（通信与信息系统专业论文）基于80211n协议的mimoofdm技术的信道估计的研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 自2 0 世纪8 0 年代以后，正交频分复用( o f d m ，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 ) 技术不但在数字音频和视频广播领域得到广泛的应 用，而且已经成为无线局域网和无线城域网标准的一部分。o f d m 由于其 频谱利用率高、成本低等原因越来越受到人们的关注多入多出( m i m o ) 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。m i m o o f d m 集成了m i m o 和o f d m 技术的 优点，利用o f d m 能够将频率选择性信道转换为平坦衰落信道的特点可以 实现m i m o 技术在宽带无线数据传输中的可靠应用。在不久前拟定的 8 0 2 1 l n 协议草案中m i m o - - o f d m 技术是其采用的核心技术。 本文主要研究了基于8 0 2 1 l n 协议的m i m o o f d m 信道估计的研究。 首先给出了m i m o 。o f d m 的信道模型。在此基础上导出了在慢衰落信道下 的基于块状导频的l s 信道估计算法，分为时域估计和频域估计。然后研 究了基于s v d 的简化m m s e 算法，通过仿真分析了上述几种算法的性能。 提出一种天线分组的方案来减少天线数太多时信道估计所用到的训练符 号的个数最后研究了在快衰落信道下的基于梳状导频的的信道估计算 法，提出了种新的导频插入方案以减少传输误码率并仿真分析了这些算 法的性能和可行性。 关键词：正交频分复用，多输入多输出，信道估计，块状导频，梳状导频 重庆邮电大学硕士论文摘要 a b s t r a c t s i n c e19 8 0 s ，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 i n g ) t e c h n i q u en o to n l yh a sa p p l i e di nd i g i t a la u d i oa n dv i d e ob r o a d c a s tf i e l d w i d e l y ，b u ta l s oh a s b e e nnp a r to ft h er a d i ol a na n dm a ns t a n d a r d b e c a u s eo fi t sh i g hs p e c t r u me f f i c i e n c y ，l o wc o s ta n do t h e rr e a s o n s ，p e o p l e h a sp a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt oo f d m 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 ) i sag r e a tb r e a k t h r o u g h i n w i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o nf i e l d i tc a l li n c r e a s ec a p a c i t ya n ds p e c t r u m e f f i c i e n c yb u td o n t i n c r e a s et h eb a n d w i t h ，w h i c hi st h ek e yt e c h n o l o g yi n n e wg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m m i m o o f d mc o m b i n e st h e e x c e l l e n c eo fm i m oa n do f d m i tc a nr e a l i z et h eg o o da p p l i c a t i o n so fm i m o i nw i r e l e s sd i g i t a lt r a n s m i s s i o nf i e l db yu t i l i z i n go f d mt oc o n v e r s ef l a t f a d i n g c h a n n e lt of r e q u e n c ys e l e c t i v ec h a n n e l m i m o o f d mi st h ec o r e t e c h n o l o g yi n8 0 2 1in d r a f t t h ep a p e rm a i n l ys t u d i e st h ec h a n n e le s t i m a t i o ni nm i m o o f d mb a s e d o n8 0 2 1i nd r a f t a tf i r s tt h ec h a n n e lm o d e