（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统中信道估计技术研究(1).pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 无线移动通信有着其特有的应用价值，同时也具有特殊的技术难度。 m i m o o f d m 系统将o f d m 与m i m o 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，从而被认为是未来移动通信系统( b 3 g 4 g ) 最有可能选用的技术方案。 为在实际系统中获得优异的性能改善，m i m o o f d m 系统中的信道估计是 一个极具意义且充满挑战的研究领域。本文围绕m i m o o f d m 系统中的信道估 计技术展开分析研究，采取了理论分析和计算机仿真相结合的手段，主要进行了 以下四个方面工作： 1 深入分析了m i m o o f d m 技术在国内外的最新研究成果，总结出该技术领域 的两大研究方向，即基于o f d m 的空间复用和空时编码o f d m ，然后分别研 究了它们的基本原理，详细讨论了s t b c o f d m 系统的结构特点，阐述了 m i m o 信道模型，指出信道估计是保证系统传输质量，发挥其优越性的关键 所在。 2 深入研究基于训练序列的信道估计方法，依次分析了m i m o o f d m 系统中的 l s 时域估计算法以及频域估计算法，在此基础上分别给出它们的改进算法， 进一步提高了估计精度、降低算法复杂度，并结合计算机仿真分析比较了这 些算法的有效性和可行性。 3 全面分析了基于导频符号的信道估计方法，讨论了导频形式的选择准则，重 点研究了梳状导频估计算法和二维散布导频估计算法，提出了改进算法，并 结合计算机仿真分别验证了各算法的有效性，同时对它们的性能进行了分析 比较。 4 针对快速衰落时变信道，讨论了基于循环前缀的m i m o o f d m 系统的信道估 计方法。提出了一种隐训练序列的算法，同时还提出了一种重构循环前缀的 方法，用以实现高数据传输率、低频谱损耗系统的信道估计。计算机仿真证 明了算法在快衰落时变信道中的有效性。 关键词：多输入多输出，空时编码，正交频分复用，信道估计 m i m o o f d m 系统信道估计技术研究 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nh a se x t r a o r d i n a r yp r a c t i c a lv a l u ea s w e l la s s p e c i a l d i f f i c u l t i e s t h ec o m b i n a t i o no fm i m oa n do f d mh a s g r e a t l y i m p r o v e d t h ec o m m u n i c a t i o n c a p a c i t y a n dt r a n s m i s s i o n r a t e ，i nt h em e a n t i m e 、 m i m o o f d m s y s t e mg a l ae f f e c t i v e l yc o m b mm u l t i - p a t hf a d i n ga n di n t e r f e r e n c es o t h i ss y s t e mh a sb e e nc o n s i d e r e da so n eo f t h em o s ta v a i l a b l es c h e m e i nb e y o n d3 g 4 g w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i no r d e rt o i m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c ei na p p l i c a t i o n ，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 0 一o f d m s y s t e m t h i sp a p e rh a ss 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 ni nm i m o 0 f d m s y s t e m b yb o t ht 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 t h em a i nj o b si nt h i sp a p e ri sa s b e l o wf o l r ： 1 d e e p l ya n a l y z e dm o r d e nt e c h n i q u eo fm i m o ，o f d ms y s t e mi nb o t hd o m e s t i c a l e aa n da b r o a d ，s u m m a r i z e dt h et w om a i nt r e n d so f t l r i o s e s t u d y , n a m e l y ，s p a c e m u l t i p l e x i n gb a s e do no f d ma n ds t