（通信与信息系统专业论文）基于ieee80211n协议的mimoofdm系统中信道估计技术研究.pdf

北京邮电人学硕l ：学位论文皋于i e e e 8 0 2 1 l n 协议的m i m o o f d m 系统中信道估计技术研究 基于le e e 8 0 2 1 1n 协议的川m o - o f d m 系统中 信道估计技术研究 摘要 随着无线局域网技术的快速发展，i e e e 8 0 2 1 1 已成为无线局域网的 主流标准。目前i e e e 已经成立8 0 2 1 l n 工作小组，以制定一项新的高速 无线局域网标准8 0 2 1 l n 。新兴的8 0 2 1 l n 在高吞吐量上有比较大的突破， 是下一代的无线网络技术的标准，可提供支持对带宽最为敏感的应用所需 的速率、范围和可靠性。8 0 2 1 l n 结合了多种技术，其中包括m i m o 、 2 0 和4 0 m h z 信道和双频带( 2 4g h z 和5g h z ) ，以便形成很高的速率， 同时又能与以前的i e e e8 0 2 1 l b g 设备兼容。 由于m i m o o f d m 系统是高速传输系统，精确的信道估计对系统的 性能提升是非常重要的。而且由于8 0 2 1 l n 协议中对于信道估计的算法还 没有明确标准化，如何设计训练序列以区别不同的天线，以及选择合适的 信道估计方法，以实现精确信道估计具有很强的理论价值和实践意义。 本论文在i e e e 8 0 2 1 l n 草案框架下，提出一种改进的利用相移码( p s ) 的重叠导频设计方法进行信道估计。由于8 0 2 1 l n 系统使用2 0 m h z 带宽， 高速模式下使用了部分子载波传输导频信号，因此不能使用传统意义上的 正交导频设计方法。本文在使用部分子载波的情况下提出了跳跃设计p s 码，并且和传统的截短设计法进行了比较，经过理论推导和仿真验证，证 明了跳跃设计法的优越性。改进部分还使用种子序列降低整个系统的峰均 比。在仿真的过程中发现，估计的信道冲击响应长度的选择和信噪比是息 息相关的，因此第一次提出了在8 0 2 1 l n 系统中利用一种新的信道估计器。 由于信道估计器的最终目的是改善信道估计性能，而不是简单估计出信道 冲击响应长度，因此最理想的结果是估计出有实时噪声的情况下可以达到 最小m s e 的信道冲击响应长度。论文还将通过仿真比较利用不同信道估 计器时系统的均方差，并且证明这种f c l i 方法是最好的。 关键词：8 0 2 1 l n 信道估计导频m i m o o f d m 交错导频重叠导频 北京邮电人学硕士学位论文基于i e e e s 0 2 1 l n 协议的m i m o o f d m 系统中信道估计技术研究 r e s e a r c h e s o fc h a n n e le s t i m 睑t i o ni n i e e e 8 0 2 1 lnm i m o o f d ms y s t e m s a b s t r a c t w i t ht h ef a s t p r o g r e s s o fw i r e l e s s l a n ( l o c a la r e an e t w o r k ) ， i e e e 8 0 2 1 1h a sb e c o m et h em a i nf l o ws t a n d a r di nw l a n r e c e n t l y , 8 0 2 1 l n w o r kg r o u ph a sb e e ne s t a b l i s h e dt oc o n s t i t u t ean e wh i g h s p e e dw i r e l e s sl a n s t a n d a r d ，n a m e l y8 0 2 1 l n ，w h i c hh a sg r e a tb r e a kt h r o u g hi nt h r o u g h p u ta n d w i l lb et h es t a n d a r do fn e x tg e n e r a t i o n 。a nw i t h o u td o u b t 8 0 2 1 l nc o u l d p r o v i d eh i g h e rt h r o u g h p u t ，l a r g e rr a n g ea n dm o r er e l i a b i l i t yf o ra p p l i c a t i o n t h a ti st h em o s ts e n s i t i v et ob a n d w i d t h c o m b i n e dw i t hm a n yk i n d so f a d v a n c e dt e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，i n c l u d i n g s p a t i a lm u l t i p l e x i n g m i m o ( m u l t i i nm u l t i - o u t ) ，2 0 4 0 mb a n d w i d t ha n dd u a lf r e q u e n c yp o i n t ( 2 