lo fm i m o o f d mi sp u t f o r w a r d l st i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i nc h a n n e le s t i m a t i o na r i t h m e t i c s b a s e do nb l o c k t y p ep i l o ta r r a n g e m e n to ns l o w f a d i n gc h a n n e la r ei n d u c e di n m i m o o f d ms y s t e m t h e nw es t u d ym m s ea r i t h m e t i c sa n dp u tf o r w a r d a m e l i o r a t i v em m s ea r i t h m e t i c sb a s eo ns v d t h ep e r f o r m a c eo f t h e v a r i o u sa r i t h m e t i c sa r ea n a l y z e db ym a t l a bs i m u l a t i o n t h ep a p e rp u tf o r w a r d aa n t e n n ag r o u p i n gs c h e m et om e e tt h es i t u a t i o nt h a tt h et r a n s i t t e ra n t e n n a s t h et r a i n i n gs y m b o l sa r et o om a n ya tl a s tt h ep a p e ra n a l y s e st h ec h a n n e l e s t i m a t i o na r i t h e m e t i c sb a s e do nc o m b - t y p ep i l o ta r r a n g e m e n to nf a s t f a d i n g c h a n n ea n dp u t sf o r w a r dan e wp i l o td i s t r i b u t i n gt y p et or e d u c et h eb i te r r o r r a t e t h ep e r f o r m a c e sa n df e a s i b i l i t i e so ft h ev a r i o u sa r i t h m e t i c sa r ea n a l y z e d b ym a t l a bs i m u l a t i o n k e yw o r d s ：o f d m m i m oc h a n n e le s t i m a t i o n b l o c k _ t y p ep i l o tc o m b - t y p ep i l o t 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，也不包含为获得重迭鲣鱼太堂或其他教育 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。 学位论文作者签名：王丽钬签字日期：三。叼锈月节日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆邮电太堂有关保留、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。本人授权重麽鲣直太堂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适用本授权书) 篓嚣三驴签字蠹端日 柳肌2 0 1 年s 月z 7 日辩醐：节嵋7 日 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线局域网的发展 无线局域网是指采用无线传输媒体的计算机局域网，采用的标准是 i e e e s 0 2 1 l 。1 9 9 7 年，作为全球公认的局域网权威，i e e e8 0 2 工作组经过 了7 年的工作以后发布了8 0 2 1 1 协议【lj ，这是工作于2 4 g h zi s m 频段的 第一个w l a n 标准，也是在无线局域网领域内的第一个国际上被认可的标 准该标准规定了三种不同的物理层技术一一直接序列扩频 ( d i r e c t s e q u e n c es p r e a d s p e c t r u m ，d s s s ) 、跳频扩频( f r e q u e n c y - h o p p i n g s p r e a d s p e c t r u m ，f h s s ) 和红夕b ( i n f r a r e d ，i r ) ，可以提供2 m b s 的数据速率。 在1 9 9 9 年9 月，8 0 2 1 1 工作组又提出8 0 2 1 1 b “h i g hr a t e ”协议，用来对 8 0 2 1 l 协议进行补充，8 0 2 1 1 b 通过用补码健控( c c k ) 技术改进d s s s 机制， 从而在8 0 2 1 1 的l m b s 和2 m b s 速率下又增加了5 5 m b s 和1 1 m b s 两个 新的网络吞吐速率。