（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统中信道估计方法的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 随着互联网和移动通信的高速发展，无线高速数据服务的要求也与同俱增。正交频 分复用( 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 go f d m ) 技术能够有效的抵抗符号间干 扰且能提高频谱利用率。多输入多输出( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u tm i m o ) 技术通过 多个发送和接收天线大大提高了无线信道的容量。m i m o o f d m 技术已经成为下一代移动 通信的核心技术之一。信道估计作为m i m o o f d m 的关键技术直接影响着系统的性能。 本文从频域估计和时域估计两个方面出发，对m i m o o f d m 系统的信道估计技术作了分 析研究。 论文首先介绍了m i m o 和o f d m 技术的原理及各种空时编码( b l a s t , s t t c ，s t b c ) ， 给出了m i m o o f d m 技术结合的几种系统模型。接着介绍了无线移动信道的特性及本文 仿真所采用的s u i 3 信道模型。然后论文对基于导频的频域估计方法的三种导频结构及三 种信道估计的基本方法( l s ，l m m s e ，m l ) 以及基于迭代d f t 的插值算法进行了研究和仿 真分析比较。论文还研究了m i m o o f d m 经典的时域估计算法及其改进算法，对算法的 无偏估计和m s e 作了详细的证明和计算，在此基础上设计了最优f 交训练序列并推广至 多根天线的系统中。从仿真中得出：对于两发两收的1 6 q a m 系统来说，要达到l x l o - j 的 b e r ，采用改进的时域估计方法要比频域l m m s e 改善了l d b 。为了降低信道估计计算的 复杂度，论文还采用了一种频域相关的时域信道估计方法，减小了矩阵求逆的次数，在性 能略有下降的情况下，使得信道估计的计算复杂度降低了一半。论文最后在统一架构下给 出了频域和时域各种估计方法与理想信道下的性能比较与仿真分析，得出了一些有益的结 论。 南京邮电大学硕士研究生学位论文a b s t t a c t a b s t r a c t t h er a p i dg r o w t ho fi n t e m e ta n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ss u g g e s t st h a tw i r e l e s sh i g h - s p e e dd a t as e r v i c e s w i l lb ci n g r e a td e m a n d 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 ( o f d m ) h a sr o b u s t n e s st o i n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ( i s 0a n dh i g hs p e c t r u me 街c i e n c y m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ( m i m o ) t e c h n o l o g yc a ns i g n i f i c a n t l yi n c r e a s ec a p a c i t yo fw i r e l e s sc h a n n e lb yd e p l o y i n gm u l t i p l et r a n s m i ta n dr e c e i v e a n t e n n a s t h ec o m b i n a t i o no fo f d ma n dm i m eh a sb e e nc o n s i d e r e da so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fn e x t g 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 c h a n n e le s t i m a t i o na st h ek e yt e c h n o l o g yh a st h ed i r e c ti m p a c t i n f l u e n c eo nt h em i m o - o f d ms y s t e m w ef o c u so nt h e s t u d yo fc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o di n m i m o - o f d ms y s t e mf r o mf r e q u e n c y - d o m a i na n dt i m e - d o m a i n f i r s t l y , t h eb a