（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统中信道估计与多用户分集技术研究.pdf

摘要 摘要 多输入多输出( m i m o ) 技术可以显著提高系统容量，而正交频分复 用( o f d m ) 技术可以对抗无线信道中的多径衰落，因此m i m o o f d m 系统能 够应对未来移动通信系统中由带宽效率和多径衰落带来的挑战。通过机会调度 可以显著提高多用户系统中上下行链路的系统吞吐量，使系统获得多用户分集 增益。本文的研究重点是m i m o o f d m 系统中信道估计与多用户分集技术，其 中包括存在载波频率偏差( c f o ) 时的o f d m 系统性能分析。 首先研究了频率选择性衰落信道中存在c f o 时的o f d m 系统性能。通过假 设子载波数趋于无穷推导出期望功率损失或系统s n r 损失的理论表达式。期望 功率损失的理论结果仅与归一化频偏有关；而系统s n r 损失的理论结果取决于 归一化频偏和噪声功率，并且两者都与信道统计特性无关。仿真结果显示， 理论结果与实际结果之间的误差可以忽略不计。其次，研究了多径r a y l e i g h 衰 落信道中存在c f o 时o f d m 系统的平均错误概率性能，提出了采用特征函数 并利用b e a u l i e u 序列将b p s k ，q p s k ，8 - p s k 以及1 6 q a m 调制符号的s e r 性能 及其采用g r a y 映射时的b e r 性能表达成一个关于b e s s e l 函数的无穷级数和的形 式。对于符号判决区间为方形的b p s k ，q p s k 和1 6 一q a m ，系统s e r 和b e r 性能 可以直接由接收信号的实部和虚部的特征函数获得。对于符号判决区间不是 方形的8 p s k ，利用提出的信号空间分解原理可以近似消除在对其进行平均错 误概率性能分析时实部和虚部之间的相关性。最后，文中分析方法可以拓展 至j j o f d m 系统采用其它或更高阶调制符号时的平均错误概率性能评估。 其次，论文研究了m i m o o f d m 系统中基于导频辅助的信道估计算法。首 先，对于不相关的准静态信道提出了利用信道统计信息的l m m s e 信道脉冲响应 估计算法来提高传统l s 算法的估计性能，并提出了基于奇异值分解的低阶近似 和基于最优导频设计的简化结构以降低l m m s e 算法的运算复杂度。理论分析结 果显示，基于最优导频设计的l m m s e 算法在运算复杂度增加有限的情况下使估 计性能达到最优。其次，对于快时变信道，针对传统的基于d f t 信道频率响应 估计算法提出了基于时频变换( t f t ) 的估计算法。t f l 算法进一步抑制了d f t 信 道估计值中的残留噪声，特别是在系统s n r 较低时，t f r 算法的性能改善尤为 明显。t f r 算法复杂度增加有限且适用于准静态，快时变以及子信道相关时的 信道估计。最后，针对s f b c o f d m 系统提出了基于t f r 的联合迭代信道估计与 空频解码算法。联合迭代算法利用接收信号，信道估计值和解码符号进行迭代 博士学位论文m l m o ，0 固m 系统中信遭估计与多用户分集技术研究 信道估计和空频解码。联合迭代算法在慢衰落，快衰落以及相关信道条件下都 能有效提高系统性能并且具有频谱效率高，利于实现和收敛速度快的优点。 最后，研究了多用户系统中基于反馈门限的多用户分集技术。首先，分析 了基于随机选择调度和允许中断调度策略的选择性反馈系统中系统反馈量和系 统吞睦蹩之间的关系。研究结果袭舞，系统反馈量的渐近性能为其增长率服 从o ( 1 0 9 k ) 是使系统和率容量达到形如多用户满分集增益时的增长率渐近性 能0 ( 1 0 9 l o g k ) 的充分条件，满足条件时的反馈f - i 隈应具有p ；- 1f o ( 王) 1 ( k - 1 ) ) 的 形式，其中，k 为系统中的用户数，日1 ( ) 表示信道增益，y 的c d f 的反函数。 其次，研究了基于1 比特反馈系统中和率容量最优的及馈门限。通过对系统和 攀容量进行合理的近似与假设得到最优反馈门限亦是形如碍1 ( o ( 1 ) l j ( k - 1 ) ) ， 此时，基于1 比特反馈系统采用随机选择调度和允许中断调度策略的和 率容量渐近性能为0 ( 1 0 9 l o g ) 。最后，综合考虑选择性反馈系统和1 比特 反馈系统，对于单反馈门限的多用户分集系统而言，反馈门限可以预设 为写1 ( ( 1 ) 1 ( k - 1 ) ) ，此时系统反馈量的渐近性能为o ( 1 。gk ) ，菰系统吞吐量的 渐近性能则为0 ( 1 0 9 l o g k ) 。 关键词：m i m o ，o f d m ，c f 0 ， 列，导频辅助的信道估计，l m m s e ， 限，和率容量，系统反馈量 功率损失，信号空间分解，b e a u l i e u 序 时频变换，迭代，多用户分集，反馈门 一i l a b s t r a c t ab s t r a c t m u l t i p l e - n p u tm u l t i p l e o u t p u t ( m i m o ) c a no f f e rs i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n t si n t h ec a p a c i t yo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，w h i l eo 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 ( o f d m ) c a nc o m b a tt h ef