o f d ms y s t e ma n d i t sa p p l i c a t i o n si nt h eu e pf o rv i d e ot r a n s m i s s i o n 主题词：空时编码信道估计维纳滤波不等差错保护 子信道分割 k e y w o r d s ： s p a c e t i m ec o d i n g c h a n n e le s t i m a t i o n w i e n e rf i l t e r i n g u n e q u a le r r o rp r o t e c t i o n s u b c h a n n e lp a r t i t i o n i n g 南京邮电大学学位论文独创性声明 x 8 5 1 0 1 1 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：礁日期：型， 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：遗师签名 期：? 毛i l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 第一章引言 本章将分析无线信道的衰落特性，提出本课题的主要研究任务和意义，同时给 出本论文的主要内容与章节安排。 1 1 无线信道衰落特性 无线信道中，发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，既有简单的直线传播 ( 也称视距传播) ，也可能遇到物体而产生反射信号，同时移动站的运动对信号电平 的衰落规律也会产生影响。因此无线信道不像有线信道那样是固定并可预见的，而 是具有极大的随机性。 无线衰落信道主要体现出多径效应和时变性两个特征 1 。多径效应是由于电波 传播路径上的建筑物、树木、地形等障碍物的反射、散射和绕射造成的。各条路径 的长度不同，因而信号到达时间就不同，造成接收信号脉冲展宽的现象，称为时延 扩展。这个特性称为信道的时间色散，导致频率选择性衰落，即同一个信号中不同 的频率成分体现出不同的衰落特性。时变性是由于目标用户和障碍物之间的相对运 动产生的，指衰落信道的传递函数是随时间变化而变化的，也就是在不同时刻发送 相同的信号，在接收端收到的信号是不同的。时变性在移动通信系统中的具体体现 就是多普勒频移，会造成信道的频率色散，导致时间选择性衰落。无线信道的多径 效应和时变性分别引起了传输信号的时延扩展和多普勒扩展。时延扩展是信号在时 域上的扩展，而多普勒扩展则是信号在频域上的扩展。 信号通过无线信道时，信号参数与信道参数共同决定了衰落的类型。主要有以 下几种分类： 1 快衰落：在城市环境中，一辆快速行驶车辆上的移动台的接收信号在一秒钟 之内的显著衰落可能达到数十次，而且衰落深度可能达到3 0 d b 以上。这种衰落现 象严重恶化接收信号的质量，影响通信的可靠性，称为快衰落。 2 慢衰落：接收信号除瞬时值出现快衰落之外，场强中值( 平均值) 也会出现缓 慢变化。主要是由地区位置的改变以及气象条件变化造成的，以致电波的折射传播 随时间变化而变化，多径传播到达固定接收点的信号的时延随之变化。这种由阴影 南京邮电人学硕士研究生学位论文 第一章引言 效应和气象原因引起的信号变化，称为慢衰落。 3 频率非选择性衰落：平坦衰落是指信号的带宽比信道带宽窄，各种频谱分量 能以相同的衰落增益通过信道，经历一种平坦的衰落过程，这种衰落在窄带通信中 最为常见。在这种衰落情况下，信道的多径结构并未使信号的频谱特性发生变化， 但由于衰落使信道的增益呈现时变特性，接收信号会随时间的变化而变化。这种衰 落实际上就是单径信道模型。 4 频率选择性衰落：当信号的带宽大于信道带宽时，则必定有部分信号频谱信 道的恒定衰落段之外，其经历的衰落与其它部分不一样，信号频谱中的某些频率成 分相比其它的成分获得了不同的增益，信道就会使信号经历频率选择性衰落。 总而言之，无线信道包括了电波的多径传播，时延扩展，衰落特性以及多普勒 效应。