4g h za n d5g i - i z ) ，8 0 2 1 l nc o u l ds u p p o r tv e r yh i g ht h r o u g h p u ta n di s c o m p a t i b l ew i t hp r e v i o u si e e e8 0 2 n b g d h et ot h ei n d e f i n i t es t a n d a r d i z a t i o no fc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mi n 8 0 2 1 l n ，t h e r e f o r e ，h o wt od e s i g nap e r f e c tt r a i n i n gs e q u e n c et oi d e n t i f y d i f f e r e n ta n t e n n a sa n dc h o o s eap r o p e rc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o dt o e s t i m a t i o nt h ec h a n n e li n f o r m a t i o na c c u r a t e l yi st h em a i nr e s e a r c ho r i e n t a t i o n o ft h i st h e s i s t h i st h e s i sw i l li n t m d u c et h et e c h n i q u ec h a r a c t e r i s t i c so f m l m 0 0 f d ma n dt h ew h o l es y s t e mm o d e lf i r s t l y t h e nt h ew i r e l e s sf a d i n g c h a n n e lm o d e la n di t sc h a r a c t e r i s t i c sw i l lb ea n a l y z e d a f t e rt h e s ew o r k s t h e c h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h m s b a s e do no f d ms y s t e ma r e r e v i e w e d ， i n c l u d i n gl s ( l e a s ts q u a r e ) c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m a n dm m s e ( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o oc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m t h i st h e s i s a n a l y s e st h ec h a n n e le s t i m a t i o ni m p l e m e n t a t i o ns c h e m ei ni e e e8 0 2 1lai n d e t a i l ，s u c ha sd e s i g no ft e s ts e q u e n c e ，p i l o t s ，a n da l g o r i t h m s t h i st h e s i s f o c u s e so nt h er e s e a r c ho fc h a n n e le s t i m a t i o ni nm i m o o f d ms y s t e m i n c l u d i n g c u r r e n tr e s e a r c h s t a t u s a l g o r i t h ms y s t e m a t i ca r c h i t e c t u r e a n d v a r i a n c ed e f i n i t i o n t h ed e r i v a t i o no fu n i f o r mt i m e f r e q u e n c yd o m a i nr e s u l t 北京邮1 1 1 人学硕i j 学位论文基于i e e e s 0 2 1 1 n 协议的m i m o o f d m 系统中信道估计技术研究 u s i n gl sc h a n n e le s t i m a t i o na n dd e s i g no fi n t e r l e a v i n g p r e a m b l e a n d s u p e r p o s i t i o np r e a m b l ei se m p h a s i z e d a tl a s t ，a ni m p r o v e di n t e r l e a v i n g p r e a m b l eu s i n gp sc o d ei sp r o p o s e d ，w h i c hi sb a s e