s i cp r i n c i p l eo fm i m oa n do f d m ，a l s ot h ek i n d so fs p a c e - t i m ec o d i n ga r ed e s c r i b e d ( b l a s t , s t t c ，s t b c ) t h ek i n d so fs y s t e mm o d e lo fm i m o - o f d ma r ei n v e s t i g a t e d t h e nt h ec h a r a c t e r i s t i c o fw i r e l e s sc h a n n e la n dt h es u i - 3c h a n n e lm o d e lw eu s e di nt h i sp a p e ra r ed e s c r i b e d d u r i n gt h es t u d yo f c h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d si nf r e q u e n c y - d o m a i n ，w ei n v e s t i g a t et h r e ek i n d so fs t r u c t u r eo fp i l o ta n dt h r e e b a s i ce s t i m a t i o np r i n c i p l e ( l s ，l m m s e ，m l ) ，a l s oam e t h o do fi n t e r p o l a t i o nc a l l e di t e r a t i v ed f t f r o mt h e s i m u l a t i o nw eg i v ea l la n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n s t h e nt h ec l a s s i c a lm e t h o do fc h a n n e le s t i m a t i o na n di t s i m p r o v e da l g o r i t h mi nt i m e - d o m a i na r ei n v e s t i g a t e d t h eu n b i a s e de s t i m a t i o na n dm s e o ft h i sm e t h o d 础 p r o v e d b a s eo nt h i s 。t h eo p t i m u mt r a i n i n g - s e q u e n c ei sd e s i g n e df o rt h i ss y s t e m ，a l s og e n e r a l i z e dt ot h e s y s t e mw i t hm o r et h a nt w os y s t e m f r o mt h es i m u l a t i o nw ec o n c l u d et h a tt h es n ro ft h ei m p r o v e di nt h e t i m e - d o m a i nc a ns a v eld bc o m p a r i n gw i t ht h el m m s em e t h o dw i t ht h ec o n d i t i o no ft h eb e re q u a lt o lx l o 旬i nt h e2 x 21 6q a m s y s t e m 。i no r d e r t or e d u c et h ec o m p l e x i t yo f m e t h o di nc h a n n e le s t i m a t i o n w e a d o p tam e t h o dc a l l e df r e q u e n c yc o r r e l a t i o ni nt i m e - d o m a i nc h a n n e le s t i m a t i o n t h ep r i c ef o rt h ec o m p l e x i t y r e d u c t i o ni sas l i g h tb e rd e g r a d a t i o n a tl a s tw eg i v eac o m p a r i s o n sa n da n a l y s i so fd i f f e r e n te s t i m a t i o n m e t h o d si nb o t ht i m e d o m a i na n df r e q u e n c y - d o m a i na sw e l la st h ei d e a lc h a n n e lu n d e rt h es a m ef r a m e w o r k ， i nw h i c hw eg i v es o m eu s e f u lc o n c l u s i o n 南京邮电大学学位论文独创性声明 