信号从发射天线经过时变多径的无线信道到达接收天线，会产生时间选择性 衰落和频率选择性衰落。在无线通信中，必须充分考虑这些特性 2 。如何实现高 速的无线数据传输、如何提高频谱效率是新一代无线通信系统 3 4 必须解决的难 题。 1 2m i m o o f d m 系统的信道估计概述 1 2 1o f d 8 与m 1 8 0 技术的联合 正交频分复用( o f d m ) 在频域把信道分成若干正交子信道，频谱相互重叠，减 少了子信道间干扰( 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 ) 。此外，通过在o f d m 中添加循环前 缀( c p ) 进一步增强其抗多径衰落的能力 5 6 。o f d m 技术以其抗多径能力强， 频谱利用率高等优点在实际中得到了广泛的应用，如：h d s l 、a d s l 、d a b 和d v b ， 无线局域网i e e e 8 0 2 1i a 和h i p e r l a n 2 ，以及无线城域网i e e e 8 0 2 i ( 5 等等。 多输入多输出( m i m o ) 技术 7 不但可以成倍地提高衰落信道下的系统容量，而 且如果进一步将其与信道编码技术相结合，可以大大提高通信系统的性能。空时编 码技术难是在此基础上发展起来的一种新的编码和信号处理技术，它将信道编码技 术与阵列处理技术相结合，大幅度地提高无线通信中的系统容量和传输速率，为解 南京邮电人学硕上研究生学位论文 第一章引言 决无线信道的带宽问题提供了一条新的途径。 对于频率选择性深度衰落，m i m o 系统的抗多径衰落特性依然是无能为力。特别 地，作为m i m o 系统关键技术的空时编码( s t t c ，s t b c ) 最初的设计都是应用于窄 带无线系统平坦衰落信道。而o f d m 可将频率选择性衰落信道转换为独立并行平坦 衰落子信道。因此，一种有效的设计方法就是将m i m o 与o f d m 相结合，将频率选择 性衰落信道转化为若干并行平坦衰落子信道，这样的系统不但具有空时编码带来的 分集增益和编码增益，同时兼得o f d m 接收机均衡器结构简单的优点。事实上，由 于移动通信中多普勒频移的存在，使得o f d m 系统予载波之间的正交性较难得到保 证，从而影响系统误比特性能。而利用空时码不同天线、不同时刻发射序列之间的 正交性可以帮助克服o f d m 在快速移动条件下证交性受损的不利情况。因此，m i m o 与o f d m 在技术上相互补充、相得益彰，而两者有机相结合而成的m i m o o f d m 系统 更是成为了未来无线通信系统的一种非常关键的技术，具有非常广阔的研究和发 展前景 8 9 。 1 2 2 m o - o f d m 信道估计的意义 m i m o o f d m 技术可以大大的提高信道容量和传输速率，可以有效的抵抗衰落、 抑制干扰和噪声，是未来无线通信最有前途的技术之一。然而其前提是接收端必须 能获得较准确的信道信息，对来自各发送天线的信号进行很好的去相关处理，以正 确地恢复被干扰和噪声污染的信号。这些都需要对信道进行比较精确的估计。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。 在以往s i s o o f d m 系统中，信道估计算法已经有了较深入的研究，目前已经提 出的信道估计方法可以大致分为： 1 非盲估计 10 ：按一定估计准则确定各个待估参数值，或者按某些准则进行 逐步跟踪和调整待估参数的估计值，其特点是需要借助参考信号( 导频或训练序 列) 。 2 盲估计：利用调制信号本身固有的、与具体承载信息比特无关的一些特征( 如 恒模、予空间、有限符号集、循环平稳等) 来进行信道估计的方法。 3 半盲估计：结合盲估计与非盲估计这两种方法优点的信道估计方法。 在m i m o o f d m 通信系统中，空时信道的估计及其信号检测较普通s i s o o f d m 系 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 统更具挑战性。