（通信与信息系统专业论文）宽带无线接入系统中的信道估计技术.pdf

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的结合在一起，能够大幅度 地提高无线通信系统的信道容量，并能有效地抵抗多径衰落、抑制二i 二扰和噪声， 从而引起了通信界的广泛关注。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。为了准确地恢复传送信号，我们必须知道信 道状态信息。本文简要地介绍了宽带无线接入标准i e e e 8 0 2 1 6 e ，结合该标准研究 了m i m o o f d m 系统中信道估计这一关键技术，深入地探讨了基于训练序列和基 于导频符号的信道估计方法，给出几种相应的信道估计算法以及它们的改进算法。 最后结合m a t l a b 仿真对这些算法的有效性和可行性进行了全面地分析与比较。 关键词：信道估计多输入输出正交频分复用i e e e 8 0 2 1 6 e a b s 仃a c t t h ec o m b i n n t i o no fo f d mw i t hs p a c e t i m ec o d i n gh a sr e c e i v e dm u c ha t t e n t i o n r e c e n t l yt oc 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 yo v e rw 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 s ，c h a n n e lp a r a m e t e r sa r en e e d e di no r d e rt oc o h e r e n t l yd e c o d e t h et r a n s m i t t e ds i g n a l i nt h i sp a p e r ，t h ei e e e 8 0 2 1 6 ew a si n t r o d u c e dc o n c i s e l y ，t h e p r i n c i p l e o fm i m o o f d m s y s t e m b a s e do nt h ei e e e 8 0 2 16 ea l s o a n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，t h ec h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u ei n t h a tm i m o o f d ms y s t e mi s i n v e s t i g a t e d ，w i t ht h ee m p h a s i so nt r a i n i n gs e q u e n c e b a s e da n dp i l o t b a s e dc h a n n e l e s t i m a t i o nm e t h o d s ，a n da l g o r i t h m sa r eg i v e nr e s p e c t i v e l y a sav e r ya c t i v ea l s os e v e r a l b a s i ca n d i m p r o v e da l g o r i t h m sa r eg i v e nr e s p e c t i v e l y f i n a l l y ，t h ea n a l y s i sa n d c o m p a r i s o no ft h e s ea l g o r i t h m si sm a d eb yc o m p u t e rs i m u l a t i o n k e y w o r d ：c h a n n e le s t i m a t i o nm i m o o f d mi e e e 8 0 2 1 6 e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：陈礁进 导师签名础 日期血皿埠 日期塑：1 1111 翌 ， 第一章绪论 第一章绪论 随着社会发展，人类对通信的需要日益迫切，对通信的要求也越来越高。理 想的目标是能在任何时候、在任何地方、与任何人都能够及时沟通联系、交流信 息。近年来，无线通信技术取得了高速的发展，它以比较低的成本提供了高质量 的服务。 1 1 引言 随着无线通信特别是移动通信技术的迅速发展，将宽带技术和无线移动通讯 技术结合而诞生的宽带无线接入技术日益受到人们重视。 目前解决“最后一公里”接入问题的技术主要有数字用户线( x d s l ) ，电缆 ( c a b l e ) 和宽带无线接入( b w a ) ，每种技术都有自己的价格、性能及架设方式。 