工作于2 4 g h z 频段的标准后来又进一步演进到 8 0 2 1 1 9 的5 4 m b s ，直至今日8 0 2 1 l n 的1 0 8 m b s 。 采用无线电波传输的无线局域网，具有高移动性、保密性、抗干扰性 和架设与维护容易等特点，其中支持移动计算机是无线局域网与有线网络 的最大区别。由于无线局域网有许多优点，在变动频繁、成长快速、突发 性，以及不方便铺设网络的情况下，成为最佳的选择方案，其广泛应用于 下列领域：接入组织网络信息系统，包括电子邮件、文件传输和终端仿真； 难于布线的环境，如老建筑、布线困难或昂贵的露天区域和工厂；频繁变 化的环境，如频繁更换工作地点和改变位置的零售商、生产商和银行；专 门工程或高峰时间所需的暂时局域网，包括商业展览、建设地点所需的短 期安装、空运和航运公司高峰时间所需的额外工作站；流动工作者所到的 区域等。 2 0 0 2 年底。i e e e 成立了8 0 2 i l n 工作小组，以制定项新的高速无线局 域网标准一一i e e e 8 0 2 1 i n 8 0 2 1 l n 工作小组的目标有3 个：i ) m a c 层数 据速率至少要达到1 0 0m b p s s 以上，是现在8 0 2 1 l 系统的4 倍；2 ) 频谱效 率要进一步提高；3 ) 向后兼容8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 1 9 。为了达到上述目的， 8 0 2 1 i n 主要采用的是下一代移动通信中的技术。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 i e e e s 0 2 1 l n 协议为双频工作模式，包括2 4 g h z 和5 g h z 两个频段。 i e e e s 0 2 1 l n 为了提升整个网络的吞吐量，对m a c 层协议也进行了优化， 改变数据帧结构，增加了净负载所占的比重，减少管理检错所占的字节数， 大大提升了网络的吞吐量。i e e e s 0 2 1 l n 研究小组是由高吞吐量研究小组 发展来的。该小组希望通过增加传输的净负载，减少管理及检错的字节， 来提高整体传输效率。这样增加了符号传输速率，使的网络的吞吐量达到 了i e e e s 0 2 1 l g 的两倍，达到1 0 8 m b p s 1 2 技术现状与背景 o f d m1 2 j 扣j 是4 g 中的关键技术，是一种有效利用频率资源的多载波 数字调制技术。o f d m 在频域把信道分成若干正交子信道，子信道之间频 谱部分重叠，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远小于信道带宽，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，每个子信道可以等效为一个 窄带信道，从而大大减少了符号间干扰( i s d 。此外，通过在o f d m 中的 保护间隔进一步增强其抗多径衰落的能力o f d m 技术以抗多径能力强，频 谱利用率高等优点在实际中得到了广泛的应用，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 s 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线技术中得到了应用。其中大都利用 了o f d m 可以有效消除信号多径传播所造成符号间干扰这一特征。 多入多出( m i m o ) 1 6 】- 【3 】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m i m o 在用于宽带 高速无线数据传输时，将面临无线信道的频率选择性问题。虽然可以采用 级联均衡器的方法加以解决，但由于无线信道的时变性和复杂性，使得设 计实用可靠的均衡器非常困难，所以目前倾向于使用m i m o 与正交频分复 用( o f d m ) 技术结合的传输方式。 m i m o o f d m 集成了m i m o 和o f d m 技术的优点，是8 0 2 1 l n 协议 中运用到的关键技术，它利用o f d m 能够将频率选择性信道转换为平坦衰 落信道的特点可以实现m i m o 技术在宽带无线数据传输中的可靠应用。在 m i m o o f d m 系统中，经过空时编码后输出与天线数相同个数的子数据 流，这些子数据流并行输入到同样数目的i f f t 变换器，变换后由多个发 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 射天线发送，接收端进行相反的操作。在高速无线传输时，由于每个子数 据流都经过了o f d m 模块，使得映射在子载波上的数据符号长度增加，有 效地抵抗了无线信道的时间弥散所带来的i s i 。而对于子载波来说，每个 i f f t 的子载波采用同样的载波间隔，则同样位置的子载波上映射了一个空 时编码符号向量。 1 3 课题主要内容与研究意义 在o f d m 无线通信系统中一般采用多迸制调制方式，如m q a m 调制 方式，这就需要在接收端进行相干解调。