特别是空时信道的估计与跟踪，对最后的误码性能和系统容量有很 大的影响。无线m i m o 信道的复杂性主要表现在两个方面，一是快速移动通信环境 所导致的信道时变特性；二是当多径时延扩展大于码元周期时，多径衰落使得空时 m i m o 信道变成频率选择性衰落信道，对它的估计与跟踪相对困难。 近年来，m i m o 信道的盲估计技术 1 1 - 1 7 有了很大的发展，它不需要训练序列， 只利用接收信号的特征来完成信道估计，一般是利用数字通信信号的常模量、有限 符号集、循环平稳、非高斯分布等特性。比较实用的方法是三大类，即常模量算法、 子空间分析法( 有噪声子空间、信号子空间、迭代投影、线性预测分析等多个子类) 和最大似然( m l ) 估计法，它们都可以估计频率选择性的f i r 矩阵信道。但是盲估 计方法都有一些共同的缺陷，即收敛慢或易陷入局部极小、需要较长的观测数据、 对噪声较敏感等等，这在一定程度上限制了它们的实用性。 本文将研究m i m o - o f d m 系统的非盲信道估计技术。由于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， 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，因此传统的 s i s o o f d m 非盲信道估计算法无法直接用于m i m o o f d m 系统中。m i m o o f d m 系统中 的非盲信道估计仍然是一个充满挑战且极具意义的研究领域。 另外，第四代移动通信系统( 4 g ) 也被称为“多媒体移动通信系统”，它提供的通 信服务将不仅包括传统的语音、数据，同时还将包括图像、视频等各个方面。研究 m i m o o f d m 系统中的视频通信具有很深远的意义。因此，本文在探讨m i m o o f d m 系 统的信道估计技术的同时，还对m i m o o f d m 系统中视频传输的不等差错保护机制进 行了研究。 1 3 论文主要工作及内容安排 本论文围绕m i m o o f d m 系统的非盲信道估计技术及该系统中视频传输的不等差 错保护机制展开了研究，研究过程中采取了理论分析与仿真相结合的手段，在理论 和实践方面验证了研究的正确性和可行性。 论文主要工作包括以下两个方面： 一、对m i m o o f d m 系统的基于训练序列和导频辅助两类信道估计方法进行了研 究。首先分析了最优训练序列的设计和时域估计判决反馈基本算法，并将其与f i r 南京邮t 乜大学领+ 研究生学位论文第一章引言 维纳滤波器相结合进行了改进。接着，研究了时频= 维导频辅助信道估计算法，分 析了导频图案的选择及f 交导频信号组的设计，并将s i s o o f d m 系统中的二维删s e 估计、可分离的f i n 维纳滤波估计和低阶可分离维纳滤波( s v d ) 估计三种时频二 维导频辅助信道估计算法应用于m i m o - o f d m 系统中，最后针对时频域二维m m s e 估 计算法计算复杂度太大的问题，利用无线信道时频分离特性对该算法进行了简化。 二、对m i m o o f d m 系统中视频传输的不等差错保护机制进行了研究。首先分析 了上层视频数据的分割与合并。接着对m i m o o f d b i 系统基于子信道分割的不等差错 保护机制进行了研究，同时将基于训练序列的时域判决反馈与维纳滤波相结合的信 道估计算法应用于此系统中。并与传统的基于f e c 的不等差错保护机制进行了仿真 比较。 论文共分为五章，结构安排如下： 第二章以m i m o o f d m 技术为核心，分别阐述了o f d m 的基本原理及实现关键，m i b i o 的基本原理、信息理论及空时编码等。 第三章研究了m i m o - o f d m 系统的非盲信道估计技术。首先分析了最优训练序列 的设计、基于训练序列的信道估计基本算法及改进算法，接着对导频辅助信道估计 技术进行了研究，分析了正交导频信号组的设计、二维导频辅助估计算法及其简化 算法。