与d s l 和c a b l e 等有线技术相比，近几年发展起来的b w a 技术具有价格低廉、 架设灵活、维护和升级费用较低等优势。同时，无线通信技术的不断进步使得传 输的有效性和可靠性飞速提高，b w a 作为解决接入网作为解决接入网瓶颈的有效 手段，对新兴运营商来说是一种有效的成本选择，并且随着标准的完善和市场成 熟，b w a 将得到进一步的发展。但是，要想让市场认可b w a 技术，必须解决诸 如频谱效率、网络可扩展性、用户天线设备、可靠传输等重要问题。 在这种形式下，i e e e 针对特定市场需求和应用模式提出了一系列不同层次的 互补性无线标准，其中已经得到广泛应用的标准系列包括应用于无线个域网的 i e e e 8 0 2 1 5 标准和应用于无线局域网的i e e e 8 0 2 1 l 标准，而i e e e s 0 2 1 6 标准的 提出，弥补了i e e e 在无线城域网标准上的空白。在无线宽带业界，以i n t e l 为首 的各厂商于2 0 0 3 年成立了w i m a x ( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) 联盟，旨在推动基于8 0 2 1 6 标准的宽带无线网络的构建，确保b w a 设备的兼容 性和可互操作性。 w i m a x 技术相对于w i - f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ) 的优势主要体现在w i f i 解决 的是无线局域网的接入问题，而w i m a x 解决的是无线城域网的问题。w i - f i 只能 把互联网的连接信号传送到3 0 0 英尺远的地方，w i m a x 则能把信号传送3 l 英里 之远随着无线通信技术的发展，各种无线技术都将根据自己具有的不同的覆盖 范围、不同的适用区域、不同的技术特点和不同的接入速率在这个一体化的网络 中发挥自己的作用，找到自己的天地。而w i - f i 和w i m a x 宽带接入技术，将因其 自己不同的技术特点，在不同覆盖范围或应用区域内，与公众移动通信网络形成 有效互补。 宽带无线接入系统中的信道估计技术 1 2i e e e 8 0 2 1 6 标准概述 以i e e e s 0 2 1 6 系列标准为代表的无线城域网( w i r e l e s s m a n ) 技术，可以实 现信号覆盖范围高达数千米至几十千米内的无线连接，可用于实现城市范围内信 息汇聚点之间信息交流和网际接入。根据使用频带高低的不同，8 0 2 1 6 系统可分 为应用于视距和非视距两种，其中使用2 i l g h z 频带的系统可以应用于非视距 ( n l o s ) 范围，而使用1 0 6 6 g h z 频带的系统应用于视距( l o s ) 范围。根据是 否支持移动特性，8 0 2 1 6 标准又可分为固定宽带无线接入空中接口标准和移动宽 带无线接入空中接口标准。 8 0 2 1 6 e 标准区别于| i 几个8 0 2 1 6 标准的最大区别在于对移动性的支持。该标 准规定了可同时支持固定和移动宽带无线接入系统，工作在小于6 g h z 适宜于移动 性的许可频段，可支持用户终端以车辆速度移动，同时8 0 2 1 6 d 规定的固定无线接 入用户能力并不受此影响。制定8 0 2 1 6 e 标准的目的，是希望能够提出一种既能提 供高速数据业务又使用户具有移动性的宽带无线接入方案。i e e e 于2 0 0 5 年1 2 月 通过8 0 2 1 6 e 标准，正式命名为8 0 2 1 6 e 一2 0 0 5 1 1 1 。空中接c i 由物理层和m a c 层组 成。下面简单介绍m a c 层和物理层的功能。 1 m a c 层简介 8 0 2 1 6 e 的m a c 层各个子层的功能概括如下： ( 1 ) c s 子层：其主要功能是负责将其业务接入点( s a p ) 收到的外部网络数掘 转换和映射到m a c 业务数据单元( s d u ) ，并传递到m a c 层业务接入点( s a p ) 。 具体包括对外部网络数掘s d u 执行分类，并映射到适当的m a c 业务流和连接标 以符( c i d ) 上。协议提供多个c s 规范作为与外部各种协议的接口。 ( 2 ) c p s 子层：它是m a c 的核心部分，主要功能包括系统接入、带宽分配、 连接建立和连接维护等。它通过m a cs a p 接收来自各种c s 层的数据并分类到特 定的m a c 连接，同时对物理层上传输和调度的数据实施q o s 控制。通常说的 m a c 层主要指m a cc p s 。 ( 3 ) p s 子层：它是可选部分，主要功能是提供认证、密钥交换和加解密处理。 8 0 2 1 6 e 的安全子层主要可以分为数据包加密封装协议和密钥管理( p k m ) 协议两 部分。 简要介绍m a c 层的三个关键技术： ( 1 ) 移动性的支持：8 0 2 1 6 e 标准规定了一种必选的切换模式，在协议中简称 为h o ，就是通常所说的硬切换。