c o f d ma f t e rs t u d i e dt h ep r i n c i p l e so f t w o s y s t e m sr e s p e c t i v e l y , t h es t r u c t u r e c h a r a c t e ro fs t t c o f d ms y s t e mi s d i s c u s s e di nd e t a i l ，a l s o ，t h ec h a t a r t e ro f m i m o f a d i n gc h a n n e l si si n t r o d u e c e d i n t h ee n d ，t h ei m p o r t a n c eo fc h a n n e le s t i m a t i o ni nm i m o o f d m s y s t e mi sp o i n t e d o u t 2 d e e p l y s t u d i e dt h ec h a n n e le a t i m a f i o ni nm i m o o f d m s y s t e mb a s e do nt r a i n i n g s e q u e n c e a n a l y z e dt h el sa l g o r i t h m si nt i m ed o m a i na n di nf r e q u e n c ed o m a i n m o r d i f i e da l g o r i t h m sh a sb e e np r o p o s e dt oi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，a t l a s t ，c o m p u t e rs i m u l a t i o nh a sb e e nc o n d u c t ，t e s t i f y i n gt h ev a d i l i t ya n df e a s i b i l i t y o f t h e s ea l g o r i t h m s 3 ，c o m p l e t e l ys t u i e dt h ep i l o t - b a s e dc h a n n e 】e a t i m a t i o ni nm i m o o f d ms y s t e m t h ec r i t e f i a so fp i l o ts e l e c t i o na n dd i s t r i b u t i o na r ea n a l y z e df i r s t a f t e rt h a t ， c o m b t y p ep i l o tb a s e da n dt w o - - d i m e n s i o n a lp i l o tb a s e de s t i m a t i o na l g o r i t h m sa r e s t u d i e d m o d i f i e dm e t h o d sh a v e b e e n p r o p o s e d a t l a s t ，t h e p e r f o r m a n c e c o m p a r i s o no f t h o s ea l g o r i t g h m si sc o n d u c ta f t e rc o m p u t e rs i m u l a t i o n 4 a i m m i n ga tf a s tf a d i n gt i m ev a r y i n gm i m 0c h a n n e l t w oc h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h m sb a s e do no f d m c pi s p r o p o s e d o n ei sb a s e do ni m p l i c i tt r a i n i n g s e q u e n c e s 、t h eo t h e ri s b a s e do nc pr e c o n s t r u c t i o n t w oa l g o r i t h m sb o t hc a n i n c r e a s et h et r a n s m i s s i o nr a t ea n df r e q u e n c ye f f i c i e n c y t h ec o m p l e t e l ya n a l y s i s a n dc o m p a r i s o no ft h e s ea l g o r i t h m sa r em a d e b yc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，b yw h i c h t h ev a d i l i t yo f t w om e t h o d sa r ep r o v e da sw e l t k e y w o r d s ：m u l t i p l ei n p u t a n d m u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) ，s p a c e - t