最后进行了仿真比较。 第四章研究了m i m o o f d m 系统中视频传输的不等差错保护机制。首先分析了基 于h 2 6 3 的视频数据的分割与合并方法，接着对m i m o - o f d m 系统中基于子信道分割 的u e p 机制及传统的基于f e c 的u e p 机制进行了研究，并将基于训练序列的信道估 计改进算法应用于此系统中。 第五章总结了全文内容，提出了本课题有待于进一步深入研究的问题，并展望 了该领域的研究发展趋势。 南京邮电人学硕l 。研究生学位论义 第二章o f d m jm i m o 技术基奉原理 第二章o f d m 与m i m o 技术基本原理 本章将详细阐述o f d m 与m i m o 技术的基本原理及实现关键，以体现o f d m 与m i m o 技术的优势。 2 io f d m 的原理及关键 o f d m 是一种特殊的多载波调制( m c m ) 技术 1 8 1 9 。它将信道划分成正交的 子信道，允许频谱交叠，从而能更有效地利用频谱资源，在每个子信道上进行窄带 调制和传输，信号带宽小于信道的带宽。本节将介绍o f d m 的基本原理及其f f t 实 现，并讨论循环前缀( c p ) 技术的引入。 2 1 1o f d m 的基本原理 设o f d m 信号的发射周期为 0 ，t ，在一个周期内传输的个符号为 ( x o ，x l ，x 。) ，x k 为复数。 以 是一组载波，各载波的频率关系为： 五) = 正+ k z f 女= o ，1 2 ，n 一1 ( 2 1 ) 式中，工为系统的发射载频，a f 为子载频问的最小间隔，一般取矽= 砉。 作为载波的信号组为： 引归憎。，篡丁， 她z ， 其频谱相互交叠，如图2 i 所示。矾( ，) 满足正交条件： e g 。( ，) 西( o a t = 0 七女 ( 2 3 ) 以及 e 鼬) i d t = 丁 ( 2 4 ) 其中符号十为复共轭。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第矗二章o f d m 与m i m o 技术基本原理 图2 1g 。( ，) 的信号频谱g ( 厂) 让第k 个符号以调制第k 个载波信号既( f ) ，合成的信号为： n i n l x ( ，) = x g ( f ) = x , e 门和 ( 2 5 ) k = 01 0 0 此处z ( ，) 即为正交频分复用( 0 f d m ) 信号。 符号虬可由下式解调出： 五= e x ( ，) g ：o ) a t ( 2 6 ) 由上可见，正交频分复用与一般频分复用的主要区别是，它不同载波的频谱如 图2 1 所示那样可相互交叠，因此给出了最佳的频谱利用率，当用m 进制数字调制 时，频谱利用率可达l o g ：mb p s h z 。需要指出的事，在有些情况下，例如传输信号 的频谱很宽，很难使信号所占的带宽小于4 厂，从而存在残余码间干扰，影响正交 条件。为此，可采取在每个单元信号之前设置保护间隔，以便吸收掉残余的码间干 扰，当然，这要牺牲一些频谱利用率。这部分内容将在后面的章节详细讨论。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章o f d m 与m i m o 技术基本原理 2 1 2o f d m 的f f t 实现 二园一 i 艚 五史 + 毯卜 s 伊 目 五一点 叫石卜 融回3 一 一一 七团三 p ，s 坛碑 图2 2o f d m 系统的等效复基带框图 等效复基带o f d m 系统如图2 2 所示，图中x ( t ) 为采用等效复基带信号来描述 o f d m 的输出信号， z ( f ) ：芝丑。m 争r ( 2 7 ) 如以工= 丢为采样频率对x p ) 采样，其中为符号序列( 托，墨，x 。) 的时间 i u j ，显然r ：a r t ，i 园l l t o ，r 内共有三：个样值 ， 铲酬j t 2 荟五。