r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gi nw i r e l e s sc h a n n e l s t h e r e f o r e ，m i m o o f d mh a v ed r a w ne x t e n s i v ea t t e n t i o nt of a c et h ec h a l l e n g e so f t h es p e c t r a le f f i c i e n c ya n dt h em u l t i p a t hf a d i n gi nt h ef u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s 弧es u m r a t ec a p a c i t i e so fb o t hu p l i n ka n dd o w n l i n kc a nb ee n h a n c e db yt h e o p p o r t u n i s t i cs c h e d u l i n gf o rm u l t i u s e rs y s t e m s ，i e ，t h em u l t i u s e rd i v e r s i t yg a i ni so b t a i n e d w em a i n l yf o c u so nt h ec h a n n e le s t i m a t i o na n dm u l t i u s e r d i v e r s i t yf o rw i r e l e s s m i m o o f d mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m si nt h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t l y , w ea n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo fo f d ms y s t e m si m p a i r e db yt h ec a r r i e r f r e q u e n c yo f f s e t ( c f o ) i nf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l s s i n c eb o t ht h ed e s i r e d p o w e rl o s sa n dt h es n rl o s sa r eh a r d l yr e l e v a n tt ot h en u m b e ro fs u b c a r r i e r s ，t h et h e o r e t i c a le x p r e s s i o n so ft h e mc a nb eo b t a i n e du n d e rt h ei n f i n i t en u m b e ro fs u b c a r r i e r sa s s u m p t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ee r r o rr e s u l t e df r o mt h ea s s u m p t i o ni sn e g l i g i b l e 。 t h e n ，w ei n v e s t i g a t et h ea v e r a g ee r r o rp r o b a b i l i t yf o ro f d ms y s t e m so v e rm u l t i p a t h r a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l s b ye x p l o i t i n gt h ep r o p e r t i e so ft h eb e a u l i e us e r i e s ，t h ee f f e c t o fc f oo ns e ra n db e r p e r f o r m a n c ef o rt h es y s t e m sm o d u l a t e dw i t ht h eg r a y c o d e d b p s k ，q p s k ，8 - p s k ，a n d16 一q a ma r ee x a c t l ye x p r e s s e da st h es u mo fa ni n f i n i t e s e r i e si nt e r m so ft h ec h a r a c t e r i s t i cf u n c t i o n 。弧es e ro rb e r p e r f o r m a n c es u c ha s b p s k ，q p s ka n d16 一q a mw i t hr e c t a n g u l a rd e c i s i o nr e g i o n si se x p r e s s e dd i r e c t l ya c ， c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i cf u n c t i o no ft h er e a la n di m a g i n a r yp a r t so ft h er e c e i v e d s i g n a l a sf o rt h ec a s e so f8 - p s kw i t hn o n r e c t a n g u l a rr e g i o n s ，w ep r o p o s et h