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： 酞蕴j日期：塑乙垒 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： 隧l 导师 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向： 移动通信与无线技术 作者：2 0 0 4 级研究生陈莉指导教师邵世祥 题目：m i m o o f d m 系统中信道估计方法的研究 英文题目：t h es t u d yo fc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d si n m i m o o f d ms y s t e m 主题词： 正交频分复用多输人多输出最b - 乘估计 线性最小均方误差估计最大似然估计 频域信道估计时域信道估计 k e y w o r d s ： o f d mm i m o l sl m m s em l c h a n n e le s t i m a t i o ni nf r e q u e n c yd o m a i n c h a n n e le s t i m a t i o ni nt i m ed o m a i n 南京邮l 【1 人学顾i ：研究生学位论文 第一章绪论 1 1 移动通信发展的特点 第一章绪论 近些年来移动通信得到了飞速的发展，移动通信的终极目标是实现所谓的“个人通 信”，即任何人在任何地方、任何时间与任何人可以进行任何形式的交流。作为一个近期的 目标，第三代移动通信( 3 g ) 及其所提供的多媒体业务f 在走入人们的生活。由于第三代 移动通信系统最高速率只有2 m b p s 的数据传输能力，因此并不能称为真正的宽带多媒体通 信，于是，便有人提出超3 g 的无线传输技术研究。第四代移动通信系统在业务、功能、 频带上都将不同于第三代系统，它的主要目标有：为用户提供高达几十到几百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，使之成为真正意义上的宽带多媒体无线移动通信系统；丌发新频段比大幅提高无 线传输技术的频谱效率，满足大容量无线移动通信的需求；与i n t e r n e t 技术高度结合， 相互补充，相得益彰，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。 1 2 课题研究的背景和意义 若实现上述的目标，必须采用一系列新技术，其中包括最为关键的高速无线传输技 术。 正交频分复用( o f d m ) 和多输入多输皇( m i m o ) 以其有效的抗衰落特性和较高的频 谱效率受到人们的广泛关注。而将两者相结合构成的m i m o o f d m 系统也成为了研究的 热点。 o f d m 技术在频域上将信道分成了若干各子信道，频谱相互重叠，提高了频谱利用率； 与此同时也将频率选择性衰落变为平坦衰落。而m i m o 技术不但可以成倍的提高衰落信道 的系统容量，而且在此基础上发展的空时编码技术也大幅度提高了无线通信中的系统容量 和传输速率，为解决无线信道的带宽问题提供了一条新的途径。 虽然m i m o 技术和o f d m 技术的结合为无线信道高速数据传输描绘了美好的自订景， 但同时也带来了巨大的挑战，二者的结合不可避免的引出了下列新的问题： ( 1 ) 二者如何结合 ( 2 ) 结合系统中的信道估计 南京邮t 【1 人学颂i ：研究生学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 结合系统中的同步如何实现 ( 4 ) 其它的一些问题 信道估计作为m i m o 。o f d m 系统的关键技术直接影响着系统的性能，因为无论对 o f d m 进行相干解调，还是对m i m o 进行空时处理，都需要较准确的c s i ( 信道状念信息) 作为数据处理的必要参数，和传统的单天线的o f d m 系统相比，m i m o o f d m 系统中的 c s i 估计具有相当的难度。原因是多天线的使用使得任何一接收天线的任一子载波上接收 到的信号都是多个畸变信号的叠加。当对其中一个收发天线对的c s i 进行估计时，其它发 射天线的发送信号就是干扰。若直接采用单天线o f d m 中传统的信道估计方法，则估计的 均方误差( m s e ) 很大，将极大影响系统性能。因此m i m o o f d m 系统中的信道估计是 一个充满挑战且极具意义的研究领域。 1 3 课题的主要任务及安排 在参阅大量相关文献的基础上，本文主要对m i m o o f d m 系统下信道估计方法作了 研究分析，重点研究了基于导频的信道估计方法。从频域估计方法到时域估计方法两大方 血对m i m o o f d m 的信道估计方法作了分析。最后在统一架构下对各个估计方法进行了 估计性能的仿真分析。本文的章节安排如下： 第一章为绪论部分，简单介绍了下移动通信发展的特点，课题研究的背景和意义。 第二章详细介绍m i m o 和o f d m 技术的特点，二者结合的系统种类模型，以及各种 空时编码方案。 第三章介绍了无线信道的特点，以及本文仿真所采用的信道，本文所采用的系统模型 及仿真参数。 第四章研究了m i m o o f d m 系统中频域的信道估计方法，重点分析了不同的导频结 构及不同估计准则下估计性能的比较。 