除此以外还提供了两种可选的切换模式：m d h o ( m a c r od i v e r s i t yh a n d o v e r ，宏分集切换) 和f b s s ( f a s tb ss w i t c h i n g ，快速b s 切换) 。 第一章绪论 3 ( 2 ) 节电模式：为了支持移动终端，8 0 2 1 6 e 还定义了2 种节电机制：空闲 模式和休眠模式。空闲模式为b s 提供了一种简单、及时的方法以通知m s 是否 有下行业务发送，同时也减少了来自无业务m s 的小区切换：休眠模式使m s 在 预协商周期内暂时停止与服务b s 的空中接口，从而节约m s 的功耗和服务b s 的空中资源。 ( 3 ) 对q o s 的支持：8 0 2 1 6 e 的m a c 层是基于“连接”的，每个连接由一个 c i d 惟标识，m a c 层针对每个连接可以分别设置不同的q o s 参数，包括速率、 时延等指标以便更好地控制上行数据的带宽分配。 2 物理层简介 8 0 2 1 6 e 协议定义了单载波s c ( 工作在1 0 6 6 0 h _ z ) 、单载波s c a ( 工作在 1 1 g h z 以下频段) 、o f d m 、o f d m a 等四种物理层标准。协议中根据不同的信道 带宽定义了不同的子载波数目，从而可以使系统在抵抗频率选择性衰落和支持移 动性方面取得一个很好的折衷。8 0 2 1 6 e 技术主要应用于小于1 1 g h z 的p m p ( 点 对多点) 系统，具有非视距传播的特点。在许可频段，双工方式可以采用t d d 或 f d d ；在非许可频段，只能采用t d d 双工方式。f d d 需要成对的频率，t d d 则 不需要，而且可以灵活地实现上下行带宽的动态调整。特别地，8 0 2 1 6 e 系统中还 规定了终端可以采用h - f d d ( 半双工f d d ) 方式，降低了对终端收发器的要求， 从而降低了终端成本。 简要介绍物理层的几个关键技术： ( 1 ) 多天线技术：8 0 2 1 6 e 协议中支持m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 和a a s ( a d a p t i v e a n t e n n a s y s t e m ) 两种不同的多天线实现方式。在8 0 2 1 6 e 协议 中，a a s 是一种可选技术，在上下行链路中都可以选择支持i 幺技术。采用a a s 技 术可以提高系统容量、扩大覆盖范围、提高通信的可靠性、降低运营成本等。a a s 技术在实现时既可以采用多波柬选择的方式，也可以采用自适应的方式。m i m o 模 式既包括收发两端均采用多天线的实现方式，也包括传统的发射分集方式。采用 m i m o 技术可以提高通信系统容量、频谱利用率和数据传输速率。 ( 2 ) 信道编码：8 0 2 1 6 e 系统支持多种信道编码，如t a i l b i t i n gc c 、z e r o - p a d d i n g c c 及l d p c 等编码，因此可以根据不同业务的q o s 和传输速率灵活地选择合适的 信道编码方式，不同的参数组合可以得到不同的数据速率，从而提高频谱利用率。 ( 3 ) 链路自适应技术：8 0 2 1 6 e 采用的链路自适应技术主要有子信道化技术、 自适应调制编码技术、混合自动重传技术和测探( s o u n d i n g ) 技术。 1 3 多载波及o f d m 技术的发展与应用 多载波技术的使用可以追溯到上个世纪中期，当时许多低速率信号是使用不 4 宽带无线接入系统中的信道估计技术 同的载波频率在同一个宽带信道中并行传输 2 1 。在传统的多载波系统中，信道带宽 被分成若干个相互不重叠的频段。每路信号占用其中一个频段，因而在接收端可 以采用适当的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复出所需要的信号。由于具有 陡峭截止频率的带通滤波器难以实现，为了防止相邻信号之间产生相互干扰，应 使各路己调信号频谱之i 日j 留有一定的保护问隔。由此可见，当子带数目越多，保 护频带占整个信号带宽的比例越大，这种低频谱效率限制了传统多载波技术的发 展，也促使人们去寻找提高频谱利用率的高效多载波传输技术。 6 0 年代中期，r 。w c h a n g 提出了一种可以完全消除i t 和i s i 的正交信号多载 波传输方案 3 1 ，b r s a l t z b e r g 随后对此方案做了性能分析，得出“子载波之问的i c i 是多载波系统性能下降”的主要原因的结论，并以此结论为依据对c h a n g 的方案 予以肯定t 4 1 c h a n g 的方案仅为o f d m 的雏形，多载波o f d m 技术真正的普及和 推广要归功于s b w e i n s t e i n 等人于1 9 7 1 年发表的文章垆j 。