es i g n a l s p a c ed e c o m p o s i t i o n ( s s d ) t od e a lw i t ht h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h er e a la n di m a g i n a r yp a r t so ft h er e c e i v e ds i g n a l f u r t h e r m o r e ，t h ec a l c u l a t i o nm e t h o d sc a nb ee a s i l y e x t e n d e dt oo t h e ro rt h eh i g h e ro r d e rc o n s t e l l a t i o ns i z e si no f d m s y s t e m s s e c o n d l y , c 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 np i l o t a s s i s t e df o rm i m o 。 o f d ms y s t e m sa r ei n v e s t i g a t e d w ed e v e l o pt h el m m s e a l g o r i t h mt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo ft h el sa l g o r i t h mi nt h eq u a s i s t a t i ca n du n c o r r e l a t e dc h a n n e l s ，a n d s i m p l i f i e ds c h e m e so ft h el o wr a n kb a s e do ns i n g u l a rv a lu ed e c o m p o s i t i o n ( s v d ) a n d t h eo p t i m a lp i l o td e s i g na r ef u r t h e rp r o p o s e dt or e d u c ei t sc o m p l e x i t y 确e s i m p l i f i e d 1 1 1 一 o p t i m a lp i l o t - b a s e dl m m s e s c h e m ec a na c h i e v et h eo p t i m a lp e r f o r m a n c ew i t hs l i g h t i n c r e a s eo fc o m p l e x i t y a sf o rt h ef a s tt i m e v a r y i n gc h a n n e l s ，a ni m p r o v e da l g o r i t h m b a s e do nt i m e ，f r e q u e n c yt r a n s f o r m ( t 订) i sp r o p o s e d 。弧耳a l g o r i t h mc a nf u r t h e r r e d u c et h er e m a i n d e rn o i s ei nt h ee s t i m a t e dr e s u l t sd 丌b a s e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n ti ss i g n i f i c a n tw h e nt h es n r i ss m a l lf o ra l lo ft h eq u a s i - s t a t i c ，f a s tt i m e - v a r y i n ga n dc o r r e l a t e dc h a n n e l s an o v e lt f r b a s e dj o i n ti t e r a t i v ec h a n n e le s t i m a t i o n a n ds p a c e f r e q u e n c yd e c o d i n ga l g o r i t h mi sd e v e l o p e df o rs f b c _ o f d ms y s t e m sb y e x p l o i t i n gt h er e c e i v e ds i g n a l s ，t h ec h a n n e le s t i m a t e dv a l u e s ，a n dt h ed e c o d e ds y m b o l s t h e j o i n ti t e r a t i v ea l g o r i t h mc a na c h i e v eb e t t e rp e r f o r m a n c e w i t ht h eh i g hs p e c t r a le f f i c i e n c y , t h es i m p l es t r u c t u r e ，a n dt h ef a s tc o n v e r g e n c e i nt h es c e n a r i o so ft h eq u a s i s t a t i c ， f a s tt i m e v a r y i n g ，a n dc o r r e l a t e dc h a n n e l s f i n a l l y ，w es t u d yt h em u l t i u s e rd i v e r s i t yb a s e d o nt h ef e e