由于无线信道的传输特性是随时 间变化的，因此相干解调就要用到信道的瞬时状态信息，所以在系统接收 端需要进行信道估计，以获得无线信道的瞬时传输特性。此外，信道估计 还可以用来纠正频率偏移造成的信号正交性的破坏；另一方面，对于结合 m i m o 技术的o f d m 系统来说，将空间分集、频率分集以及时间分集有机 地结合在一起，可以大大提高无线通信中的信道容量和传输速率，并能有 效的抵抗衰落、抑制干扰和噪声。在实际应用中，为了进一步提高系统的 频谱效率，m i m o o f d m 系统通常采用幅度非恒定的调制方式，例如 1 6 q a m 等，在这种情况下，接收端需要信道状态信息c s i 才能进行相干 解调，另外，空时编码的译码也需要有精确的信道状态信息才能完成。因 此，信道估计是m i m o o f d m 系统接收机设计的一项主要任务。单输入 单输出( s s 0 1o f d m 系统中的信道估计通常可以分为基于块状导频的信 道估计、基于梳状导频的信道估计和盲估计三类。因为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，所以，若直接采用上述适用于s i s o 系统的信道估计算法 来进行m i m o o f d m 系统的信道估计，对于某个特定的发射接收天线对， 来自于其他天线的信号即为干扰，信号噪声功率比常常在o d b 以下，从而 带来很大的估计误差，导致系统性能急剧下降，因此，m i m o o f d m 系统 的信道估计是一个充满挑战且极具意义的研究课题，所以本文将基于 8 0 2 1 l n 协议的系统参数针对m i m o o f d m 系统的信道估计问题展开研 究。 1 4 论文工作安排 第一章介绍了无线局域网的发展，着重介绍了o f d m 与m i m o 技术 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 在4 g 及无线局域网中的重要作用 第二章介绍了论文分析和仿真中必要的基础知识，主要包括无线信 道、信道建模。 第三章介绍了o f d m 与m i m o 的基本原理，详细分析了m i m o o f d m 系统以及m i m o 技术领域的一个研究热点是空时编码。 第四章主要是对慢衰落信道估计算法进行研究详细研究了l s 信道 估计算法的时域算法和频域算法，给出了基于s v d 分解的低阶的m m s e 改进算法，降低了算法的复杂度，通过仿真证明了该算法具有很强的可行 性。提出了天线分组的方法，解决了天线数太多的情况下信道估计的训练 符号的个数会线性增长的问题。最后在8 0 2 1 i n 协议的仿真参数下对几种 算法的性能进行分析。 第五章主要是对快衰落信道估计算法进行研究。给出了几种主要的插 值算法，分析了几种算法的优点和局限性，提出了一种非均匀分布的导频 方案，降低了总的传输的误码率。最后对几种算法进行性能仿真。 第六章总结全文，并提出本课题有待进一步研究的问题。 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动无线信道 第二章移动无线信道 信道是发射端和接收端之间传播媒介的总称，它是任何一个通信系统 不可或缺的组成部分。在无线通信系统的设计过程中，为了设计最佳的调 制解调器、最优的信道编码方案以及最好的分集方案，需要首先对无线信 道进行精确建模，因此，无线信道建模是其它无线通信技术设计的基础， 也成为信道估计中具有挑战性的难点。一般来说，可以把信道模型分成两 个部分：大尺度传播模型和小尺度衰落模型而在无线通信系统的算法设 计中，起主要作用的是小尺度衰落模型。因此本章主要讨论无线信道的衰 落特性，并给出了瑞利衰落信道的一种统计模型c l a r k e 模型。 2 1 无线信道 移动信道是一种时变信道。无线电信号通过移动信道时会遭受来自不 同途径的衰减损害。这些损害可以归纳为三类9 1 。接收信号的功率可用公 式表示为 p ( d ) = i d r “s ( d ) r ( d ) ( 2 1 ) 式中，l d i 表示移动台与基站的距离。当移动台运动时，距离是时间的 函数，所以接收信号功率也是时间的函数。 根据上式，无线信道对传输信号的影响可以分为三种： ( 1 ) 自由空间传播损耗，用p r 表示，其中n 一般为3 - 4 ，它表明的是在 以公里计的较大范围内接收信号的变化特性 ( 2 ) 阴影衰落，又称慢衰落，用s ( d ) 表示，这是由于传播环境的地形起 伏、建筑物和其它障碍物对电波的阻塞或遮蔽而引起的衰落。它反映在数 百波长的区间内，信号的短区间中值出现缓慢变动，其衰落特性符合对数 正态分布。 ( 3 ) 多径衰落，又称快衰落，用尺( d ) 表示，它是由于无线电波在空间 传播会存在反射、绕射、衍射等，因此造成信号可以经过多条路径到达接 收端，而每个信号分量的时延、衰落和相位都不相同，因此在接收端对多 个信号分量叠加时，会造成同相增加，异相减小的现象。在数十波长的范 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动无线信道 围内，接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征，其衰落特性一般符合 瑞利分布。 