该文章提出利用i d f t 和d f t 变换实现子载波发送端的信号并行传输和接收端的信号分离，并将此合并 和分离过程作为调制和解调的一部分。在o f d m 系统中引入了d f t 技术对并行数 掘进行调制和解调，使得o f d m 信号可以通过基带处理来实现，不需要振荡器组， 大大减小了系统复杂度。伴随着v l s i 技术的发展，o f d m 技术于8 0 年代初期迎 来了它的第一个发展高峰l o j l 7 j 。 近年来，随着高速数据传输需求的增大，o f d m 技术的应用臼益广泛。由于 它具有很强的抗频率选择性衰落的能力，因此被采纳为欧洲的d a b d v b 系统标 准1 8 1 1 9 1 ，在有线通信系统中，o f d m 技术被应用在v h d s l 和a d s l 系统中，称为 离散多音频调制【l o l 。w l a n 的标准i e e e s 0 2 1 l a 、m m a c 、h i p e r l a n 2 和 i e e e 8 0 2 1 6 e 标准也把o f d m 作为物理层的传输手段【l l t t t 0 2 1 。 1 4 论文主要内容安排 宽带无线通信是现代通信技术发展的一个热点，宽带无线接入技术作为下一 代通信网中最具发展潜力的接入技术之一，正受到业界越来越多的关注。 i e e e s 0 2 1 6 e 是一种面向城域网的宽带无线接入标准，8 0 2 1 6 e 系统与现有固定无 线接入相比，主要优势在于用户在移动过程中可以得到不问断的服务，这方面的 优势是现有固定无线接入技术不可比拟的。总体上来说，8 0 2 1 6 e 标准的目标是提 出一种既能提供高速数据业务又使用户具有移动性的宽带无线接入解决方案，它 填补了高速率的无线局域网和高移动性的蜂窝通信系统之间的空白，具有广阔的 发展前景。 当信号在信道中传输，会受到反射、衍射和散射的影响，从而导致信号的多 径衰落。当多径延迟相对信号的符号周期很明显的时候，符号问干扰( i s i ) 就会 第一章绪论5 产生了。符号f b j 干扰在时间上表现为信号之间相互干扰而导致失真，而在频率方 向上，符号间干扰表现为频率选择性衰落。为了减轻频率选择性的影响，我们可 以采用o f d m 技术，而且o f d m 技术在频率方向上把信道分成很多个正交的子信 道，相邻子信道之间允许有部分重叠，因此可以提高无线频带的利用率。这是由 于o f d m 这些优点，它被8 0 2 1 6 e 采用为物理层的关键技术。 在一定数掘传输率下，o f d m 能基本消除信道的频率选择性衰落，同时也能 提高无线频带利用率。但随着频带利用率的进一步提高，单纯o f d m 技术并不能 完全解决问题，在这种背景下，m i m o 技术被人提出并得到迅速发展。在占用相 同带宽的情况下，使用m 1 m o 技术不仅能提高系统性能和数掘传输速率，而且 m i m o 还可以提高系统抗多径的衰落能力。m i m o 技术也被8 0 2 1 6 e 并指明在一定 条件下可以选用。但是因为m i m o 系统中各条天线之间存在干扰，怎么消除天线 间的干扰而提取出个天线的信号就成为了一个新的难题。为了消除天线间的干扰 需要使用信道的状态信息，因此正确提取信道的状态信息是一项具有挑战性和值 得研究的工作，提取信道状态信息的过程通常被称为信道估计。 本论文主要是结合i e e e 8 0 2 1 6 e 标准，对m i m o o f d m 系统的信道估计算法 进行研究，提出适用于该标准的信道估计方法。 论文共分为五章，结构安排如下： 第二章阐述了m i m o 和o f d m 的基本原理，并讨论了m i m o o f d m 的系统 结构。 第三章概述了无线信道的有关基本概念和衰落信道的动态特征。 第四章是本文的重点，首先讨论了基于训练序列的信道估计方法，主要研究 了l s 时域估计算法和l s 频域估计算法，在此基础上分别给出它们的改进算法， 来进一步提高估计的性能、降低算法的复杂度，然后讨论了基于导频符号的信道 估计方法，分析了导频形式的选取准则，研究了基于梳状导频的信道估计算法， 最后结合计算机仿真对这些算法进行了详尽的分析与比较。 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。 7 第二章m i m o o f d m 系统 随着各种无线通信业务和宽带数据业务的不断发展，无线资源，尤其是频谱 资源变得越来越紧张，如何更高效地利用这些有限的通信资源成为无线通信新技 术的发展焦点所在。研究表明，使用多天线的m i m o 技术能够充分利用空间资源， 在不增加系统带宽和天线总发送功率的情况下，可有效对抗无线衰落信道的影响， 大大提高系统的频谱利用率和信道容量【3 7 】【3 司，是高速数据传输的优选技术之一。 o f d m 技术是多载波传输的一种，其多载波之间相互正交，可以高效地利用频谱 资源，另外，o f d m 将总带宽分割为着干个窄带子载波可以有效地抵抗频率选择 性衰落。