d b a c kt h r e s h o l d t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef e e d b a c kl o a da n dt h et h r o u g h p u tf o rt h es e l e c t i v ef e e d b a c k s y s t e m s i si n v e s t i g a t e d ，w h e r et h es t r a t e g i e so fb o t ht h er a n d o ms e l e c t i o ns c h e d u f i n g ( r s s ) a n do u t a g e a c c e p t e ds c h e d u l i n g ( o a s ) a r et a k e ni n t oa c c o u n t i ti sp r o v e dt h a t t h ef e e d b a c kl o a ds c a l e sa so ( 1 0 9k ) i st h es u f f i c i e n tc o n d i t i o nt h a tt h et h r o u g h p u t a c h i e v e st h eg r o w t hr a t ea s y m p t o t i c a l l ya so ( 1 0 9l o gk ) ，w h i c hi sa l s ot h ea s y m p t o t i c p e r f o r m a n c eo ft h em u l t i u s e rd i v e r s i t yf u l lg a i n t h et h r e s h o l dh e r ei se x p r e s s e d k e yw o r d s ：m i m o ，o f d m ，c f o ，p o w e rl o s s ，s i g n a ls p a c ed e c o m p o s i t i o n ， b e a u l i e us e r i e s ，p i l o t - a s s i s t e dc h a n n e le s t i m m i o n ，l m m s e ，t i m ef r e q u e n c yt r a n s f o r m ，i t e r a t i v e ，m u l t i u s e rd i v e r s i t y ，f e e d b a c kt h r e s h o l d ，s u m r a t ec a p a c i t y ，f e e d - b a c kl o a d l v 荚丈缩略词表 3 g 8 一p s k 1 6 一q a m a f l a m c a w g n b 3 g b c b e r b p s k c d f c d m a c f 0 c h f c i r c n r c p d f r d p c e v d o f d d f f r f i r f u t u r e g s m 英文缩略词表 3 r dg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s 8 一a r yp h a s es h i f tk e y i n g 16 一a r yq u a d r a t u r ea m p l i t u d e m o d u l a t i o n a b s o l u t ef e e d b a c kl o a d a d a p t i v em o d u l a t i o nc o d i n g a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e b e y o n d3 r dg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s b r o a d c a s tc h a n n e l b i te r r o rr a t e b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t c h a r a c t e r i s t i cf u n c t i o n c a r r i e r - t o i n t e r f e r e n c ep o w e rr a t i o c a r r i e r - t o n o i s er a t i o c y c l i cp r e f i x d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m d i r t yp a p e rc o d i n g e v o l u t i o nd a t ao p t i m i z e d f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x i n g f a s tf o u r i e rt h n s ；f o r m f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e f u t u r et e c h n o l o g i e sf o ru n i v e r s a l r a d i oe n v i r o n m e n t g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s 第三代移动通信系统 8 维相移键控 1 6 维正交幅度调制 绝对反馈量 自适应调制编码 