do nt h ec h a n n e lm o d e l m e n t i o n e db e f o r e at r a d i t i o n a ll sc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mi ss i m u l a t e d o n8 0 2 1l ns y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l ti s c o m p a r e dw i t ht h ea l g o r i t h m p r o p o s e db yt h i st h e s i s ，w h i c hs h o w st h a t t h ei m p r o v e da l g o r i t h mh a sm u c h b e t t e rp e r f o r m a n c e b e s i d e s an o v e lc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mf o r8 0 2 1 l n i sp r o p o s e d ，w h i c hi m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo fc h a n n e le s t i m a t i o ng r e a t l y i t d o e sn o te s t i m a t et h el e n g t ho fc i r ，b u tt h el e n g t ho fm i n i m u mm s ei n s i t u a t i o no fr e a lt i m en o i s e m o r es i m u l a t i o na n dc o m p a r i s o nu s i n gd i f f e r e n t c h a n n e le s t i m a t i o ns c h e m e sa r eg i v e na tt h ee n do ft h i st h e s i s a i li na l l ，t h et h e s i sf o c u s e so nc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m sb a s e do n i n t e r l e a v i n gp r e a m b l ea n df r e q u e n c yl sm e t h o d i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n ， 8 0 2 1lne m p l o y st r a i n i n gs e q u e n c et om a k ec h a n n e le s t i m a t i o n ，t h e r e f o r e ，w e m a i n l y r e s e a r c h d e s i g n o fp r e a m b l e b yc o n s i d e r i n gp h y s i c a l c h a n n e l c h a r a c t e r i s t i c sa n df l a m es t r u c t u r eo fr e a l i s t i c s y s t e m ，a n dl o o kf o r t h e o p t i m u mc h a n n e le s t i m a t i o ns c h e m ef o r8 0 2 1 l n k e yw o r d s ：8 0 2 1 1 n ，c h a n n e l e s t i m a t i o n ，m i m o o f d m ，i n t e r l e a v i n g p r e a m b l e ，s u p e r p o s i t i o np r e a m b l e j 柬婚 瞧大学磺l ：学位论文 基予l 疆鹞8 2 1 l n 协议魏m i m o - o f d m 系统中稿逶待计投术掰究 3 g ( t h r e eg e n e r a t i o n ) 4 g ( f o u rg e n e r a t i o n ) 缩写说明 三代 四代 a a w g n ( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e )加性高斯白噪声 b b 3 g ( b e y o n d t h r e eg e n e r a t i o n ) b e r ( b i t e r r o rr a t i o ) b p s k ( b i n a r yp h a s e s h i f tk e y i n g ) c p ( c y c l i cp r e f i x ) c s i ( c h a n n e l s t a t u si n f o r m a t i o n ) c r ( c o n t i n u o u s t i m e ) d f t ( d i g i t a lf o u r i e rt r a n s f o r m ) d o a ( d i r e c t i o no fa r r i v a l ) d p s k ( d i f f e r e n t i a lp h a s es h i f tk e y i n g ) c d e ( e x t r i n s i ci n f o r m a t i o n ) ( e r r o rp o w e rr a t i 0 ) f ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) g ( g u a r di n t e r v a l ) ( g r e e nf i e l d ) h ( h i g ht h r o u g h p u t ) l ( i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ) ( i n v e r s ed i g i t a lf o u r i e rt r a n s f o r m ) ( i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) ( i n d e p e n d e n ta n di d e n t i c a l l yd i s t r i b u t e d ) 勰 超三代 误比特率 二进制相移键控 循环前缀 信道状态信息 连续时间 数字傅立叶变换 到达方向 差分相移键控 外部信息 误差功率比 快速傅立叶变换 保护闯隔 绿区 高速 子载波麟干扰 逆数字傅立叶变换 逆快速傅立叶变换 独立相同分奄 班矾 肿 弓 盯 坝唧孵 蔻京邮电文掌矮1 二学位论文 肇子i e e e s 0 2 1 l n 谂泼夔m i m o o f d m 系统孛舔遥蘩诗技术研究 i s i ( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) l l m m s e ( 1 i n e a rm i n i m u m l e a s tm e a ns q u a r e ) l m s ( 1 e a s tm e a ns q u a r e ) l o s ( 1 i n e o fs i g h t ) l s ( 1 e a s ts q u a r e ) l d p c ( 1 0 wd e n s i t yp a r i t yc h e c k ) l i t ( 1 0 n gt r a i n i n gf i e l d ) m m a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) m a p ( m a x i m u m a p o s t e r i o r i ) m i m o ( m u l t i i n p u tm u l t i - o u t p u 0 m l ( m a x i m u ml i k e l i h o o d ) m m s e ( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ) m s e ( m e a ns q u a r ee r r o r ) n n l o s ( n o n l i n eo fs i g h t ) o o f d m ( o r t h o g o n a l 螽e q u e n c yd e v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) p p a p r ( p e a k - a v e r a g ep o w e rr a t i o ) p p d u ( p h yp r o t o c o ld a t au n i t ) p s d u ( p h y s e r v i c ed a t au n i o p l c p ( p a yl a y e rc o n v e r g e n c ep r o t o c 0 1 ) p s ( p h a s es h i f t ) q q o s ( q u a l i t y o fs e r v i c e ) 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 ) s s i n r ( s i g n a l i n t e r f e r e n c e n o i s er a t i o ) s i r ( s i g n a l i n t e r f e r e n c er a t i o ) s i s o ( s i n g l e i n p u ts i n g l e - o u t p u o ( s o f t - i n p u ts o f t - o u t p u t ) 符号间干扰 线性最小均方误差 最小均方 直射路径 最小二乘 低密奇偶校验 长训练区 媒体接入控制 最大后验概率 多入多搬 最大似然 最小均方误差 均方误差 非直视路径 正交频分复用 峰值平均功率比 物理层数据单元 物理层服务单元 物理层融合协议 相移 服务质量 正交相移键控 信干噪比 信干比 单入单出 软入软出 j | ：束憋 垃入学矮l ：学位浚文摹手i e e e 8 0 2 。