两者相结合构成的m i m o - o f d m 系统，能够大幅度的提高无线通信系统 的信道容量和传输速率，并能有效的抵抗多径衰落、抑制干扰和噪声，且这些并 不需要额外的功率和带宽，从而引起通信界的广泛关注，具有广阔的发展前景。 目前这两种技术均被i e e e 8 0 2 1 6 e 标准所采纳，下面详细介绍这两种技术及其二者 的结合方案。 2 1m i m o 基本原理 m i m o 系统已经在许多无线通信系统中得到了广泛的应用。如b e l l 实验室的 b l a s t 实验系统、3 g p p w c d m a 系统、3 g p p 2 c d m a 2 0 0 0 系统、无线城域网 i e e e 8 0 2 1 6 、新的无线局域网i e e e 8 0 2 1 l n 以及正在制定的移动宽带无线接入 i e e e 8 0 2 2 0 方案等均已采用或计划采用m i m o 技术。 m i m o 技术的核心是空时信号处理，即在原来时间维的基础上，通过多副天 线来增加空间维，从而实现多维信号处理，获得空间复用增益或空间分集增益。 因此，m i m o 技术可以视为智能天线技术的一种扩展。显然，在m i m o 链路中， 仍具有传统的智能天线的优点。因为m i m o 系统的数据经过的是矩阵信道而非矢 量信道，这为改善性能或提高速率提供了更大的可能。m i m o 系统不仅可以提供 更多的空间分集增益，而且如果事先知道信道信息，m i m o 系统还可以通过信号 组合来提供阵列增益【硐，实际上，m i m o 系统将多径无线信道与发射、接收视为 一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。m i m o 技术主要成功 之处在于它能够在不额外增加所占用信号带宽的前提下带来无线通信系统性能上 几个数量级的改善。因此在多天线相关的信道建模、信息论和编码理论、信号处 理方法、天线设计以及固定和移动的蜂窝设计方面都取得了进展。m i m o 系统可 以大大提高数据传输速率，同时也提高系统容量。然而，m i m o 天线会造成移动 移动台和基站的复杂度增加。研究表明，配有4 付天线的移动台的复杂度是单天 宽带无线接入系统中的信道估计技术 线的2 倍。 m i m o 系统在收发两端使用多个天线，因此每个收发天线对之间形成一个 m i m o 子信道。假定有 易个发射天线和 靠个接收天线，第- ，个( ，= 1 ，2 ，坼) 发射天线与第f 个( f = l ，2 ，m 。) 接收天线之间的时变信道脉冲响应可以表示为 囊( f ，t ) ，见图2 1 。 扛i 图2 1 m i m o 系统框图 在某一时刻t ，m i m o 信道响应可以由j 】l 靠坼矩阵日( f ，f ) 来表示； 豆( f ，f ) = 啊1 ( f ，f ) 。2 ( f ，f ) h l r ( 2 ，f ) 吃。0 ，r ) 吃，2 ( f ，) 如鸠( f ，f ) i； j ，- ( l f ) j p ，o h m k , m r ( f ，f ) ( 2 1 ) 假定第，个发射天线传送的信号是_ ( ，) ，则在第i 个接收天线接收到的信号y 。( f ) 可 以表示为： ) ，。( f ) ：兰咆，( f ，f ) - ( f ) + 啊o ) ，f ：l ，2 ，肘_ ( 2 2 ) j = l 其中，托( r ) 是接收端的加性噪声。 设发射端的信号总功率一定，与发射天线个数鸩无关，接收端接收到的噪声 用一个m 。x l 的矩阵玎表示，一的元素是静态独立零均值的复高斯变量，且各个接 收天线的噪声功率均为d 2 ，p 为信噪比，发送功率平均的分配到每一个发射天线 上，则信道容量公式t 1 1 可表示为： 厂1 c _ l 0 9 2 l 州k + 玺删勺p b 慨( 2 - 3 ) 固定帆，令坼增大，使得击删一如，这时可以得到容量的近似表达式 c = m rl 0 9 2 ( 1 + p ) b i t s s h z ( 2 - 4 ) 由上式可以看出，信道的容量随天线数量的增加面线性增大。即可利用m i m o 第二章m i m o - o f d m 系统 9 信道成倍的提高无线信道容量，而且在不增加带宽和天线发射功率的情况下，成 倍地提高频谱利用率。 多天线信道理论的提出无疑为解决高速无线通信问题开辟了一条新的思路， 因而在此基础上发展起来的空时编码技术是一种很有前途的解决方案。空时编码 将编码技术和阵列技术有机的结合在一起，实现了空分多址，从而提高了系统的 抗衰落性能。由于在已有的研究中，大都假设信道响应在一个数掘帧内是恒定的， 即信道是慢时变的，但实际中的大多数无线通信环境都属于快衰落的情况，这时 系统性能会急剧下降，如何在快衰落环境中应用空时编码是一个值得关注的问题。 2 2o f d m 基本原理 正交频分复用( o f d m ) 是一种特殊的多载波技术，它以数字信号正交处理为 基础，充分利用了信号的时频正交性而允许各予信道信号频谱有1 2 的重叠，从而 获得最佳的频谱利用率，如图2 2 所示。