加性高斯白噪声 后三代移动通信系统 广播信道 误码率 二相相移键控 累积分布函数 码分多址 载波频率偏差 特征函数 载波干扰功率比 载波噪声比 循环前缀 离散傅立叶变换 污纸编码 演进数据优化 频分双工 快速傅立叶变换 有限冲激响应 未来通用无线环境研究 全球移动通信系统 一v 一 博士学位论文m i m o o f d m 系统中信道估计与多用户分集技术研究 v i s m s n r s s d s v d t d d t f r w i m a x 几a n w s s z m c s c g z f s p a t i a lm u l t i p l e x i n g s i g n a l - t o n o i s er a t i o s i g n a ls p a c ed e c o m p o s i t i o n s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g t i m e f r e q u e n c yt r a n s ；f o r m w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o r m i c r o w a v ea 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 es t a t i o n a r y z e r om e a nc i r c u l a r l ys y m m e t r i c c o m p l e xg a u s s i a n z e r of o r c i n g 空间复用 信噪比 信号空间分解 奇异值分解 时分双工 时频变换 全球微波接入互操作性 无线局域网 广义平稳 零均值循环对称复高斯 迫零 教学符号说明 ，l l x x ) a ( m ，礼) t r a ) d e t ( a ) q ( 2 7 ) i n 0 m n f n c 七 d i a g ( x ) d i a g ( x ) c a r ( p ，o r 2 ) 驼 g ) f ( n ) 一g ( n ) f ( n ) = o ( 夕( n ) ) ( n ) = 0 ( 9 ( 礼) ) 数学符号说明 虚数单位 复数域 矩阵或矢量的共轭转置 矩阵或矢量的转置 矢量或标量的共轭 k r o n e c k e r 乘积 k r o n e c k e rd e l t a 函数 不大于z 的最大整数 标量x 的绝对值 向量2 或者矩阵x 的f r o b e n i u s 范数 指数积分函数，e 1 ( z ) = f ( e - t ) d t 统计平均 矩阵a 第m 行第n 列对应的元素 矩阵a 的迹 矩阵的a 行列式 q 函数，定义为q ( z ) = 去f e 卅2 2 d t n n 单位矩阵 mxn 全零矩阵 n n 的归一化f o u r i e r 矩阵 其中，f ( m ，n ) = e - j 2 一n 何 表示第k 个元素为1 ，其它元素为0 的列向量 求以向量z 为对角线元素的对角矩阵 求矩阵x 对角线元素组成的向量 均值为肚，方差为t 7 2 的循环对称复高斯分布 取实部 取虚部 - 厂( n ) 和夕( 礼) 渐进等价，定义为粤巴措= 1 ，( 礼) 是夕( n ) 的低阶量，定义为塑恐揣20 ，( n ) 和夕( 礼) 同阶渐进，定义为典巴耪= q ( 常数) 一i x h t 。 j ( h歹c泔”o矸h忙研叫 东南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，也不包含为获得东南大学或其它教育 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： 塌扣。卜 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、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) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：胖导师签名：趣日 第一章绪论 第一章绪论弟一早 z 百下匕 无线通信是当今世界最为活跃的科研领域之一。它突破了有线通信的物理 限制，使得用户可以在任何无线波能够到达的地方自由地进行通信，这大大拓 展了通信的空间和能力。移动通信是现代通信及无线通信系统不可缺少的组成 部分。现代移动通信是一门复杂的新技术，不但集中了无线通信和有线通信的 最新技术成就，而且集中了网络技术和计算机技术的许多成果。目前，随着全 球范围内移动用户数的迅猛增长、互联网业务的增加以及便携计算设备的广泛 使用，移动业务的主体也发生了重大改变。为高速业务和多媒体业务设计的第 三代移动通信系统( 3 r dg 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 s ，3 g ) 在通信容 量和质量等方面将远远不能满足需求。因此，世界各国在推动3 g 产业化的同 时，目前已把研究重点转入到后三代( b e y o n d3 r dg e n e r a t i o n ，b 3 g ) 或者称为第四 代( 4 t hg e n e r a t i o n ，4 g ) 移动通信系统的先期研究。未来移动通信的目标是能够在 任何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠的通信服务。 1 1 论文的研究背景 随着大规模集成电路工艺的不断进步以及第二代蜂窝移动通信系统的成功 运营，加之人们对无线通信需求不断增长，在全世界范围内掀起了无线通信研 究的热潮。在过去二十年里，移动通信已经经历了从第一代模拟通信到第二代 数字通信再到如今已经商用化的第三代多媒体通信的三个阶段。