1 ( 2 8 ) 由( 2 8 ) 式可见，t 等效为对以进行i d f t 运算。同样在接收端，为了恢复出原始 的数据符号丑，可以对_ 进行逆变换，即d f t 得到 一l 五= x i e ”0 k n 一1 ( 2 g ) i = 0 根据上述分析可以看到，o f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t d f t 来代替。 通过| v 点i d v i 运算，把频域数据符号z 。变换为时域数据符号薯，经过射频载波调 制后，发送到无线信道中。其中每一个 d f t 输出的数据符号置都是由所有子载波 信号经过叠加而生成的，即对连续的多个经过调制的子载波的叠加信号进行抽样得 到的。 南京邮i u 大学硕l 。研究生学位论文第一二章o f d ml jm i m o 技术基本原理 在0 f d m 系统的实际应用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立叶变换 ( f f t i f f t ) 。n 点i d f t 运算需要实施2 次的复数乘法，而i f f t 可以显著地降低 运算的复杂度。对于常用的基2i f f t 算法来说，其复数乘法的次数仅为 ( n 2 ) l o g ：( ) ，以1 6 点的变换为例，i d f t 和i f f t 中所需要的乘法数量分别是2 5 6 次和3 2 次，而且随着子载波数个数的增加，这种算法的复杂度之间的差距也越 明显，i d f t 的计算复杂度会随| v 增加而呈现二次方增长，i f f t 的计算复杂度的增 加速度只是稍快于线性变换。 2 1 3 循环前缀的引入 0 f d m 技术可以有效地克服多径时延扩展。通过把高速数据流分散到v 个并行的 正交子载波上传输，使得每个用于去调制子载波的数据符号周期扩大为原始数据符 号周期的倍，因此时延扩展与符号周期的比值也同样降低倍。为了最大限度地 消除符号间干扰( i s i ) ，还可以在每个0 f d m 符号之间插入保护间隔( g u a r d i n t e r v a l ) ，而且该保护间隔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。保护间隔可以不插入任何信号，但 是这样只能克服两个符号之阳j 的i s i ，不能恢复该符号内部遭到破坏的子载波间的 正交性，信道问干扰( i c l ) 2 0 仍然存在。为此，引入循环前缀( c p ) 作为保护 间隔，如图2 3 所示。它可将信道与信号的线性卷积转换为圆周卷积，从而消除符 号间的i s i 和符号内部的i c l 。 | ，复制 复制、 缀隧搦缓搦 一i i 1 。， hh 一 保护m 隔 图2 3 循环前缀示意图 由式( 2 9 ) 可以看出，发送至信道上的样值置是经i d f t 后的信号，是周期为 的周期信号的主值。这样的信号经过信道，与信道脉冲相应是圆周卷积的关系。而 9 南京邮电人学硕上研究生学位论文第二章o f d m 与m i m o 技术基本原理 实际传输式，都进行了线性卷积，如何用线性卷积去实现所要求的圆周卷积呢? 理 论上，需要将有限长序列周期延拓，进行线性卷积，再将结果取主值。事实上，只 需在x ( o ) 前面加上l 个值：x ( n 一工) ，x ( n i ) ，也就是加循环前缀，使传入信道 的符号序列中有+ 上个信号样值，这样经过信道线性卷积后的后_ v 个值正好与圆 周卷积结果吻合。所以实现系统是应在i d f t 之后加入三个循环前缀，再送入信道。 接收端在d f t 解调之前应丢掉每个字符序列的前个值。 o f d m 系统中加入循环前缀，会带来功率和信息速率的损失，其中功率损失可以 定义为： 7 1 v = 1 0 1 0 9 l o ( 睾+ 1 ) ( 2 1 0 ) 上式可以看到，当循环前缀占到2 0 时，功率损失不到i d b 。但是带来的信息速率 的损失达到2 0 。