其基本原理是将速率震的高速信息数据编 码后并行地分配到个相互正交的子载波上，每个子载波上的调制速率变为r n 。 这样，多径衰落的时间弥散相对减少，频率选择性衰落信道转化成为若干平坦衰 落子信道，大大减小了符号间干扰( i s i ) 的影响。正是因为o f d m 技术可以很好 的对抗频率选择性衰落和窄带干扰，所以被许多无线标准采纳，其中包括i e e e 8 0 2 1 6 e 城域网标准。 ( a ) 单个o f d m 子带频谱( b ) o f d m 信号频谱 图2 2o f d m 信号频谱结构 为了能够完全消除i s i ，通常在o f d m 符号中引入保护间隔，最有效的保护间 隔是使用符号的循环扩展 2 3 1 ，即把符号结尾的一段复制加到符号的起始端，如图 2 3 所示。由于码元符号是周期的，保持了子载波间的正交性，减小了载波间干扰 ( i c i ) 的影响。只要选取保护间隔大于信道的时延扩展，就会完全消除i s i 和1 c i 的影响。 0 宽带无线接入系统中的信道估计技术 图2 3 保护间隔的插入过程 2 2 1o f d m 信号的数学描述 假定o f d m 系统带宽为w ，载波数为n ，循环前缀为7 0 ，记第，个符号j 习期 的传输数据为蜀，x i ”，“- i ，则o f d m 基带等效信号可以表示为： 曲( f ) = 鼍j o 。( t - i t ) ( 2 5 ) 其中，r = n w + 珞，吼( t ) 是频率为k w n 的载波波形函数， 圳：j 赤。业砖坤嘞) f 【0 州 ( 2 6 ) 吼( f ) = 扩瓦 一r “1 ( 2 6 ) 【0 其它 且o 。( f ) = 吼( t + n i w ) ，t e 0 ，z 0 1 。那么，发射端的基带连续复信号便可表示为： s ( r ) = ( r ) = 五o 。( t - l t ) ( 2 7 ) 由于o f d m 系统引入了循环前缀，并假定其长度7 0 大于信道的最大时延扩 展，因此符号间干扰i s i 可以完全消除，为了表达式简单，时间下标，可以省去。 令信号通过一个多径衰落信道，其等效低通冲激响应为h ( o ，f 【o ，】，则 接收到的o f d m 基带信号可以表示为： ，( ，) = ( 厅o s ) ( f ) = f ” ( r p ( 卜r ) 咖+ 栉( f ) ( 2 8 ) 其中，疗( f ) 为加性高斯白噪声( a w g n ) 假设o f d m 接收机的第七个匹配滤波器为甲。( t ) ，其表达式为： 州= 心一 叫巍纠 ( 2 _ 9 ) 则系统在保持严格同步的前提下，第k 个匹配滤波器的采样输出为 第二章m 1 m o - o f d m 系统 k = ( r 固h ) ( f ) l ，。= r ( f 声。p r ) 西 = ( 广 ( r ) 善n - i 以吼( f r ) d r 卜：( 。西+ 丹p r ) 。雄p p 1 化简后的表达式为。 砭= 薹五珥，r ( ，) 中：( r ) 出+ m ( 2 - 1 1 ) 式中，h i , - - h ( 熹 = r j i ( r 弘口f 梆为第七，个载波信道的频率响应； m = 玎p r p ：( r ) 面为加性高斯白噪声( a w g n ) 。 由于吼( f ) 具有正交性，即 i ( t ) a i c v ( t ) d t = 8 ( k 叫) ( 2 - 1 2 ) 式( 2 - 1 1 ) 可以进一步化简为 k = h 。x 。+ n t ( 2 1 3 ) 图2 4o f d m 系统的实现框图 由公式( 2 5 ) ( 2 6 ) 可知，o f d m 的基带等效信号可以用m f t 来定义，在实际应 用中可以使用更有效的i f i 呵来实现。可以认为数据的编码映射在频域内进行，经 过i f f t 变换转化为时域信号发送出去，接收端通过f f t 变换后再恢复出原始的频 域信号。图2 4 给出了o f d m 系统的原理框图。 2 2 2o f d m 信号的矩阵表达形式 o f d m 信号也可以表达为矩阵形式 2 4 1 ，其信号模型见图2 5 1 2 宽带无线接入系统中的信道估计技术 图2 5o f d m 信号的矩阵表达形式 不妨假设信道冲激响应慢变化，即信道在一个o f d m 符号周期内恒定不变， 但是从一个符号周期至另一个符号周期，信道是变化的。考虑第f 个o f d m 符号 周期，记发射端的传输信号为n x l 向量x ( f ) = 【蜀，五，j ，。】7 接收端得到的信 号为r ( i ) = 哦，k ，一，】1 ，则 y ( o = f r c e h 0 1 矗f - 1 x ( d + f r 口h l b f - 1 x ( o + f r c p v ( 0 ( 2 1 4 ) 其中，f ，f 1 分别为d f t ，i d f t 矩阵【f k = 4 - 丽e - - 砌“； 1 矗= 【i 。