由于路径损耗和衰落的影响，接收信号要比发射的信号弱的多，对快 速移动的用户而言，平均路径损耗变化很慢，信号的变化主要表现为衰落。 阴影衰落常称为慢衰落，也称为长期衰落，主要来自建筑物和其他障碍物 的阻塞效应。多径衰落常称快衰落，又称短期衰落或r a y l e i g h 衰落，由移 动用户附近的多径散射产生。图2 1 给出了某衰落信号的路径损耗、慢衰 落和快衰落的示意图。 3 褂 捉 咿 地 腰赢( 对数) 图2 1 信号在无线信道中的传播特性 从移动通信系统工程的角度看，传播损耗和阴影衰落主要影响到无线 区的覆盖，而多径衰落则严重影响信号传输质量，必须采用抗衰落技术来 减少其影响。下面对多径衰落信道进行进一步讨论。 2 2 多径衰落信道的物理特。睦 移动信道是一种多径衰落信道，发射的信号要经过多条传播路径才能 到达接收端，而且随着移动台的移动，各条传播路径上的信号幅度、时延 及相位随时随地发生变化，所以接收到的信号的电平是起伏不定的，这些 多径信号相互迭加就形成了衰落。多径传播对于数字信号传输有特殊的影 响，包括角度扩展、时延扩展和频率扩展 i o l 。 1 ) 角度扩展一空闯选择性衰落 角度扩展包括接收端的角度扩展和发射端的角度扩展。接收端的角度 扩展是指多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽同样，发射端的角度 扩展指的是由多径的反射和散射引起的发射角展宽。由于角度扩展，接收 信号产生空间选择性衰落，也就是说，接收信号幅值与天线的空间位置有 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动无线信道 关。 空间选择性衰落用相干距离来描述。相干距离定义为两根天线上的信 道响应保持强相关的最大空间距离。相干距离越短，角度扩展越大；反之， 相干距离越长，则角度扩展越小。 图2 2 角度扩展造成空间选择性衰落 2 ) 时延扩展一频率选择性衰落 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展当发射端发送一个极 窄的脉冲信号8 ( 0 时，由于不同路径的传播距离不一样，信号沿各个路径 到移动台的时间也就不同，接收信号7 由不同时延的脉冲组成，可表示 为 ，( f ) = k ( r ) 万 f 一( f ) ( 2 2 ) n 这里h ( ，) 是第n 条路径的反射系数，( f ) 是第n 条路径的时延。 图2 3 多径接收信号 最后一个可分辨的延时信号与第一个延时信号到达时间之差为最大 时延扩展，记作。由于时延的扩展，接收信号中一个码元的波形会扩 展到其他码元周期中，引起码间串扰。 挲 l 姘 山变皿强j 址删址 信山旷 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动无线信道 与时延扩展有关的一个重要概念就是相干带宽。 数来定义相干带宽，即 曰：上 l m a x 通常用最大时延的倒 ( 2 3 ) 图2 4 时延扩展导致频率选择性衰落 多径衰落信道对信号中不同的频率分量所造成的衰落是不同的。根据 衰落与频率的关系，可将衰落分为两种：频率选择性衰落和非频率选择性 衰落对于移动信道来说，当信号带宽小于相干带宽时，发生非频率选择 性衰落，即传输后，信号中各频率分量所遭受的衰落是一致的，因而衰落 信号的波形不失真。当信号带宽大于相干带宽时，发生频率选择性衰落， 即传输信道对信号中不同频率分量有不同的随机响应，所以衰落信号波形 将产生失真。 一般来说，窄带信号通过移动信道会引起平坦衰落，而宽带扩频信号 将引起频率选择性衰落。 3 1 频率扩展一时间选择性衰落 移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应， 所导致的附加频移称为多普勒频移，表示为 厶= 竺警 ( 2 4 ) 其中口是入射电波与移动台运动方向的夹角，v 是运动速度，五是波长。 厶2 况是厶的最大值，称为最大多普勒频移。 在多径环境中，衰落信号的频率随机变化称为随机调频。对于移动台 3 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动无线信道 来说，由于周围物体的反射，其多径接收信号的入射角都不全相同。假设 移动台天线为全向天线，路径数较大，且不存在直达径，则可认为多径波 均匀来自各个方向，入射角口服从o 一2 7 r 的均匀分布，口到a + 如之间的到 达电波功率为尼v i d 口i ，这里最v 是所有到达电波的平均功率，来自口与一n 之间的电波有相同的多普勒频移，使信号的频率变为 f = 五+ 厶c o s l z ( 2 5 ) 当入射角从口到口+ d 口变化时，信号的频率从厂变化到，托矿。其间的 射频功率为 s ( j o l d ：j = 2 岳， 0 口 石( 2 6 ) 由以上两式可得到接收信号功率谱为 ) = 岳 1 - ( 警个，工+ 厶净五一厶旺， 上式即是经典功率谱【9 1 。 信号谱密度 频率 时间 图2 5 频率偏移导致时间选择性衰落 由( 2 7 ) 式可见，虽然发射频率为工，但接收电波的功率谱s 却 展宽到五一厶到五+ 厶范围，即多普勒频移。时间选择性衰落信号的幅 度变化符合瑞利分布，通常被称为瑞利衰落。 