如今，人们正 朝着b 3 g 4 g 移动通信技术的方向前进。 现代移动通信系统的发展经历了三个阶段： 第一代移动通信系统是模拟系统。1 9 7 9 年，美国贝尔实验室研制成功了高 级移动通信电话系统( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es e r v i c e ) ，建立了蜂窝状移动通信 网，并于1 9 8 3 年在芝加哥首次投入使用。随后，英国开发出全址通信系统( t o m a c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ) ，其它一些工业化国家也相继开发出蜂窝式公用 移动通信网。 第二代移动通信系统是数字系统。8 0 年代中期，欧洲推出了全球数字移动 通信( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，g s m ) 网体系，随后美国和日本 也推出了各自的数字移动通信体制。第二代移动通信系统除提供数字语音通信 服务之外，还可提供一些中低速率的数据传输业务和智能网业务。除g s m 之 外，第二代移动通信系统的协议标准还包括高级数字移动电话系统( d i g i t a l 博士学位论文m i m o o f d m 系统中信道估计与多用户分集技术研究 a d v a n c e dm o b i l ep h o n es e r v i c e ) 、个人数字蜂窝系统( p e r s o n a ld i g i t a lc e l l u l a r ) 以 及i s 一9 5 等。 第三代移动通信系统的主要技术采用码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 。国际移动电信标准2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n 2 0 0 0 ，i m t - 2 0 0 0 ) 最初是期望能够在世界范围内定义单一的、遍布各地的无线 通信标准，提供通用的基本网络设备和手持终端，从而为全球所有用户提 供通用的无线通信系统和设备。然面在2 0 世纪9 0 年代中期，由于多种无线通 信技术与标准都已经在商业领域获得巨大的成功，因此制定全球通用标准 就变碍不太可行。国际电信联盟( i n t e r n 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 ，i t u ) 有 关3 g 标准方案主要有欧洲和日本提出的w c d m a 、北美提出的c d m a 2 0 0 0 以及 我国提出的t d s c d m a 。2 0 0 7 年l1 月，以正交频分复用( 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 ) 为物理层核心技术的w i m a x ( w o f l di n t e r o p e r a b i l i t y f o rm i c r o w a v ea c c e s s ) 也已成为新的3 g 移动无线标准。 未来的b 3 g 4 g 移动通信应该比第三代移动通信更接近于个人通信，即在 任何人、任何时间和任何地点的基础上实现任何形式的通信。这就要求通信的 内容除话音外，还有其它媒体包括语音、数据、影像等大量信息通过宽频的信 道传送出去。为适应未来发展，b 3 g 4 g 系统应该满足以下技术要求【1 】：支持 全i p 高速分组数据传输，数据速率为数十多e b p s 甚至数百多e b p s ；支持高速的终 端移动性，移动速度高达每小时几百公里；支持高的传输质量，数据业务的 误码率低于1 0 娟数量级；提供高效的频谱利用率，频谱效率高达每赫兹( h e a z ， h z ) 1 0 比特及以上；提高功率效率，发射功率降 氐l o d b 以上；有效地支持在用 户数据速率、用户容量、服务质量和移动速度等方面大范围的动态变化。为满 足这些技术的要求，未来b 3 g 4 g 移动通信系统必将在网络结构、系统理论及关 键技术等方面具有全新的面貌。 2 0 0 2 年，中匿启动了8 6 3 移动通信重大项目，即瞄准2 0 1 0 年前后移动通信产 业发展，研究未来无线通信通用环境技术( f u t u r et e c h n o l o g i e sf o ru n i v e r s a lr a d i o e n v i r o n m e n t ，f u t u r e ) ，也称为f u t u r e 计划。f u t u r e 计划中携基本物理层技 术方面采用正交频分复用( o f d m ) 技术，多输入多输k b ( 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 ) 技术，自适应调制编码( a d a p t i v em o d u l a t i o nc o d i n g ，a m c ) 技术和 双迭代t u r b o 检测方案；广播层采用高空平台技术，提供高速率无线多媒体广播 业务：小区层采用多天线与新型小区结构等关键技术，构造峰值速率及传输性 能能够提高1 , - , 2 个量级的公众蜂窝通信系统；区域层采用无线局域网( w i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) ，无线家域网技术，构造区域性高速率、低成本无 一2 一 第一章绪论 线通信系统；核心网采用i p v 6 作为无线通信核心网络，解决中国l p 地址缺乏问 题。 1 - 2 论文的研究内容 未来移动通信系统需要采用更加先进的通信理论及信号处理技术来提 高系统频谱利用率，系统传输速率以及系统容量。