i m ec o d i n g o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) ，c h a n n e l e s t i m a t i o n 电子科技大学硕士论文 a o a a o d b 3 g b e r b l a s t c d m a c p e t s i f d m a f i r g m s k 缩略语 a n g l e o f a r r i v a l a n g l e o f d e p a r t u r e b e y o n d t h i r dg e n e r a t i o n b i te r r o rr a t i o b e l ll a b sl a y e r e ds p a c et i m e c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s c y c l i cp r e f i x e u r o p e a n t e l e c o m m u n i c m i o n s s d a n d a r d si n s t i t u t e f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s f i n i t ei n p u l s er e s p o n s e g a u s s i a nm e a ns h i f tk e y i n g g p r sg e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e i c i i s i i t u l m s l s m i m o m m s e n m s e o f d m p d p q p s k r l s s c m s e r s f c s n r s t b c i n t e r c a r r i e ri m e r f e r e n c e i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e i m e m 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 e a s tm e a n s q u a r e l e a s ts q u a r e 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 m i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o r n o r m a l i z e dm e a ns q u a r ee r r o r o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g p o w e r d e l a y p r o f i l e q u a t e m a r y p h a s es h i f tk e y i n g r e c u r s i v el e a s ts q u a r e s p a t i a lc h a n n e lm o d e l s y m b o le r r o r r a t i o s p a c ef r e q u e n c y c o d e s i g n a l t o - n o i s er a t i o s p a c e t i m eb l o c kc o d e l 到达角 离开角 后三代 误比特率 贝尔实验室分层 空时( 结构) 码分复用 循环前缀 欧洲电信标准协 会 频分复用 有限长脉冲响应 高斯最小频移键 控 通用分组无线业 务 载波间干扰 符号间干扰 国际电信联盟 最小均方误差 最小二乘 多入多出( 系统) 最小均方误差 归一划均方误差 正交频分复用 功率延迟剖面 四阶相移键控 迭代最小二乘 空间信道模型 误符号率 空频码 信噪比 空时分组编码 m i m 0 0 f d m 系统信道估计技术研究 s t c s t t c t d m a w c d m a w l a n w s s u s s p a c e t i m ec o d e s p a c et i m e t r e l l i sc o d e t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s w i d e b a n dc o d ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n g a c c e s s w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k w i d es e n s e s t a t i o n a r y u n c o r r e l a t e d s c a t t e r i n g i v 空时码 空时网格编码 时分复用 宽带码分多址 无线局域网 广义平稳非相干 散射 电子科技大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：e l 期：巧1 年佣相 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 电子科技大学硕士论文 第一章绪论 本章将简要回顾移动通信技术的发展历程，展望未来技术的发展趋势，透过 这一发展过程，分析揭示未来移动通信中无线传输技术所面临的挑战，提出本课 题的主要研究任务和意义，同时给出本文的主要工作及内容安排。 