将最大多普勒频移厶的倒数定义为相干时间正，即 = 去 9 ( 2 8 ) 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动无线信道 相干时间表征的是时变信道对信号的衰落节拍，而这种衰落是由于多 普勒效应引起的。在时间间隔瓦之内，信道可以认为是不变的。 2 3 多径衰落信道模型建模 由于信道环境的复杂性，衰落信道的统计模型也有很多种，本文只重 点介绍c l a r k e 模型【9 j 。 c l a r k e 提出了一种用于描述平坦小尺度衰落的统计模型，即瑞利衰落 信道。在移动无线信道中，瑞利分布是常见的用于描述平坦衰落信号或独 立多径分量接收包络统计时变特性的一种分布类型。我们先讨论恒幅单频 信号的发射情况。在典型的陆地移动无线信道中，假设直射波被阻断，并 且移动单元只能接收到反射波。根据中心极限定理，当反射波的数量比较 大时，接收信号的两个正交分量是均值为零、方差为的互不相关的高斯 随机过程，则任意时刻接收信号的包络服从瑞利概率分布，相位服从一z z 的均匀分布。 假设系统所要传输的复信号为 x ( t ) = ，( r ) + ，q ( f ) ( 2 9 ) 将它调制到角频率为哝的载波上去 - s i n ( j ) 发送部分 图2 6 发送端调制 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动无线信道 s ( t ) = 1 ( t ) e o s 吖一g t ) s i n 吖 ；r e 【j ( f ) + j q ( t ) c o s c o j + j s i n 妒卅 ( 2 i o ) = r e 2 ；t l l t ) + j q ( t ) i e 脚， 其中，s ( t ) 的包络为【，+ q ( f ) 】，即：x ( f ) 。 设移动台相对于基站的运动速度为v ，第疗条入射电磁波与移动台运动 方向夹角为，则其d o p p l e r 频移为 = 2 丁c j 石c o s = 2 矾c 。s = 哟c 。5 ( 2 i i ) 式中c 为真空中光速，厶为最大d o p p l e r 频率偏移。信号经过多径信道到达 移动台的接收信号为 ，p ) = ( f ) 一r e ( t ) ( 2 1 2 ) 其中 乃( f ) = c c o s ( c o j + c o t + 痧) l ( t ) = 【e c o s ( q r + 九) 】c o s 町- 【( 7 , s i n ( c o t + ) s i nc o j l ( t ) ( 2 1 3 ) = t 。( t ) c o s c o ：一t , ( t ) s i n c o j l ( t ) r a 理可得 饧( f ) = ( gs 域n + q ，+ 丸) ) q ( f ) n - i = 【g c o s ( ，+ 吮) 】s i i l 吐，+ 【es i n ( r + 九) 】c o s 魄f q ( ，) ( 2 1 4 ) = 【瓦( f ) c o s q f + 瓦( r ) s i n 吐f 】q ( r ) 两式中g 为第n 条路径的信道衰落因子，戎为第n 条路径的固定相位偏移， 瓦( r ) 和t ( r ) 分别为 瓦( f ) = g c o s ( f + 疤) n - i e ( r ) = c ：s i n ( n v + 丸) 将接收信号丝1 理后，可得 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动无线信道 r ( t ) = r a t ) 一，口( ，) = 届石甬亨丽c o s 【叼+ 妒( f ) 】，( f ) ( 2 1 7 ) 一抠丽硒万s i i l 【r + 妒( f ) 】q ( ，) 其中 c o s 。丽t c ( t ) ，s i i l 砸) 2 揣眩1 8 ) 经过以上分析可知，发送信号s ( f ) 的包络为【，( f ) + j q ( f ) 】，经过多径衰落信 道后，接收信号的包络变为圭阢( f ) + 皿( f ) 】【坤) + 刃( f ) 1 假设两个正交分量瓦( f ) 和i o ) 是均值为零、方差为矿的互不相关的高 斯随机过程。疋( ) 和瓦( ，) 在多普勒衰落影响下的功率谱密度为 弘m ” ，o 庙 ， 【 o 其它 信道仿真建模过程可由图2 7 描述： 图2 7 仿真信道建立过程 重庆邮电大学硕士论文第三章m i m o o f d m 系统基本原理 第三章m i m o o f d m 系统基本原理 3 1 0 f d m 基本原理 o f d m 的基本原理是将一高速数据流分解成在多个子载波上同时传输 的低速的数据流。对于每个子载波而言，由于数据速率较低，所以符号周 期增长。符号周期的增长就使得由信道造成的相对时间弥散变小。从频域 角度分析，o f d m 将整个传输频带分割成多个带宽较窄的子带。信道在整 个频带上呈现频率选择性衰落，但在每个子带上则呈现平坦衰落的特性。 而且，通过引入一定的保护间隔，o f d m 符号间的干扰几乎可以完全消除 掉。 3 1 10 f d m 的基本模型 o f d m 系统的一个重要优点就是可以利用快速傅立叶变换实现调制和 解调，从而可以大大简化系统实现的复杂度，下面将简述其原理。 