l l n 狲汉戆m i m o 。o f d m 系统孛翁逶镳谤技本戮究 s n r ( s i g n a l - t o - n o i s e ) s t b c ( s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ) s t f ( s h o r tt r a i n i n gf i e l d ) 信噪比 空时块编码 短训练区域 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。 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，论文中不包翕其他人 已经发表或撰写过的研究成采，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了臻确的浼骧著表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： i 至丑 曩期：兰：= = 堑! 主：兰芏 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保鼹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北京邮电大学。学校有权保鳃并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位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、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密薏遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属予保密范围，适用本授权书。 本人签名：三盏盘r 期：三二：苎：i ：兰兰 导师签名二j b 一罩上一日期：i ! 殓旦：笪：查一一。 彩，八乏 北京邮l 乜人学硕1 ：学位论文基于i e e e 8 0 2 1 l n 协议的m i m o o f d m 系统中信道估计技术研究 第一章序言 从i e e e 在1 9 9 7 年批准第一个无线局域网标准i e e e 8 0 2 1 1 规范开始，无线局域网这项 技术正在不断地发展。而i e e e 8 0 2 1 l n 物理层协议规范中采用m i m o o f d m 传输技术， 由于其强大的对抗多径信道衰落的特性，越来越多地受到重视，而成为当今宽带无线通 信领域发展的热点。本文既是在此背景下，在i e e e 8 0 2 1 i n 协议规范内，对基于分组的 m i m o o f d m 突发传输系统进行了研究，重点对于m i m o o f d m 传输中的儿个关键技 术，包括信道模型建立，信道估计等进行了较为详细的分析和比较。 m i m o ( 多入多出) 或m t m r a ( 多发多收天线) 技术是无线移动通信领域智能 天线技术的重大突破，该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，是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。8 0 2 1 l n 天线数量可以支 持到4 x 4 ，比8 0 2 1 l g 的3 增加了4 倍。o f d m 技术是多载波调制的一种。该技术的 核心是将信道分成许多进行窄频调制和传输正交子信道，并使每个子信道上的信号频 宽小于信道的相关频宽，用以减少各个载波之间的相互干扰，同时提高频谱的利用率 的技术。 将m i m o 与o f d m 技术相结合，就产生了m i m o o f d m 技术，该技术通过在 o f d m 传输系统中采用阵列天线实现空间分集，提高了信号质量，并增加了多径的容 限，使无线网络的有效传输速率有质的提升。 与以前的8 0 2 1 1 协议相比，i e e e 8 0 2 1 l n 无线局域网有很多优势。一是短期的优 势，有较高的传输速率，数据传输速率达1 0 0 m b p s 以上，使无线局域网平滑的和有 线网络结合，全面提升了网络吞吐量；二是长期的优势，今后无线局域网的产品可以 使用双频方式，即在2 4 g h z 和5 g h z 两个频段上都使用m i m o + o f d m 调制技术， 提高数据传输速率。同时，8 0 2 1 l n 的传输距离更远，易与无线广域网融合。局域网 蓬勃发展。 虽然8 0 2 1 l n 协议有着重重的优点，但是8 0 2 1 l n 草案还存在三个严重的技术缺 陷： ( 1 ) 该草案没有考虑现有的2 4 g h z 频段。按照现在的定义看，8 0 2 1 l n 的频宽 大约2 0 m h z ，而8 0 2 1 l b g 代表性频宽为2 5 m h z 。假如8 0 2 1 l n 采用了可选的扩展信 道，将会占用4 0 m h z 频宽。4 0 m h z 频宽可能会覆盖或者接近现有的w l a n 频段， 足够发生干涉，但要允许信令共享则还不够。这个问题可通过为访问控制传输单独使 用2 5 m h z 频段，以及选择与现有2 4 g h z 频带信道并行的缺省信道而部分地解决。 ( 2 ) 8 0 2 1 l n 目前定义了一种可选的绿区前同步码。前同步码可以让不同的设备 相互进行识别。基于8 0 2 1 1 b g 标准的使用经验，不同设备寻找带有前同步码的设备 北京邮l u 人学硕i j 学位论文 基于i e e e 8 0 2 1 l n 协议的m i m o o f d m 系统中信道估计技术研究 并不会增加额外开销或者引发互操作问题。所以，你要么强制都用前同步码，要么完 全不用，都会带来效率和q o s 上的好处。 本论文可以解决以上两个问题。首先在可扩展频道上使用4 0 m h z 带宽是，实际 上使用的是两个重复的2 0 m h z 信道。本论文提出了一种使用部分子载波的训练序列 设计方法，可以分别在两个2 0 m h z 信道上设计导频。其次可选的绿区模式是高速模 式，没有i j 向兼容8 0 2 1 l n g 的结构，因此只有高速模式下长训练序列。本论文在这 种模式下进行了仿真。本论文主要内容包括在i e e e 8 0 2 1 l n 草案框架下，提出一种改 进的利用相移码( p s ) 的重叠导频设计方法进行信道估计。由于8 0 2 1 1 n 系统使用 2 0 m h z 带宽，高速模式下使用了部分子载波传输导频信号，因此不能使用传统意义 上的j 下交导频设计方法。本文在使用部分子载波的情况下提出了跳跃设计p s 码，并 且和传统的截短设计法进行了比较，经过理论推导和仿真验证，证明了跳跃设计法的 优越性。改进部分还使用种子序列降低整个系统的峰均比。在仿真的过程中发现，估 计的信道冲击响应长度的选择和信噪比是息息相关的，因此第一次提出了在8 0 2 1 l n 系统中利用一种新的信道估计器。由于信道估计器的最终目的是改善信道估计性能， 而不是简单估计出信道冲击响应长度，因此最理想的结果是估计出有实时噪声的情况 下可以达到最小m s e 的信道冲击响应长度。论文还将通过仿真比较利用不同信道估 计器时系统的均方差，并且证明这种f c l i 方法是最好的。 1 1m i m o o f d m 技术的特点 在下一代b 3 g 4 g 的宽带技术中，形成了以m i m o ( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ) 、 o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd e v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 以及m i m o - o f d m 为技术平台 的多天线多载波技术，本章就是研究m i m o o f d m 的理论和其关键技术。 1 1 1o f d m 技术的优缺点 o f d m 是能够把有效性发挥到极致的一种技术，而这种极致的有效性存在一个极 大的弱点，即子载波的正交性，这将大大影响到o f d m 的可靠性。可以说，o f d m 的本质就是正交性，正交性维系着o f d m 的有效性和可靠性，如图1 - 1 所示。 图1 - 10 f d m 技术的本质 2 北京邮l 乜人学硕l ：学位论文 基于i e e e 8 0 2 1 l n 协议的m i m o o f d m 系统中信道估计技术研究 o f d m 技术的优点具体表现在： ： 把高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加， 从而可以有效地减少无线信道的时间弥散所带来的符号间干扰( i s i ) ，因此减小了 接收机的均衡复杂度，甚至可以不采用均衡器，采用循环前缀来消除i s i 的不利影响。 ： 对于传统的频分多路传输方法中，将频带分成若干个不相交的子频带来传输并行 的数据流，在接收端用一组滤波器来分离各个子信道，这个方法导致频谱利用率低， 子信道之自j 要留有足够的保护频带，而且多个滤波器的实现也有不少困难。而o f d m 由于各个子载波之间保持正交性，可以使子信道频谱相互重叠，因此与常规的频分复 用系统相比，o f d m 系统可以最大限度地提高频谱利用率。 ： 各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用i d f t 和d f r 来实现，对于n 很大 的系统中，可以通过采用快速傅里叶变换( f f t ) 来实现，降低实现的复杂度。 ：无线数据业务般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于上行 链路的数据传输量，因此，无论从用户数据业务的使用需求，还是从移动通信系统自 身的要求考虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输，而o f d m 技术可以很容易 地通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。 ：由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波都同时处于比较深的衰落情 况中，因此可以通过动态自适应地利用信噪比( s n r ) 比较高的子信道，从而提高系 统的性能。而且对于多用户系统来说，对一个用户不适合的子信道对其他用户来说可 能就是性能比较好的子信道。 ：o f d m 技术可以很容易地与其他多种接入方式结合使用，比如o f d m a 系统、多 载波码分多址m c = c d m a 系统、跳频o f d m 系统以及o f d m t d m a 系统等等，使 得多个用户可以同时利用o f d m 技术进行信息的传输。因为窄带干扰只能影响一小 部分子载波，因此o f d m 系统可以在某种程度上抵抗窄带干扰。 o f d m 技术的缺点具体表现在： ：频率偏移能够造成子载波正交性的破坏。这种频率偏移主要来源于时变信道的多 普勒频移，以及传输过程中收发两端振荡器存在的频率偏移，这些都能够造成子载波 间干扰( i c l ) ，因此，频率偏移敏感是o f d m 技术的主要缺点。这就是使得同步技 术尤为重要。 ：存在较高的峰值平均值功率比( n r ) 。与单载波系统相比，由于多载波调制 系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠 加信号的瞬时功率就会远远大于信号的平均功率，导致出现较大的平均功率比，这就 对发射机内放大器的线性提出了很高的要求，否则会使信号出现畸变，导致叠加信号 的频谱发生变化，子载波恻的正交性遭到破坏，引起i c i 。 3 北京邮l l l 人学硕l ：学位论义皋于i e e e 8 0 2 1 1 n 协议的m i m o o f d m 系统中侨道估计技术研究 1 1 2m i m o 技术的优缺点 m i m o 是能够把有效性和可靠性都发挥到极致的技术，达到极致的有效性可以通 过分层空时复用( l s t ) 来实现，但同时引入增强的空时干扰，导致可靠性下降，另 外，达到极致的可靠性可以通过空时编码( s t c ) 来实现，但同时利用冗余导致有效 性下降。可以说，m i m o 的本质就是分集与复用的关系，如图1 2 所示。 图1 - 2 m i m o 技术的本质 m i m o 技术的优点可以通过下面三个增益来总体概括： ：阵列增益。阵列增益是指由于接收机通过对接收信号的相干合并而获得的平均 s n r 的提高。在发射机不知道信道信息的情况下，m i m o 系统可以获得的阵列增益 与接收天线数成正比。 ：复用增益。在采用空间复用方案的m i m o 系统中，可以获得复用增益，即信道容 量成倍增加。信道容量的增加与m i n ( n r ，虬) 成正比，r 和分别为发射天线数和 接收天线数。 ： 分集增益。在采用空间分集方案的m i m o 系统中，可以获得分集增益，即可靠性 性能的改善。分集增益用独立衰落支路数来描述，即分集指数。在使用了空时编码的 m i m o 系统中，分集指数等于发射天线数与接收天线数的乘积。另外，在分布式m i m 0 系统中，由于接收天线或发射天线之间的间距较远，可认为它们各自的大尺度衰落是 相互独立的，因此分布式m i m o 系统不仅可以获得上述的小尺度衰落分集，还可以 获得大尺度衰落分集，即宏分集。 m i m o 技术的缺点具体表现在： ：空问相关。空间特性是维系m i m o 性能的关键，无论从有效性的并行子信道和可 靠性的分集指数都和空间独立性有关，空间相关导致的低秩和低分集指数都极大影响 着m i m o 的信道容量和误码性能。 ：空间干扰。这是空时复用最直接的影响，在没有空间分集可利用的系统中恢复各 发射天线等功率的信号必定造成的判决性能的下降，因此，接收端的干扰消除算法能 够保证系统性能的关键。 4 北京邮i u 人学硕1 ：学位论文基十i e e e s 0 2 1 l n 协议的m i m o o f d m 系统中信道估计技术研究 1 2m i m o o f d m 系统概述 1 2 1m i m o o f d m 系统模型概述 图1 - 3m i m o o f d m 系统框图 如上图所示m i m o o f d m 技术将m i m o 技术与o f d m 技术有机的结合在一起，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，从而受到了通信界的广泛关注。 o f d m 将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，从而减小了多径衰落 的影响。m i m o 技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流，有效地增 加了系统的传输速率，即由m i m o 提供的空间复用技术能够在不增加系统带宽的情况下 增加频谱效率。因此将o f d m 和m i m o 两种技术结合在一起将有非常广阔的发展前景， 就能达到两种效果：一种是系统具备很高的传输速率，另一种是通过分集达到很强的可 靠性。同时在m i m o o f d m 系统中加入合适的数字信号处理算法能更好的增强系统的稳 定性。 1 2 2m i m o o f d m 系统关键技术 m i m o o f d m 系统实现主要包括以下关键技术： 发送分集：m i m o ，o f d m 调制方式相结合，对下行通路选用“时延分集”，装备 简单、性能优良，又没有反馈要求。让第- - n 天线发出的信号比第- n 天线发出的延 迟一段时间。发送端采用这样的时延，可以使接收通路响应得到频率选择性。如采用 适当的编码和穿插，接收端在没有预知通路情况下可以获得“空问一频率”分集增益。 