i r r 为循环前缀插入矩阵； r c ，= 【o m i n r 为循环前缀去除矩阵； 。 v ( d 为加性噪声矢量。 假定信道的最大时延扩展小于循环前缀的长度7 品，则符号间干扰i s i 为零， 即尽c p q = o 。x ( + 峙) ，于是上式可简化为： y ( i ) = f r c e h o t c ，一x ( i ) + f r c e v ( i ) r ， = f f 碴- 1 x ( f ) + f r 。，v ( f ) = d 。x ( f ) + v ( f ) 、 其中，宜= r c e h 。1 0 为n n 循环t o e p l i t z 矩阵，它可以进一步对角化为： d 。= f f i f 。= d i a g ( h ( e j o ) ，h ( e j 2 k i n ) ，片( e j 2 x ( n - i ) l n ) ) ( 2 1 6 ) l - 1 式中，h ( f 2 ”) = h ( 1 ) e - 是信道的频率响应。 ，磊 由式( 2 1 3 ) 及( 2 1 6 ) 可知，在o f d m 系统中引入循环前缀，不仅可以对付码间 干扰i s l 和载波间干扰i c i ，而且把信道变成了个独立的并行子信道。图2 6 表 示出了这种并行等效后的输入输出关系。一般情况下，当信道上的噪声为高斯白 噪声时，图2 6 中各子信道上的噪声仍为加性高斯白噪声，且彼此独立。由图2 6 ， 可以在每个子信道上根据具体情况，选择不同的调制方式，从而优化系统性能。 第二章m i m o o f d m 系统 i 1 ： l ，- i 2 2 3o f d m 技术的特点 图2 6o f d m 系统的频域等效 o f d m 技术有如下突出的优点： 1 ) 由于子载波频谱相互重叠，充分利用了频带，因此频谱利用率较高； 2 ) 由于无线信道存在频率选择性，所有工作的子载波不可能同时处于较深的衰落 情况中。因此，一方面可通过动态比特分配以及动态予信道分配的方法，充分 利用信噪比较高的子信道，从而提高系统的性能；另一方面可以通过信道编码 的方式，利用宽带信道的频率分集，用具有较高信噪比的子信道恢复低信噪比 子信道的传输数据； 3 ) o f d m 系统可以方便地与其他多址接入方法相结合使用，构成o f d m a 系统， 使得多个用户可以同时利用o f d m 技术进行信息传输； 钔o f d m 系统可以通过使用不同数量的子信道来实现上下行的不同速率的信息 传输，从而支持无线数据的非对称业务； 分o f d m 各子信道的调制和解调可以采用i f f t 和f f t 变换来实现。 与传统的单载波传输系统相比，o f d m 系统的主要缺点在于： 1 ) 对予载波频率偏移和定时误差的敏感程度比单载波系统要高： 2 ) 多载波系统中的信号存在较高的峰值平均功率比( p a r ) 使得它对放大器的线 型要求很高。 2 3m i m o o f d m 系统 在未来的宽带无线通信系统中，存在两个最严峻的挑战：多径衰落信道和带 宽效率。o f d m 技术利用串并交换和正交性将信道分成若干个正交的窄带子信道， 从时域看是展宽了o f d m 符号的持续时间，变高速数据信号为并行的低速子数据 流；从频域看是将频率选择性信道变为平衰落信道。而m i m o 系统在平滑落信道 4 宽带无线接入系统中的信道估计技术 上可以显著提高信道容量。因此，将m i m o 和o f d m 技术相结合构成的 m i m o o f d m 系统可以充分发挥o f d m 和m i m o 各自的优势：通过o f d m 调制 把频率选择性m i m o 衰落信道转换成一组并行的平坦衰落信道，再利用m i m o 技 术来提高提高信道容量。也正是基于此原因，m i m o o f d m 系统被视为b 3 g 4 g 和未来宽带无线通信系统最具潜力的一种解决方案。 m i m o o f d m 技术将空间分集、时间分集以及频率分集有机的结合起来，从 而能够大大的提高无线通信系统的信道容量和传输速率，有效的抵抗信道衰落和 抑制干扰。目前对m i m o o f d m 技术的研究主要集中在两个方向，一是基于o f d m 的空间复用系统( o f d m b a s e ds p a t i a lm u l t i # e x i n g ) ，即o f d m 及贝尔实验室 b l a s t 系统 2 8 1 的结合，是面向比特率的。二是空时编码的o f d m 系统( s p a c e t i m e c o d e do f d m ，s t c o f d m ) ，即o f d m 与基于发射分集的空时码 2 4 1 。【2 7 】的结合， 是面向性能的。m i m o o f d m 成为实现无线信道高速传输最具希望的解决方案之 一，具有非常广阔的研究及发展前景。 2 3 1 系统结构 8 0 2 1 6 e 中采用的m i m o o f d m 系统模型见图2 7 ，o f d m 采用i f f i 作为调制 器，f f t 作为解调器。