因此，具有抗多经衰落 的o f d m 技术和能成倍提高系统容量的m i m o 技术业已成为新一代移动通信领 域的研究热点，并_ e i m i m o 和o f d m 势必也会成为未来移动通信系统中的核心 技术。 正交频分复雳( o f d m ) 是一种特殊的多载波传输方案，它既可以看作一种 调制技术，也可认为是一种复用技术。传统的多载波频分复用系统中，发送端 在不同的频率上发送信号，各个频段之间没有任何同步。而在o f d m 系统中， 在各个频段上发送的数据被组合成一个单独的复用数据流，这些数据由多个 子载波组合成一个o f d m 符号。o f d m 信号中的所有子载波都在时间和频率上 同步，使撂子载波之闻的干扰被严格控制。由予整个传输带宽被分成多个窄 带的子载波，并且子载波内信道是平坦衰落，因而实现了数据并行传输，因 此，o f d m 技术豹个最大优势就是对抗宽带通信系统中的多径衰落信道。但 是由于o f d m 信号中存在多个相巨正交的子载波，而且输出信号是多个予信道 信号的叠加，因两o f d m 对频率偏差樱当敏感。首先，由于发射端和接收端的 晶振频率不匹配会造成信号的频率偏蒺；其次，无线信道中多普勒效应也会 使信号的频率发生偏移。信号频率偏移会破坏o f d m 系统中子载波之闻的正 交性，从而导致予信道间的信号相互干扰也即是产生载波间干扰( i n t e r - c a r r i e r i n t e r f e r e n c e ，i c i ) 。考察与分析由于接发端晶振频率不匹配或由于无线信道中多 普勒频偏而弓l 起的载波频率偏差( c a r r i e rf r e q u a f i o no f f s e t , c f o ) 对o f d m 系统的 性能影响是本文研究内容之一。 最初的m i m o 系统特性及实现方案的研究均是针对窜带系统，而未来移 动通信系统是宽带系统，因而会面临可能导致破坏性结果的码间干扰。采 用o f d m 调制的m i m o 系统，或称为m i m o o f d m 系统综合了m i m o 高频谱效 率和o f d m 简化接收机的特点受到了广泛重视。m i m o 和o f d m 技术将会使窄 带m i m o 系统的基本概念和结论在未来宽带移动通信系统中得以实现。本文 的另个研究重点就是m i m o o f d m 系统中关键技术之的信道估计。传统 的单输入单输, m , ( s i n g l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ，s i s o ) o f d m 系统中信道估计算法的 j 一 博士学位论文m i m 饼o f d m 系统中信遣估计与多用户分集拔术研究 研究业已相当完善与成熟。m i m o o f d m 系统中接收信号是多个发射天线发 送信号的衰落与加性嗓声的叠加，所以采用s i s o o f d m 系统中信遴估计算法 时，由予来自其它发射天线的干扰使得m i m o o f d m 系统中接收信号的信噪 l 匕( s i g n a l t o n o i s er a t i o ，s n r ) 常常在0 d b 以下，从而会带来很大的估计误差。因 此，m i m o o f d m 系统中基于导频辅助的信道饿汁技术必须考虑多天线以及频 率正交性，并且对于不同时变信道条件下的信道估计算法存在着不同的估计策 略和方案。 多用户分集是利用衰落信道相互独立的用户中存在信道质量条件最好的概 率很大，若将系统资源分配给信道条件最好的用户可以有效地提高多用户系统 中上下行链路的系统吞吐量。在调度时隙内，基站选择与信道条件最好的用户 进行通信的传输方案称为机会调度( o p p o r t u n i s t i cs c h e d u l i n g ) 。通过机会调度， 系统吞吐量会随用户数的增加而增大，在r a y l e i g h 衰落信道中，其增长率与用户 数k 之间的关系服从o ( 1 0 9 l o g k ) 。为实现机会调度，用户必须将信道信息反馈 给基站以便能够使其进行用户选择与调度判决。实施信道信息全反馈爵的系统 反馈量与用户数之间的渐近性能关系是0 ( k ) ，因此系统反馈量增长率远远小于 系统吞避量的增长率。在不牺牲多耀户系统中系统吞畦量鸵情况下减少系统反 馈量是个值得研究的问题。通常，系统反馈量和系统吞吐量是一对矛盾，研 究两者之间的内在关系对实际豹多用户系统有一定的参考价值与实用意义。 本文研究内容主要包括频率选择性衰落信道中c f o 对o f d m 系统的性能影 响，m i m o o f d m 系统中基于导频辅助的信道估计算法以及基于反馈门限的多 题户分集技术。全文内容安排如下： 第一章为绪论，简要介绍了本文的研究背景与研究内容。 第二章简要介绍m i m o o f d m 系统的基本原理。首先，给出了无线信道 的一些基本特征；其次，描述了m i m o 系统及多用户m i m o 系统中些基本概 念；最后，简要介绍了o f d m 系统以及m i m o o f d m 系统的基本原理。 第三章研究了频率选择性衰落信道中存在c f o 时躲o f d m 系统性能。首 先是分析由c f o 造成的系统期望功率损失或者是系统s n r 损失的度量指标； 其次是研究c f o 影响下的系统平均错误概率性能。对于期望功率损失或者系 统s n r 损失的评估，由于两者基本上是与系统子载波数无关，因此可以通过 假设o f d m 系统中子载波数为无穷给密期望功率损失和系统s n r 损失的理论 表达式。研究结果履示，子载波数为无穷时的理论结果与有限个子载波数 的实际结果之间误差可以忽略不计。对于o f d m 系统中平均错误概率性麓的 第一章绪论 评估，分别给出了系统采用b p s k ( b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n