5 北京邮i u 人学硕l ：学位论文基于i e e e 8 0 2 1 l n 协议的m i m o o f d m 系统中信道估计技术研究 空间复用：为提高数据传输速率，可以采用空间复用技术。从两副基台天线 发送两个各自编码的数据流，把一个传输速率相对较高的数据流分割为多组相对速率 较低的数据流，分别在不同的天线对传输，不同的数据流各自采用独立的编码、调制， 同时使用相同的频率和时隙。每副天线可以通过不同独立的信道滤波独立发送信号。 接收机利用空问均衡器分离信号，然后解调、译码和解复用，恢复出原始信号。 接收分集和干扰消除：如果基台和用户终端一侧三副接收天线，可取得接收分 集的效果。利用“最大比值合并”m r c ( m a x i m a lr a t i o c o m b i n i n 助，将多个接收机的信 号合并，得到最大信噪比s n r ，可遏止自然干扰。但是，如有两个数据流互相干扰， 或者从频率再利用的邻近地区传来干扰，m r c 就不能起遏止作用。这时，利用“最小 的均方误差”m m s e ( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ) ，使每一有用信号与其估计值的均方 误差最小，从而使“信号与干扰及噪声比s i n r ( s i g n a lt oi n t e r f e r e n c e p l u sn o i s er a t i o ) 最大。 软译码：上述m r c 和m m s e 算法生成软判决信号，供软解码器使用。软解码 和s 工n r 加权组合相结合使用，可对频率选择性信道提供3 - 4 d b 性能增益。 信道估计：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 副天线发出的训练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 m i m o o f d m 系统中基于训练序列的信道估计技术。 同步：在上行和下行链路传播之前，都存在同步时隙，用于实施相位、频率对 齐，并且实施频率偏差估计。时隙可以按照以下方式构成：在偶数序号子载波上发送 数据与训练符号，而在奇数序号子载波设置为零。这样经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。 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。 根据两个用户在特定位置和时间内用户的s n r 统计特征，以及用户q o s 的要求，存 在多种编码与调制方案，用于在用户数据流的基础上实现最优化。 1 3 本论文的研究内容 本论文选取了基于i e e e 8 0 2 1 1 n 协议下m i m o o f d m 的宽带无线移动通信技术作 为研究的课题，从点到面，涉及其理论和关键技术、算法的实现。本论文的研究内容和 组织结构具体如下： 6 北京邮i 乜人学硕j j 学位论文 基于i e e e 8 0 2 1 l n 协议的m i m o o f d m 系统中信道估计技术研究 第一章概述了8 0 2 1 l n 系统的优势和劣势，分析了选题意义。并且全面概括 o f d m ，m i m o 无线通信的最一般的理论和原则。序言，介绍论文的研究背景和意义，国 内外研究m i m o o f d m 系统的现状以及论文的组织结构。 第二章首先从确定性模型和统计性模型给出了无线信道的理论分析，考虑时延和多 普勒对信道模型所带来的影响，从相关函数的角度量化了信道的重要参数。基于这个理 论分析，从大尺度衰落和小尺度衰落来表征无线信道的衰落特征，分析了多径和移动速 率对信号的影响。最后给出了o f d m 和m i m o 的信道模型。 第三章分析了i e e e 8 0 2 1 l a 协议下o f d m 信道估计算法。总结了o f d m 信道估计的 方法，包括盲信道估计法，插入导频估计法和差入训练序列估计法。并且在i e e e 8 0 2 1 l a 的帧结构下进行了仿真比较。 第四章分析了正e e 8 0 2 1 l n 协议下m i m o o f d m 信道估计算法。总结了 m i m o o f d m 信道估计的方法，包括盲信道估计法，插入导频估计法和差入训练序列估 计法。并且在i e e e 8 0 2 1 l a 的帧结构下进行了仿真比较。 第五章全文总结并展望今后的研究方向。 7 悲寒隧邀夫学矮1 7 学位论义肇乎i e e e s 0 2 。l l n 辫汉麓m i m o o f d m 系统中僚逶 轰诗技术磷究 第二章无线衰落信道概述 无线信道是影响通信的最根本的因素，无线信道能本质上影响通信的可靠性和有效 性，因此物理层的所有技术和算法都是围绕着信道进行研究的。而无线信道具有很多自 身的特性，深刻理解其特点是研究备种无线移动通信技术的前提。 无线环境中，多径传播( m u l t i p a t h ) 和多普勒( d o p p l e ) 影响是造成信道变化的主 要因素。多径传播与无线信道链路周围的环境有关系，这是因为电磁信号在无线发射机 和接收机之间传播时会存在直射、反射、衍射和数射等多种传播机制。多普勒影翻与载 波频率、发射机和接收机之间的相对运动速率有关，由于高载波频率的使用是今后通信 发腱