然而由于插入循环前缀可以消除i s i 和多径所造成的i c i 的影响， 因此这个代价是值得的。加入循环前缀后基于i d f t ( i f f t ) 的0 f d m 系统框图可以 表示为图2 4 。 图2 4 加入循环前缀，采用i f f t f f t 实现的o f d m 系统框图 当循环前缀的长度瓦和信道的脉冲相应的长度f 。之间满足疋f 。的要求 时，就可以完全克服i s i 的影响，同时保持子载波问的正交性，完全消除i c i 的影 响。此时，0 f d m 系统的输入信号和输出信号在频域有如下的表达式成立： k = 峨五十吼k = 0 , i ，n 一1 ( 2 1 1 ) 其中，h 。表示第k 个子载波上的信道频率响应，表示第k 个子信道上的加性复 高斯白噪声。由上式可见，o f d m 系统的接收端只要估计出。，就可以用一个简单 南京郏电大学硕士研究生学位论文 第二章o f d m 与m i m o 技术基本原理 的除法消除信道的影响，得到传送数据，而不需要像单载波系统那样进行复杂的时 域均衡了。 2 2m i m 0 的原理及实现 无线通信系统中的m i m 0 技术 8 指的是在传输链路的发送端和接收端都配备多 个天线单元，形成天线矩阵，这样在接收端通过基带数字信号处理器，对各个天线 链路上接收到的信号按一定算法进行合并，从而信号质量和系统容量都得到显著提 高。 m i m 0 技术是现代通信的一个重要技术突破。一方面该技术打破了无线通信的容 量瓶颈。现代信息论说明，m i m 0 技术能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。另一方面，可将多径传播这一传统的无线传输的不利条件转 变为对用户有利的条件。 本节的后续部分为m i m 0 技术的几个重要概念：m i m 0 系统的信息理论、分集概 念、空时编码原理。 2 2 1 m o 系统的信息理论 a 基本的信息理论 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 ，s i s 0 ) 系统的无记忆信道的信道 容量是： c = l 0 9 2 ( 1 + p i h l 2 ) b p s h z ( 2 1 2 ) 其中p 是接收天线上的信噪比，h 是归一化恒参信道复增益。 如果增加接收端的天线数目，那么单输入多输出( s i n g l ei n p u tm u l t i p l e o u t p u t ，s i m 0 ) 系统的无记忆信道的信道容量： c ：1 。9 2 ( 1 + p 釜l h k1 2 ) b p s h z ( 2 1 3 ) z 】 其中n 。是接收端的天线数，魂( t = 1 ，n e ) 是发射端天线( 仅一个天线) 与接收端第 k 个天线之间的增益。 相似地，多输入单输出( m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ，m i s 0 ) 系统的无记忆 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章o f d m 与m i m o 技术摹本原理 信道的信道容量： c - 1 0 9 2 ( 1 + 彘善2 ) 舾舷 ( 2 1 4 ) 其中n t 是发射天线数，h k ( k = 1 ，n ，) 是发射端第k 个天线与接收端天线( 仅一个天 线) 之间的增益。在上式中，之所以除以，是为了保持发射端总的发射功率不增 加。 有了上述的准备，就可以得到m i m 0 系统的无记忆信道的信道容量： c 。札s ：d e t ( i n + - 番, rh h ”， 咖，舷 眨旧 式( 2 1 4 ) 和式( 2 1 5 ) 都是假设各发射天线的功率是相等的。式( 2 1 5 ) 中下标e p 是 e q u a lp o w e r 的意思。 b m 0 系统的容量 2 1 m i m 0 ( n ，n 。) 系统的信号模型为： r = 胁+ 珂( 2 1 6 ) 其中，是接收到的n 。