第五章研究了m i m o o f d m 系统中时域的信道估计方法，重点分析了基于训练序列 的时域估计算法及其改进算法，通过仿真，对时域估计算法和频域l m m s e 算 法进行了比较。 第六章针对信道相邻子载波信道特征强相关的特点，研究了m i m o o f d m 系统中频 域相关的信道估计算法，并在统一架构下各种估计方法作了比较分析。 第七章全文的总结和展望。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二二章m i m o o f d m 技术 第二章m i m o o f d m 技术 下一代移动通信将提供更高的数据传输速率，支持的业务从语音到多媒体业务，包括 实时的流媒体业务。数据传输速率可以根据这些业务所需的速率不同动态调整。另外，下 一代移动通信的另一个特点是低成本。这样在有限的频谱资源上实现高速率和大容量，需 要频谱效率极高的技术。m i m o 技术充分开发空间资源，利用多个天线实现多发多收，在 不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下，可以成倍地提高信道容量。o f d m 技术是 一种特殊的多载波传输技术，其多个载波之间相互正交，可以高效地利用频谱资源，另外， o f d m 将总带宽分割为若干个窄带子载波可以有效地抵抗频率选择性衰落。因此充分开发 这两种技术的潜力，将二者结合起来可以成为新一代移动通信核心技术的解决方案，下面 详细介绍这两种技术及其二者的结合方案。 2 1 川m 0 技术 m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出了m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 1 1 j 技术，是第三代 和未来移动通信系统实现高数据速率、高系统容量，提高传输质量的重要途径。在当前第 三代移动通信系统中，下行链路的容量构成了整个系统的瓶颈。由于诸多业务对上下行链 路容量要求的不对称性，尤其对下行容量有很高的要求，如视频多媒体、下载等业务。在 传输带宽一定的条件下，这无疑给第三代移动通信系统提出了难题。但是如果在发送端或 接收端使用多天线( 即m i m o 系统) ，此时的信道容量将随着天线数量的增大而线性增大。 也就是说可以利用m i m o 信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的 情况下，频谱利用率可以成倍地提高。 根据收发两端天线数量，相对于普通的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 t ) 系统，m i m o 还可以包括s i m o ( s i n g l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 系统和m i s o ( m u l t i p l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统。 无线m i m o 信道与s i s o ( s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ) 信道相比，有着惊人的容量。 这表明下行链路容量的瓶颈问题可以通过在基站和移动台都使用多元天线阵列，即利用空 间分集或空间相关的方式来解决。采用这种传输方案，可以获得线性增加的信道容量，而 通常采用接收分集或者没有分集的s i s o 系统的信道容量是l o g 的方式增加的。m i m o 系统 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m i m o o f d m 技术 之所以可以获得如此高的带宽效率，是因为考虑在有丰富的散射( 没有l o s ，l i n eo fs i g h t ) 的环境中，从不同天线发送的信号到达接收端所经历的衰落是不相关的。 在室内，电磁波环境较为复杂，多径效应、频率选择性衰落和其他干扰源的存在使实 现无线信道的高速数据传输比有线信道困难。通常多径效应会引起衰落，被视为有害因素。 然而研究结果表明，对于m i m o 系统来说，多径效应可以作为一个有利因素加以利用， m i m o 系统在发射端和接收端均采用多天线( 或阵列天线) 和多信道。m i m o 的多输入多输出 是针对多径无线信道来说的。图2 1 所示为m i m o 系统的原理图。传输信息流s ( k ) 经过空时 编码形成m 个信息子流c i ，= l m ，这m 个子流由m 个天线发射出去，经空间信道后 由n 个接收天线接收，多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子 流。这m 个信息子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并不增加带宽。若 各发射接收天线间的通道响应独立，则m i m o 系统可以产生多个并行空间信道，通过这些 并行空间信道独立地传输信息，使得数据传输率得以提高。可见，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抵消处理。 