假设系统设有川个发射天线，个接收天线。串行信息比 特流分解成 个数掘流后，进行独立的编码映射、o f d m 调制，最后由f 个天线 同时发送出去。 发射端 接收端 图2 7m i m o - o f d m 系统框图 若设o f d m 系统的载波数为n ，那么共有n x f 个o f d m 采样同时发送，并 把这 个采样记为n ，维列向量 第二章m i m o - o f d m 系统 1 5 x ( 0 - - x i o ) ，x ( 0 , - - - , x 矗o ) 丁 ( 2 - 1 7 ) 则接收到的o f d m 信号可以表达为( + o ) ，维列向量 y ( o = e y r ( i ) ，y ：( j ) ，y tt川t(2-18) 式中， x d = i f f r ( x ) = _ o _ 1 ，_ ，。 7 ( 2 1 9 ) y 2l y , o y j i ，乃，+ 峙一i j ( 2 - 2 0 ) 由上定义，m i m o o f d m 系统的离散时间输入输出关系可表达为矩阵形式 y = h x + n ( 2 2 1 ) 其中，h 是一个“+ ) ，) ( f ) 矩阵，由， 个子块构成，每个子块具 有t o e p l i t z 结构，与单天线o f d m 系统中信道矩阵的形式相同。 若每个发射天线都采用c p o f d m 调制，则式( 2 2 1 ) 可以得到简化，其中，x 为n m 维列向量，y 为n ，维列向量，矗为简化后的( ，) ( ，) 维t o e p l i t z 矩阵 ( 2 - 2 2 ) 定义f 州为( f ) ( m ) 维对角阵，对角线上的子块为n x n 维i d f t 矩阵 f ，即 p 0 f 【= io ol ( 2 - 2 3 ) l o 0 f j 对矩阵丘进行线性变换一竹) 妇i ) ，得到 f 。雌，血吖川，：i 。y _ 。1 ；肌l 。2 ：4 ， 【d ，1 ，mj 上述矩阵中的子块是由对应矗的特征值张成的对角阵。再次给信道矩阵6 乘以置换 矩阵e 及p ，将会得到个m i m o 信道，即 h ：p ，f 。，却。m ，e ：ih 打勺： ： l 。2 2 ， 【0 0 h ( e j 2 t o v 。| ) ) j 其中，h ( e j 2 ”) 是对应于第n 个d f t 点的m i m o 信道。 1 6 宽带无线接入系统中的信道估计技术 由上，m i m o o f d m 系统的输入输出的关系可以表达为 y=hx+n(2-26) 式中， x - - x r ( k ) ，x ：( j | ) ，x 矗( 后) 丁x j = p ，_ 1 ，”，_ - 。 7 ( 2 - 2 7 ) j = 1 ，n t y = e y e ( k ) ，q ( 后) ，y t ( 七) 7x = z ，o ，_ ，。 r ( 2 - 2 8 ) i = 1 ， 等式( 2 - 2 6 ) 把x 、y 在n m i n ( n t ，) 个信道上联系起来如果选择m = ，则会 产生m ，个相互独立并行信道。 而且，上述的线性变换矩阵f ( 、f ( 、p f 及p ，均具有单位增益，并不会带 来噪声功率的放大。 2 3 2 系统原理 空间复用技术追求的是m i m o 系统中传输速率的最大化，它在不同的天线上 传输的是承载不同信息的符号流。为了消除由于无线信道衰落和噪声干扰带来的 性能影响，应该通过编码的方式，使不同天线上传输的符号包含的信息具有一定 的关系，从而有利于原始的信息在接收端被正确的获取，也就是使系统传输信息 中断概率最小，或等价于中断容量，这就是空时编码研究的目的。目前m i m o 系 统下有几种编码方法：空对格状编码( s p a c e t i m et r e l l i sc o d i n g ，s t t c ) 、空时分 组编码( s p a c e - t i m eb l o c kc o d i n g ，s t b c ) 和分层空时编码( l a y e r e ds p a c e t i m e c o d i n g ，l s t c ) ，前两者重在提高传输的可靠性，属于空时编码研究范围；后者重 在提高频率利用率，属于空时复用技术的研究范围。 以下就分别讨论这两类m i m o o f d m 系统。 1 基于o f d m 的空闯复用系统 基于o f d m 的空间复用系统是空间复用与o f d m 的有机结合，主要是利用无 线信道的多径传播特性产生并行空间信道，从而提高数据的传输速率。在保证接 收机一定复杂度的情况下可提供高的频谱利用率，它在性能上的缺陷是因为它既 没能充分利用传输分集，也没有充分利用在码间串扰信道下可获得的多径分集。 其原理框图如图2 8 所示。理论研究业已表明，采用b l a s t 技术，系统频谱的效 率可以随天线个数成线性增长，也就是说，只要允许增加天线个数，就能提高系 统容量