一个o f d m 符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每 个子载波都可受到相移键控( p s k ) 或正交幅度调 帛l j ( q a m ) 符号的调制。如 果n 代表子信道个数，t 代表o f d m 符号的宽度，d ( t ) i = o i 。一1 是分 配给每个子信道的数据符号，r e c ( t ) = l , l t i t 2 ，则从t = t 开始的o f d m 符号 可以表示为 r 1t r , ： 1、t 峨i帆f(f-fj_,plj2#(lr=0+ 争卅旷骚+ r ( 3 1 )l -1 j jj 一j ( 31 】 s ( f ) = 0 t ( r + f 一) 重庆邮电大学硕士论文第三章m i m o o f d m 系统基本原理 卫扛一一衔l - 。；一 e 1 _ _ ! l 圆一 一蚤悃玉 s p p s盟p i 熄 ； d n 一史 f h o + ( 汐- -一分昏 图3 1o f d m 系统基本模型框图 o f d m 符号在一个周期内包含了多个非零的子载波，且每个子载波是 相互正交的，由( 3 2 ) 可以证明， ；f ：e x p ( j w r ) e x p ( j w r ) d t = ：z ( 3 2 ) 经过调制后，各个子载波的频谱相互重叠，在每个子载波频率最大值 处正好对应其他子信道的频谱值的零点这不仅可以避免子载波间的相互 干扰i c i ( i n t e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ) ，还大大节省了频谱资源。由图3 2 可以看出，当所有的子载波组合在一起的时候，总的频谱形状非常接近矩 形频谱，频谱利用率理论上可以达到s h a n n o n 信息论极限。而在实际应用 中，由于理想的n y q u i s t 滤波器很难实现，单载波系统的频谱利用率很难 超过8 0 。 1 4 重庆邮电大学硕士论文第三章m i m o - o f d m 系统基本原理 o f d m 子载波辨菅 图3 2o f d m 系统频谱图 3 1 2d f t 的实现 对于n 较大的系统，( 3 1 ) 中的o f d m 复等效信号可以采用离散傅立 叶逆变换( i d f t ) 方法实现。i d f t 是常用的比较好的处理方法，信号在 时域和频域上均被抽样。为了简便叙述，令( 3 1 ) 中的t i = 0 ，并忽略矩形 函数，对信号j ( r ) 以吖n 的速率进行抽样，即f = t 叫( t = o ，1 ，l ，n 1 ) ，可以 得到： 以= ，叫) _ n 荟- i 磷“p 2 7 r i k ) ，七= o ，1 a ，_ l ( 3 3 ) 可以看到等效为对碣进行i d f t 运算同样在接收端， 始的数据符号西，可以对& 进行逆变换，即d f t 得到： z = 套d 一，刳，i = o , i , a , n - 1j l oj y 为了恢复出原 ( 3 4 ) 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n 点i d f t 运算，把频域数据符号西变换为时域 数据符号以，经过射频载波调制之后，发送到无线信道中。其中每一个i d f t 输出的数据符号& 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。 在o 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( i f f t f f t ) 。n 点的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程度和运算次数。 重庆邮电大学硕士论文 第三章m i m o - o f d m 系统基本原理 图3 3o f d m 系统收发原理图 3 1 3 保护间隔和循环前缀 在实际的移动通信环境中，接收机往往会接收到多个经过不同传播路 径到达的信号，这些多径信号的相互叠加不仅会造成多径衰落，同时对 o f d m 系统来说，多径效应会造成前一个o f d m 符号的多径时延分量会对 后一个o f d m 符号的解调造成干扰。为了最大限度地消除符号间干扰，可 以在每个o f d m 符号之间插入保护间隔( g 1 ，g u a r di n t e r v a l ) ，同时令该保 护阃隔长度z 大于无线信道中的最大时延扩展气。 实际中一般采用循环前缀来作为o f d m 符号的保护间隔，即将每个 o f d m 符号的后中的样点复制到o f d m 符号的前面，形成前缀。这种保 护间隔是一种循环复制，增加的符号的波形长度，在符号的数据部分，每 个子载波内有一个整数倍的循环。这种做法还可以减少在接收端的定时偏 差错误，接收端抽样开始的时刻只需满足 乙 条件，则不同起始 时刻对解调f f t 运算结果造成的影响只表现在相位上，对运算结果做相位 纠正即可消除定时偏差的影响。循环前缀的保护间隔插入如图3 4 所示。 l 一出围 e m 。