g ( 七)( j | ) 天线阵 q ( 七)r j ( k ) s ( k ) ：传输信息流c ( k ) ：发送信息子流1 伙) ：接收信息子流 图2 1m i m o 系统的原理图 图2 - 2 则是一个基本的m i m o 的信道模型【2 1 ，采用m 个发送天线，n 个接收天线， 设为第f 个发送天线到第个接收天线之间的复信道增益( c h a n n e lg a i n ) 。h 为n x m 的 信道矩阵。 4 南京邮电大学硕_ 上研究生学位论文 第二章m i m o o f d m 技术 图2 - 2m i m o 的信道模型 日= 啊。啊2 1h 2 2 mm l 2 人 ， 人 om 入h m n ( 2 一1 ) 系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。对于发 射天线数为n ，接收天线数为m 的多入多出( m i m o ) 系统，假定信道为独立的瑞利衰落 信道，并设n 、m 很大，则信道容量c 【3 】近似为： c = m i n ( m , n ) b l 0 9 2 ( p 2 ) ( 2 2 ) 其中b 为信号带宽，p 为接收端平均信噪比，m i n ( m , n ) 为m ，n 的较小者。上式表明， 功率和带宽固定时，m i m o 系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。 而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量 仅随天线数的对数增加而增加。相对而言，多入多出对于提高无线通信系统的容量具有极 大的潜力。 利用m i m o 技术既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 信道提供的空问复用增益，后者是利用m i m o 信道提供的空间分集增益。 实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的b l a s t 算法、z f 算法、m m s e 算法、m l 算 法。m l 算法具有很好的译码性能，但是复杂度比较大，对于实时性要求较高的无线通信 不能满足要求。z f 算法简单容易实现，但是对信道的信噪比要求较高。性能和复杂度最优 的就是b l a s t 算法。该算法实际上是使用z f 算法加上干扰删除技术得出的。而目前m i m o 技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有分层空时码、空时分组码、空时 s ： 竖 菅1 一 兰 b p bu 誓d 南京邮电人学硕i 二研究生学位论文 笫- 二章m i m o o f d m 技术 格状码。 2 2 基于m im 0 的空时编码技术 空时编码在不同天线所发送的信号中引入时间和空间的相关性，从而不用牺牲带宽就 可以为接收端提供非编码系统所没有的分集增益和编码增益。空时编码的基本工作原理如 r 1 下卜j ：从信源给出的信息数据流，经空时编码器后，形成同时从多个发射天线发射出去的 输出矢量，称这些调制符号为空时符号( s t s ) 或者空时矢量符( s t v s ) 。与通常用一个复 数表示调制符号类似( 复的基带表示) ，一个空时矢量符s t v s 可以表示成为一个复数的矢 量，矢量中数的个数等于发射天线的个数。空时编码的系统实现框图如图2 3 所示。 空时编码 信源 器 n 降调 解码数据 接收机 n 个发射天线 n 个接收天线 图2 3 空时编码系统实现框图 目前提出的空时编码主要有分层空时编码、空时格栅编码和空时分组编码。 2 2 1 空时分层编码 i 空 电匦 - 母 弋 时 复 信衄塑h 用 r ： 号器 检 亟h 哥 测 4 ，知i 山 袋收骊 图2 4b l a s t 编码结构幽 贝尔实验室提出的分层空时编 i 马( b l a s t ) ( 如图2 4 ) 是一种空时编码结构。假设m 个发 射天线，n 个接收天线的系统，分层空时结构【5 】首先将原始信息比特分解成m 个并行的数 据流( 称为层) 送入不同的编码器，信道编码是分组编码或卷积编码。再将编码器的输出 6 塑塞堕皇奎堂堡：婴窒生堂垡笙塞 笙三雯坚! 坚q ：竺! 里竺垫查 进行调制信号映射。输出的m 路调制信号进行空间域和时间域的信号构造。根据构造的方 式的不同可分为对角结构( d b l a s td i a g o n a lb l a s t ) 和垂直结构( v - b l a s tv e r t i c a l r f l b l a s t ) p 1 所有的数据在同一个频段内传输。所以带宽效率非常高。接收机则使用一个波 束形成空间分离器( 迫零准则或最小均方误差准则) 来分离不同的编码数据流，然后将数 据送入不同的解码器，解码器的输出再重新组合建立原始的信息比特流。这样，无线通信 中不可避免的多径，反而提供了并行的信道，提高了数据传输速率。与通常的系统相反， 越多的多径信道，就能传输越高的数据速率。 