1 向量，h 是信道的n r n ，矩阵，s 是发射的，l 的向 量， 是。x l 的加性噪声向量。 令q 是式( 2 1 6 ) 中向量s 的协方差矩阵，则式( 2 1 5 ) 所描述的系统的信道容 量： c = i 。9 2 d e t ( i + h q h ”) 】b p s h z ( 2 1 7 ) 其中，t r ( q ) 蔓p 以保证整个发射功率不因增加了发射天线而增大。如果各发射天线 的发射功率是相等的，即q = ( p n ，) ，。，此时式( 2 1 7 ) 就是式( 2 1 5 ) 。当然，发 射功率相等并不是最优的。所谓的“最优”是指信道容量c 取得最大值。通过反馈 使得发射端获得信道信息，并且以此为据调整各天线的发射功率( 也就是调整矩 阵q ) ，就能使得信道容量达到最大。 式( 2 1 5 ) 可以写成如下形式： 堕塞塑皇查兰堡土里! 塞生兰垡丝兰 笙三兰竺! 里坚! 坚! 型旦望查苎：! ：! 里 c 。= 舡。( ，+ 彘 驯胁 限 其中 ( 女= l ，脚) 是矩阵w 的非零特征值，州= m i n ( n ，月) 。 式( 2 1 8 ) 可以有两种方法得到。一是直接应用特征值的性质。二是将m i m o 系统 等效为m ，个s i s o 系统。这里讨论第二种方法。令h 的奇异值分解( s i n g u l a r v a l u e d e c o m p o s i t i o n s v d ) 为h ：u d v ”，其中，u 和v 是正交( 或酉) 矩阵，d 是对角 矩阵，并且有d = d i a g ( v r 石，、万一0 ，o ) 。因此，式( 2 1 6 ) 以写成： 芦：d y + 鬲 ( 2 1 9 ) 其中芦：u m r ，i ：矿”s ，万= u ” 。式( 2 1 9 ) 就是将m i m o 系统分解成m 个并行的 s i s 0 系统。 因此，信道容量就能以矩阵w 的特征值的形式表示。在r a y l e i g h 衰落条件下， 矩阵w 被称为w i s h a r t 矩阵。在2 0 世纪2 0 年代，w i s h a r t 矩阵就己被广泛研究了。 已经有了较多的研究成果。 前面己经提到，式( 2 1 7 ) 中，如果发射端知道了信道参数，亦即对发射端而 言是已知的，那么通过调整9 就可以使信道容量c 达到最大。当然q 是有限制条件 的，即护( q ) s p 。这就是信息论中的注水定理( w a t e rf i l l i n g ，w f ) 。发射端已知 信道参数的前提下，信道容量： 其中，必须满足 这罩d + 1 , d a s 。o a c 。= l 0 9 2 ( 肼，) + b p s l h z ( 2 2 0 ) p = ( 口- , t 7 ) + ( 2 2 1 ) 由式( 2 2 1 ) 可知，t 是关于( ，如，厶) 的较复杂的非线性函数，所以c 0 的分 布较难处理。通常的做法是借助计算机仿真获得。 如果发射端不知道信道参数，那么信道容量就是式( 2 1 5 ) 。 南京邮电人学硕上研究生学位论文 第二章o f d m 与m i m o 技术基本原理 2 2 2 分集技术与空时编码 在无线移动通信中，信道特性是十分复杂的。载有信息的信号电磁波在无线信 道传输过程中要经过反射、折射、散射、阴影效应、多普勒效应、多径效应等作用， 从而产生多种衰落现象。衰落效应严重影响无线移动通信的性能。分集技术能十分 有效地克服衰落效应。 分集技术主要有以下三种方式：时间分集、频率分集和空恻分集( 又称天线分 集) 。携带信息的符号在不同的时间槽内重复发送，此时相邻的两时间槽间距大于 信道的相关时间出，或者采用纠错编码加交织，这样信号将在时间域内引入冗余 度，实现时间分集。当信号以多载波方式发送，此时相邻两载波间距大于信道相关 带宽够，或以扩频方式发送时，信息将在频率域引入冗余度，此时可以实现频率 分集。这两种分集方式都可以在牺牲频率利用率为代价下提高系统性能。