1 1 移动通信的发展历史与现状 移动通信属于无线通信的范畴，是一种特殊的无线通信，也是现代通信系统 中不可缺少的组成部分。这里首先简要回顾一下移动通信的发展历史，由此窥视 现代移动通信飞跃发展的历程。 1 1 1 移动通信发展历史与趋势 现代移动通信技术的发展始于2 0 世纪2 0 年代，但是一直到2 0 世纪7 0 年代中 期，才迎来了移动通信的蓬勃发展时期。第一代蜂窝移动通信系统出现于2 0 世纪 8 0 年代早期，采用频分多址和模拟技术，包括模拟蜂窝和无绳电话系统。典型的 系统有美国的a m p s 、英国的t a c s 、前西德的c 4 5 0 等。 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，蜂窝模拟网的容量己不能满足曰益增长的移动用 户的需求，数字移动通信系统进入了发展和成熟时期。数字技术是第二代移动通 信系统( 2 g ) 的主要特征。2 g 的主要特点有：采用微蜂窝小区结构及数字化技术， 引入新的调制方式：g m s k 、q p s k ，引入t d m a 、c d m a ，提高了频谱利用率 和用户容量，能提供更多种的业务，降低了开发成本，提供更有效的管理和更优 质的服务。 随着人们对通信业务范围和业务速率的不断提高，第二代移动通信网将很 难满足新的业务需求，人们正在制定第三代( 3 g ) 移动通信系统，以支持视频、 互联网按入以及其他更高速率的业务。1 9 9 2 年，国际电信联盟( i t u ) 提出准备 向所有国家开放2 0 0 0 m h z 频段。1 9 9 5 年，这一计划更名为国际移动电信标准2 0 0 0 ( i m t - 2 0 0 0 ) 。其主要特点为： 占用更高的频段( 2 g h z ) 和更大的带宽( 5 m h z ) ； 支持更高速率的多媒体业务：话音、数据传输、无线互联网接入、运动 图像传输等； 支持更高速率的数据传输；室内2 m b p s 、室外步, 行3 8 4 k b p s 、室外高速 m i m o o f d m 系统信道估计技术研究 移动1 4 4 k b p s ； 与第二代移动通信网兼容； 具有更高的频谱利用率及更高的系统容量。 欧洲的t d m a 和g s m 技术以及北美的i s 一9 5 c d m a 技术形成统一的第三代无 线技术，其中宽带码分多址技术是其主流技术。 由于目前3 g 系统的核心网还没有完全脱离第二代移动通信系统的核心网结 构，其实际只是第二代移动通信系统方案的改进，算不上真正意义上的宽带接入 网络，所以第三代系统可认为仅仅是一个从窄带向未来移动通信系统过渡的阶 段。目前人们已经把目光越来越多的投向后3 g 甚至4 g 、5 g 移动通信系统中，使 其可以容纳庞大的用户数、改善现有通信品质不良，以及达到高速数据传输的要 求。第四代移动通信系统( 4 g ) 在业务上、功能上、频带上都将不同于第三代 系统，它可称为宽带接入( b r o a d b a n da c c e s s ) 和分布网络，具有非对称的超过 2 m b p s 的数据传输能力，其主要的指标有： 为用户终端提供高达上百m b p s 的峰值无线数据传输速率，支持包括高速 互联网数据下载、高质量视频点播在内的各种媒体传输业务； 与i n t e r n e t 技术高度结合，使之成为一个具有强大生命力和广阔市场 前景的无线移动通信系统； 开发新频段并大幅度提高无线传输技术的频谱效率，满足大容量无线移 动通信的需求。 1 1 2 当前接入系统概况 目前世界范围内存在主要数字无线通信系统包括g s m 系统，i s 一1 3 6t d m a 以及i s 一9 5c d m a 系统。其中g s m 系统占据全球移动通信市场份额的5 8 ，可提 供2 4 k b i f f s 9 6 k b i t s 以及1 4 4 k b i f f s 的电路交换语音业务，还可通过g p r s 和 e d g e 分别提供1 4 4 k b i “s 和3 8 4 k b i t s 的分组交换数据业务。i s 一1 3 6 系统占有全球 市场9 的份额，可提供9 6 k b i f f s 的电路交换和传真业务，其最高速率可达 4 0 k b i t s 6 0 k b i t s 。i s 一9 5 系统占有市场份额1 4 ，能够提供可变速率接入，峰值 速率分别可达9 6 k b i f f s 和1 4 4 k b i t s ，还可以通过使用蜂窝数据分组数据( c d p d ) 网络来提供19 2 k b i t s 数据业务。 但对于高速数据业务来说，单载波t d m a 系统和窄带c d m a 系统都存在很大 的缺陷，新一代移动通信系统正面临两大技术难题： 如何大幅度的提高频谱效率； 如何实现高达几十到几百m b p s 的峰值无线数据传输。 电子科技大学硕士论文 多输入多输出( m i m o ) 技术通过空间复用，使频谱效率得以成倍提高】。 空时编码技术u 2 i _ us i 正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。正交频分复用( o f d m ) 技术则通过正交调制，实现了高效率的多 载波通信，并大大简化了宽带系统中接收机的复杂度。