2 2 2 空时格栅编码 图2 - 5 空时格栅编码结构图 空时格栅编码( s p a c e - t i m et r e l l i sc o d e s ) ( 如图2 5 ) 将发射分集和信道编码调制( t c m ： t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ) 相结合的编码方式，最初是由a t & t 实验室的t a r o k h 等人提出 【7 1 ，它能够充分利用多发送天线的空间分集和信道编码及交织的时间分集，提高频带利用 率。 磊岛：0 00 1 0 2 0 3 6 1 6 2 ：1 0l l1 2 1 3 a 6 2 ：2 02 12 2 2 3 6 1 6 2 ：3 03 13 2 3 3 图2 - 6 格栅码编码示意图 输入：ol232 2 天线l ：00l232 天线2 ：0l2322 空时格栅编码原理可以用格栅图来表示。以q p s k 调制4 状态空时格形码为例，假定 使用两根发射天线。图2 - 6 画出了s t t c 的q p s k 星座图和格栅图表示。岛如分别表示从 7 塑塞坚皇盔竺竺! ：婴塑竺堂垡丝苎塑兰要竺! 竺竺：q ! 里塑垫查 两个天线发射出去的字符。 具体编码过程如下：设编码器初始状态为o ，输入字符为( 0 1 ，1 0 ，1 1 ，1 0 ，1 0 ) 。由于编码 器初始状态为0 ，发送的第一个比特为l ，从格栅图看出，这对应于格栅图中从状态0 出 发的第2 条线，下一时刻的状态转移到了l 。编码器的输出是左边的o l ，也就是说，天线 1 发送0 ，天线2 发送1 ；发射的第二个比特为2 ，这对应于格栅图中从状态1 出发的第三 条线，编码器的输出是左边的1 2 ，即天线1 发送l ，天线2 发送2 ；发射的第三个比特为 3 ，这对应于格栅图中从状态2 出发的第四条线，编码器的输出是左边的2 3 ，即天线1 发 送2 ，天线2 发送3 ，依次类推，可以得到( 0 1 ，1 2 ，2 3 ，3 2 ，2 2 ) 天线1 上的发送符号为：( 0l232 ) 天线2 上的发送符号为：( 12322 ) s t t c 建立了空域( 发送天线) 中的信号和时域( 连续时间) 中的信号的内在联系， 提供最大可能的分集增益和编码增益，不会牺牲发射带宽。接收机是基于信道衰落系数估 计和m l ( m a x i m u ml i k e l i h o o d ) 的v i t e r b i 译码或者是最大后验概率m a p 译码，当天线 数目固定时，译码复杂度随发射速率呈指数增加，显得不太实用。 为了减少s t t c 译码的指数复杂度，a i 枷o u t i l 8 1 提出了一个简单的发送分集方案，后 来t a r o l 【l l 【9 】等人概括总结形成了一类新的s t b c ( s p a c e 。t i m eb l o c kc o d e s ) 。s t b c 把输入符 号的分组映射到空域和时域，产生j 下交序列，通过不同的发送天线发送。它具有很低的译 码复杂度，利用传统的最大似然译码算法即可译码，这种算法基于线性处理。而且还可以 获得与最大比合并接收( m a x i m a lr a t i oc o m b i n e ，m r c ) 相同的分集增益。因此，它易于 在基站上实现。 2 2 3 空时分组编码 星座图映射 l 信息源比特卜+ o 、 s t b c 编码器 h 扣匕羽 圈2 7 空时分组编码示意图 图2 7 是一个使用两个发射天线的s t b c 的发射分集系统。空时分组编码器的输入字 符即信息源被分为两组，每组为两个字符。在第一个字符时间内，每组的两个字符【c lc 2 】 8 堕室坚皇查堂堡兰堕茎竺堂垡笙苎至三雯坚! 坚q ：旦! 里坚塾查 同时从两个天线发送。在下个字符时间内，信号【- c 2 c l + 】同时从两个天线发出。 两个发送天线的s t b c 发射分集的基带表示。输入空时编码器的字符首先被两两分为 一组。s t b c 采用正交理论设计，编码矩阵为： c ：fc 一：2i ( 2 3 ) k c 2c l 满足c c = 九，式中7 = 川2 + 人+ h 1 2 ，而。是单位阵。 s t b c 提供较为简单的方式获得发送分集，不牺牲带宽，不用大量复杂的运算，允许 简单的信号编码译码处理。s t b c 可以提高数据在无线应用中的速率和容量，这就是它在 第三代移动通信系统中越来越重要的原因。 2 3o f d m 技术 o f d m 由大量在频率上等间隔的子载波构成( 设共有n 个载波) ，各载波可用同一种 数字调制方法，或不同的载波使用不同的调制方法将高速串行数据分成多路并行的低速数 据，加以调制。所以o f d m 实际上是一种并行调制方式，将符号周期扩大n 倍，从而提高 了抗多径衰落的抵抗能力。在传统的频分复用( f d m ) 中，存在较大的保护带宽来防止干 扰，各载波的信号频谱互不重叠，频带利用率较低。在o f d m 系统中，各子载波在整个符 号周期上是正交的，即在符号周期上的任何两个不同子载波的乘积等于零，因此各子载波 信号频谱可以互相重叠，大大提高了频带利用率。 图2 - 8 所示为频分复用( f d m ) 信号频谱与( o f d m ) 信号频谱的比较i 。 厂压六压、 o f d m 信号频谱 厂、厂n厂n f d m ( 频分复用) 信弓频谱 图2 - 8f d m 和o f d m 信号频谱的比较 o f d m 的工作原理【1 0 ，l l 】，如图2 - 9 ，输入数据信元的速率为r ，经过串并转换后， 分成m 个并行的子数据流，每个子数据流的速率为r m ，在每个子数据流中的若干个比特 分成一组，每组的数目取决于对应子载波上的调制方式，如p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 等。 