然而，使 用多个发射天线和多个接收天线可以在不降低频率利用率条件下实现天线分集。在 发射端和接收端安置多个天线，天线之间相隔足够远( 实际上在基站天线相隔1 0 倍载波波长：在移动台天线相隔半载波波长即可) ，此时各天线可以认为互不相关， 从而在发射端与接收端之间构筑多条相互独立分布的通道，实现空间分集( 天线分 集) 。 在实现空间分集时，信号既没有在时间域内引入冗余，也没有在频率域内引入 冗余，因此空间分集没有降低频带利用率，这对高速传输特别有利。实际上在多天 线传输模式下，信号虽然在时间域和频率域都没有引入冗余，但是信号赋予了一定 的空间结构，在空间域上引入冗余，因此提高了传输性能。现在的信息理论结果表 明，多天线系统在信道容量上比单天线系统有显著的提高，这些增加的信道容量可 以用来提高信息传输速率，也可以不提高信息速率而通过增加信息冗余度来提高通 信系统的性能，或者在两者之间取一个合理的折衷。 空时编码 2 2 2 3 是在m i m 0 系统中的一种空域、时域联合编码调制方案，它可 以利用多发送天线的空问分集和采用信道编码和交织的时间分集。根据是否基于发 射分集，空时编码主要有不基于发射分集的分层空时码( 1 a y e r e ds p a c e t i m e c o d i n g ) 以及基于发射分集的空时格码( s p a c e t i m et r e l l i sc o d i n g ) 、空时分组 码( s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ) 两大类。 南京邮f 乜人学硕士研究生学位论文第二章o f d m 与m i m o 技术基本原理 a 分层空时码 贝尔实验室的f o s c h i n i 等人在对m i m 0 信道容量研究的基础上，首先提出了分 层空时编码技术 2 4 。分层空时编码将信源数据分为若干子数据流，独立地进行编 码、调制，不同的子信息流在同一频段同时发送，因而它不是基于发射分集的。分 层空时码牺牲了分集增益以获得高的频带利用率，并利用多径提供的空间并行性来 提高比特率。因此与传统的系统相反，分层空时码系统中多径越多，数据传输越好。 其译码方法与多用户检测类似，通过迫零、符号删除、信号补偿等步骤来实现。检 测技术复杂，实现有一定困难。受限于检测算法，接收天线的数量不得小于发送天 线的数量。 & 空时格码 空时格码( s t t c ) 2 5 最初由v t a r o k h 等人提出，它将格型编码调制( t c m ) 与发射分集相结合，可以同时获得分集增益和编码增益。其译码利用v i t e r b i 算法 通过加一比一选来实现。空时格码可以获得最大分集增益，在各种信道下均有良好的 性能。但是，空时格码的频带利用率不随天线个数增加而增加，也就是说，该方法 是以部分频带利用率为代价柬换取最大分集增益。另外，空时格码在状态数较大的 情况下，好码的格图设计十分困难。且其译码复杂度非常大，与分集度和传输速率 成指数关系。这些都极大的限制了空时格码的应用。 c 空时分组码 空时分组码( s t b c ) 2 6 2 9 是在正交发射分集的基础上发展起来的。与空时格 码相比，分组空时码构造容易，译码复杂度低，因而得到了广泛的应用。本文中的 m i m 0 实现方案即为空时分组码。空时分组码可以被应用到任意多个发射天线和接收 天线的情况。为简明起见，这里先以两个发射天线的基本情况为例介绍分组空时码 的编译码方法。 熟。= 巴 图2 5 二天线空时分组码发射端框图 如图2 5 所示，从信源来的输入信息先进行星座映射。设基带传输用含2 6 个元 南京邮l 乜大学硕j 二研究生学位论文 第二章o f d m 与m i m o 技术基本原理 素的星座a 。每个符号周期内，2 6 比特信息映射成星座信号s ，和s ：，在该周期的第 一个时隙，天线l 发射信号s ，同时天线2 发射信号s ：；第二个时隙时，天线1 发 射信号一。而天线2 则发送s ：。这里，我们可以用发射矩阵g 来表示这种时间和 空间上的发射信号关系。