自从2 0 世纪8 0 年代以来， o f d m 已经在数字音频广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 、基于i e e e 8 0 2 1 1 标准的无线本地局域网( w l a n ) 以及有线电话网上基于现有铜双绞线的非对称 高比特率数字用户技术( 例如a d s l ) 中得到广泛应用。其中大都利用了o f d m 可以有效地消除信号多经传播所造成的i s i 这一特征。此外，o f d m 还易于结合 空时编码、分集、干扰( 包括i s i 和i c i ) 抑制以及智能天线等技术，最大程度 的提高物理层信息传输的可靠性。 自从1 9 9 6 年文献【l6 j 首次提出将o f d m 与空时编码相结合( 称为 m i m o o f d m ) 以来，m i m o o f d m 技术很快引起了通信界的广泛关注。结合 两者的m i m o o f d m 系统，在技术上相互补充、相得益彰，成为实现无线信道 高速数据传输最具希望的解决方案之一日】【4 】，具有非常广阔的研究和发展前景。 目前对m i m o o f d m 技术的研究主要向两个方向发展： 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 p l e x i n gs y s t e m s ) ， 即o f d m 与贝尔实验室b l a s t 系统的结合，它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。 空时编码o f d m 系统( s p a c e t i m ec o d e do f d m ，s t c o f d m ) ，r p o f d m 与 基于发射分集的空时码1 3 8 1 - 4 1 的结合，它主要利用信道编码和多天线阵技术 提高系统的抗衰落特性，从而可以采用多进制传输以提高系统的数据传输速 率。 1 2 课题的主要任务与意义 课题来源于8 6 3 计划个人通信技术专题方向的新型天线与分集技术研究课 题，其研究目标是：面向移动通信系统应用，研究适用于终端和基站的分布式或 多天线结构，探索可穿戴式天线或分布式天线在手机终端上的应用，研究相应的 提高系统容量和降低发射功率的方法。探索关键技术的实现，完成相应的技术示 范。以系统应用为目标，探索基于分布式天线或多天线阵子的发射分集、空时编 码、接收分集技术及其在手机和基站上的应用，提出相应的解决方案，申请有关 发明专利。该课题的研究涵盖了网络、物理层、服务等多个方面，本文研究工作 是此课题的研究内容的一部分，研究范围集中于物理层中基带传输部分，主要面 m 1 m o - o f d m 系统信道估计技术研究 向宽带应用，研究主题是b 3 g 的移动通信系统的关键技术之一，i n m i m o 。o f d m 系统中的信道估计技术。 1 3 本文的内容安排 论文总共分为六章，结构安排如下：第二章讨论了无线信道的衰落特性，以 及多径衰落信道的计算机仿真模型。第三章以m i m o o f d m 技术为核心，阐述 了o f d m 和m i m o 的基本原理。第四章讨论了基于训练序列和导频符号的信道估 计方法。第五章讨论了基于循环前缀的m i m o o f d m 系统的信道估计方法。第 六章总结全文。 电子科技大学硕士论文 第二章宽带m i m o 无线信道 信道是发射端和接收端之问传播媒介的总称，它是任何一个通信系统不可或 缺的组成部分。刻画和建模宽带m i m o 信道对m i m o 系统的实际性能的预测、系 统仿真及设计有重要作用。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。本文定义的宽带信道是指信道最大延迟时间与数字符号持续时间比值不小于 1 的无线信道【1 ，而m i m o 矩阵信道则涵盖了所有使用多天线的信道，单输入单 输出( s i s o ) 标量信道作为其特例。本章将首先讨论s i s o 宽带信道的主要特征， 然后将讨论m i m o 信道的特性以及仿真建模的方法。 2 1 宽带时变衰落信道的主要特性 本节以广义平稳非相关散射( w s s u s ) 宽带s l s o 信道 ( r ，r ) 为例来分析宽带 无线信道的统计特性和动态特性，并简要分析宽带信道的多普勒扩展、时延扩展。 在 m i m o 信道扩展时，下述分析可以扩展至m “0 信道中第g 发射天线至第i 接收天线信道曩。( r ，f ) 的分析。 2 1 1 衰落信道的统计特性 在实际移动环境中，尤其是城市地区，由于存在各种建筑物，接收信号中含 有大量反射波，令发射信号为 x ( t ) = s ( t ) e x p j ( 2 z r f i + 碗)( 2 一1 ) 这里s ( o 是带宽为b 的复基带信号、厂是载波频率、唬是任意的初始相位。 不失一般性，令唬= 0 。 如果假设移动台的速度为v ，在发射机和接收机之间没有直射波，忽略接收 机的加性高斯白噪声，那么基站接收到的信号为 t y ( f ) = 爿r i s ( t - r ，) e x p j 2 ； r ( f + ) c ac o s q , ，) 卜，枷 ( 2 _ 2 ) j = l 其中a 包含了路径损失和天线增益的共同作用( 假设传播距离扩展 a r ：m a x 一r n j n i 远远小于每一个传播距离l ，那么每一条路径的彳是相同的) 。 为了简化分析，下面假设a = 1 。 足是第i 条路径的幅度。 m i m o o f d m 系统信道估计技术研究