m 个并行的子数据信元编码交织后进行i f f t 变换，将频域信号转换到时域，i f f t 块的输 9 南京邮电大学硕1 ：研究生学位论文 第二章m i m o o f d m 技术 出是n 个时域的样点，再将长为lp 的c p ( 循环前缀) 加到n 个样点前，形成循环扩展的 o f d m 信元，因此，实际发送的o f d m 信元的长度为l p + n ，经过并串转换后发射。接 收端接收到的信号是时域信号，此信号经过串并转换后移去c p ，如果c p 长度大于信道的 记忆长度时，i s i 仅仅影响c p ，而不影响有用数据，去掉c p 也就去掉了i s i 的影响。 f f t ：快速傅立叶变换i f f t ：逆快速傅立叶变换 图2 9o f d m ：。i ：作原理图 o f d m 技术之所以越来越受关注，是因为o f d m 有很多独特的优点【1 0 】： ( 1 ) 频谱利用率很高，频谱效率比串行系统高近一倍。这一点在频谱资源有限的无 线环境中很重要。o f d m 信号的相邻子载波相互重叠，从理论上讲其频谱利用率可以接近 n y q u i s t 极限。 ( 2 ) 抗多径干扰与频率选择性衰落能力强，由于o f d m 系统把数据分散到许多个子载 波上，大大降低了各子载波的符号速率，从而减弱多径传播的影响，若再通过采用加循环 前缀作为保护间隔的方法，甚至可以完全消除符号间干扰。 ( 3 ) 采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。通过选取各子信道，每个符 号的比特数以及分配给各子信道的功率使总比特率最大。即要求各子信道信息分配应遵循 信息论中的“注水定理”，亦即优质信道多传送，较差信道少传送，劣质信道不传送的原则 ( 4 ) 通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。o f d m 技术本身已经利用 了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。但通过将各个 信道联合编码，可以使系统性能得到提高。 ( 5 ) 基于离散傅立叶变换( d f t ) 的o f d m 有快速算法，o f d m 采用i f f t 和f f t 来实现 调制和解调，易用d s p 实现。 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o - o f d m 技术 ( 6 ) 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于上行 链路中的数据传输量。因此无论从用户高速数据传输业务的需求，还是从无线通信自身来 考虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输。而o f d m 容易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。 当然，o f d m 还存在一些缺点，如易受频率偏差的影响，存在较高的峰值平均功率比 ( p a r ) 等。 目前，o f d m 结合时空编码、分集、干扰( 包括符号问干扰和邻道干扰) 抑制以及智 能天线技术，最大程度地提高物理层的可靠性。如再结合自适应调制、自适应编码以及 动态子载波分配、动态比特分配算法等技术，性能可进一步优化。 2 4 川m 0 与0 f d m 的结合 m i m o 系统在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说m i m o 可以抗多径衰 落，但是对于频率选择性深衰落，m i m o 系统依然是无能为力。目前解决m i m o 系统中 的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术，还有一种就是利用o f d m 。大多数研究 人员认为o f d m 技术是4 g 的核心技术，4 g 需要频谱利用率很高的技术，而o f d m 提高 频谱利用率的作用毕竟是有限的，在o f d m 的基础上合理丌发空间资源，也就是 m i m o + o f d m ，可以提供更高的数据传输速率。另外o f d m 由于加入了时问保护间隔而 具有很强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰。 2 4 1 基于o f d m 的空间复用系统 基于o f d m 的空间复用系统是空间复用系统( 即b l a s t ) 与o f d m 的结合。它主 要利用多径传播特性产生并行空间信道来提高系统的数据传输率。其原理框图如下【1 2 l ： 售 串 并 变 换 解复 用器 图2 - 1 0基于o f d m 空间复用系统 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第_ 二章m 1 m o o f d m 技术 在图2 1 0 中，输入信号经复用器分解称n 路长度相同的数据流，然后进行独立的 编码和调制，因此它不是基于发射分集的。