簸镕b 鞫 li l 卜l 叫i k 7 ，l 一 r 肘一 图3 4 加入保护间隔的o f d m 符号 噪声 重庆邮电大学硕士论文 第三章m i m o - o f d m 系统基本原理 3 1 40 f d m 的优缺点 o f d m 系统的主要优点如下： 1 由于o f d m 各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱互相 重叠，因此与常规的频分复用系统相比，o f d m 系统可最大限度的利用频 谱资源。 2 各个子信道中的正交调制和解调可以采用i d f t 和d f t 来实现。 对于子信道数很多的系统，还可以用f f t 来实现。这样运算量就很小，实 现简单。 3 无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量 要远远大予上行链路的数据传输量o f d m 系统可以很容易地通过使用不 同数量的予信道来实现上行和下行链路中的不同传输速率。 4 实际的信道多数都是频率选择性衰落信道，但是不可能所有的子 信道都同时处于深衰落。因此，性能差的只是其中的小部分子信道，就可 以通过信道编解码来得到最终的解调数据还可以通过动态比特分配和动 态子信道分配来充分利用信噪比较高的子信道，从而提升系统性能。 5 o f d m 由于其频分特性，容易与其他多种接入方式相结合使用， 构成o f d m a 系统，其中包括多载波码分多址( m c c d m a ) 、调频o f d m 以及o f d m t d m a 等。 o f d m 系统由于存在多个正交的子载波，而且其输出信号是多个子信 道的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下主要缺点： 1 受频率偏差影响。由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间 的正交性提出了严格的要求。然而由于无线信道存在时变性，在传输过程 中会出现无线信道的频率偏移，例如多普勒频移，或者由于发射机载波频 率与接收机本地振荡器之间存在频率偏差，都会使得o f d m 系统子载波之 间的正交性遭到破坏，从而导致子信道间的信号相互干扰( ( i c i ) ，这种对频 率偏差敏感是o f d m 系统的主要缺点之一 2 存在较高的峰值平均功率比。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的叠加，因此如果多个信号相位一致时，所得 到的叠加信号的瞬间功率会远远大于信号的平均功率，导致出现较大的峰 值平均功率比( p a r ) 。这样就对发射机内放大器的线性提出了很高的要求。 重庆邮电大学硕士论文 第三章m i m o - o f d m 系统基本原理 3 2m im 0 基本原理 3 2 1 m o 系统结构 m i m o ( 多输入多输出) 技术的原理是信号通过发射端和接收端的多个 天线同时进行发送和接收，从而改善每个用户得到的服务质量。m i m o 技 术的关键是有效地利用了随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高 数据传输速率，它的成功之处在于它能够在不额外增加所占用的信号带宽 的前提下带来无线通信性能上几个数量级的改善 系统容量指通信系统在一定信噪比条件下所能达到的最大传输速率， 是衡量通信系统的重要指标之一对于有m 个发射天线，个接收天线的 m i m o 系统，假定信道为独立的瑞利衰落，在收发天线之间形成mx r 阶 信道矩阵h ，在某一时刻t ，信道矩阵为： h = h l l 2 札 h 2 lk m h n h n ? 2 h n ? m 其中，玩是从第，个发射天线到第f 个接收天线间的瑞利衰落系数。则 系统容量可以表示为： c = b l 0 9 2 d e t 1 # + 导删” ( b p s i h z ) ( 3 5 ) v - 其中，p 是接收端平均信噪比，b 是信号带宽。当j ，r 很大时。信道容量 c 可以近似为 c = n c m n , ， b l 0 9 2 ( , 0 1 2 ) ( 3 6 ) 从上式可以看出，m i m o 系统的信道容量随着天线数量的增大而增大， 也就是说m i m o 技术可以成倍地提高无线信道的容量，但是也不是无限增 大，有一个极限值。 1 3 重庆邮电大学硕士论文第三章m i m o o f d m 系统基本原理 骊兰 接 蒸- 收 端 言道散射；乒 图3 5 多输入多输出系统 m i m o 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这是一种近于最优的空域时域联合的分集 和干扰对消处理利用m i m o 技术可以提高信道的容量，同时也可以提高 信道的可靠性，降低误码率。前者是利用m i m o 信道提供的空间复用增益， 后者是利用m i m o 信道提供的空间分集增益。 3 2 2 空时码 目前m i m o 技术领域的一个研究熟点是空时编码。常见的空时码有空 时分组码( s t b c ) 、空时格码( s t t c ) 空时码的主要思想是利用空间和时间 上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率空时编 码将编码技术和阵列技术有机地结合在一起，实现了空分多址，从而提高 了系统的抗衰落性能；同时它又利用衰落信道的多径传播以及发射