这些编码器可以是二进制的卷积编码器，也可 以不经过任何编码直接输出。 基于o f d m 的空间复用系统一般采用迫零和最小均方误差准则进行联合检测，在 此我们对它不作分析。 2 4 2 空时编码的o f d m 系统 空时编码的o f d m 是o f d m 与基于发射分集的空时编码技术的结合。它主要利用编 码技术来提高系统的抗衰落特性，从而提高数据传输误码率。按照空时编码的不同方式， 又分为s t t c o f d m 系统和s t b c o f d m 系统，下面分别介绍。 ( 1 ) s t t c o f d m 系统 丁x i 图2 - l ls t l - o f d m 发送端原理图 从图2 1 l 中可以看出，通常情况下，s t t c o f d m 将输入的信息流经过串并变换， 得到并行的n 路数据，分别对应1 1 路子载波。然后每路数据分别进行s t t c 变换，编码结 果都是n t 路输出( n t 为发射天线个数) ，这样就能得到n 组包含n t 路信号的输出结果。 对这样的结果进行重新排列，能得到每一组o f d m 的输入信号，经i f f t 变换从相应的天 线发射出去。 由于s t t c 具有较高的译码复杂度，因此在实际系统中的应用受到一定的限制。重点 介绍s t b c 编码的o f d m 系统。 ( 2 ) s t b c o f d m 系统 在下图中发射端的空时预处理单元中加入了s t b c ，再在接收端的信道估计与检测单 元中加入m l 分组空时译码，就构成了s t b c o f d m 系统，本文就是采用的这种系统， 图2 一1 2 较为详细的给出了双发单收s t b c o f d m 系统的原理框图。 1 2 南京邮i u 人学硕i ：研究生学位论文 第一二章m i m o o f d m 技术 输入 书 i f f r l -c p l- i 并串 i l 竹 x 2 n + ”x ( 2 i i )s t b c i f f tl -加c pl - i 并串 l 。 i 辆固俐s r a c 线i 一。i f f th 圳旧并 图2 1 2 两发一收s t b c o f d m 系统原理图 串行数据流首先分为n 行并行的子数据流，各个子数掘流可以单独映射，生成n 行并 行数据符号流。在某一时刻，并行的n 个符号构成了n x l 的o f d m 块，将连续两个o f d m 符号块x ( 2 n ) ，x ( 2 n + 1 ) 送入空时分组编码器，产生2 n 2 的编码矩阵，然后分别通过 o f d m 调制后，经由两个发射天线发射出去。 假设系统采用g ，编码，那么编码后的频域信号矩阵是 g ：f x ( 2 n ) x ( 2 n + 1 ) 1 ( 2 - - 4 )屿2 l x ( 2 肘o x + i 2 刀) j 假设在发送相邻两个信号矢量的时间内，信道的特征保持不变，那么接收端经过去 c p , f f t 解调后的信号可以表示为 r ( 2 n ) = h i x i ( 2 玎) + 鸽置( 2 n + 1 ) + r 6 ( 2 - - 5 ) r ( 2 n + 1 ) = - h i 墨( 2 刀+ 1 ) + h 2 置( 2 甩) + ，2 2 ( 2 - - 6 ) 如果能够在接收端完全恢复信道的衰落系数日。和h ：，那么译码器将采用它们作为信 道的状态信息( c s i ) 。通过最大似然译码算法可以计算x 。( 2 玎) 和置( 2 胛十1 ) 的估计值。 x ( 2 n ) = 研，( 2 力) + h = r ( 2 n + 1 ) ( 2 - - 7 ) x ( 2 n + 1 ) = h ：r ( 2 n ) - e ，( 2 行+ 1 ) ( 2 - - 8 ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m i m o o f d m 技术 2 4 3 结合空间复用和空时编码+ o f d m 系统 图2 1 3 结合空间复用和空时编码+ o f d m 系统框图 在o f d m 系统中同时加入空间复用和空时编码技术可以实现分组干扰抑制，从总体 上来看，该系统是一个扩展功能得空间复用系统，但每个子数据流都通过独立的s t c 进行 编码，然后再经过o f d m 调制从不同多个天线完成发射。接收端若采用m l 接收机，则将 对发送端所有码字构成的序列进行搜索，获取译码结果。可见，这种系统虽能有效提高数 据传输速率，但其实现复杂度也是比较高的。 2 5m i m o o f b m 中的关键技术 虽然m i m o 技术与o f d m 结合为无线信道高速数据传输描绘了美好的前景，但同时 也带来了巨大的挑战。二者的结合不可避免地引出了下列一些新问题。 ( 1 )二者如何结合 ( 2 )结合系统中的信道估计 ( 3 )结合系统的同步如何实现 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第- 二章m i m o o f d m 技术 ( 4 )其它一些问题 本文将对m i m o o f d m 系统的信道估计方法进行研究。 2 6 本章小结 本章主要介绍了m i m o 和o f d m 技术，空时编码的几种方法，m i m o o f d m 系统 的几种模型，m i m o o f d m 技术在