（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统信道估计技术研究(2).pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 未来通信的高质量需求对无线通信系统的设计提出了更高的要求，反 映在物理层技术上主要为通信系统应具有很高的频谱效率和功率效率，并 能适应环境和业务的变化。o f d m 系统的频谱利用率远远高于单载波系统， 并且具有良好的多径衰落对抗能力，因此一直是宽带通信的研究热点。而 当前单天线系统( s i s o ) 的容量由于各种高阶编码技术如t u r b e 码、l d p c 码的引入以及使用已经被推近至香农极限，因而多天线系统( m i m o ) 的引 入为进一步提高通信系统的容量提供了一个新的途径。具体来说，m i m o 的优势主要体现在两个方面：一是复用带来的增益，如v - b l a s t 和 d b l a s t 用于提高频谱效率；二是分集增益，如空时码，空频码，用于提 高功率效率。因此m i m o 的发展是与未来通信的需求一致的。而 m i m o o f d m 系统结合了两者的优势，更是被认作b 3 g ，4 g 应用的首选。 论文主要内容：本文主要针对m i m o o f d m 系统对于信道估计的高要 求研究基于线性预编码的盲信道估计方法。首先提出o f d m 系统的信道估 计问题，给出各种信道估计偏差的详细分析及对系统产生的影响。在此基 础上，把同步问题从单天线的o f d m 系统扩展到m i m o o f d m 系统当中， 给出无线信道的一般描述，并在此基础上分析多径效应和多普勒的产生， 以及其对传播信号带来的影响。在对无线信道分析的基础上对 m i m o o f d m 系统信道估计问题做出分析并给出信道估计模型。随后本文 总结了m i m o o f d m 系统信道估计问题的研究现状，按照是否使用数据辅 助同步进行了分类归纳，分别总结了使用训练序列，利用循环前缀，插入 导频三种采用数据辅助方式的信道估计以及不使用数据辅助的盲同步的 他研究现状和优缺点。在2 x 2 m i m o o f d m 系统下进行具体的信道估计。 首先给出系统模型与信道估计问题分析，然后针对信道估计设想介绍编码 矩阵的设计。在此基础上对m i m o o f d m 系统的信道估计方法，包括预编 码，盲估计，分解对角模糊进行分析与仿真。并且在此基础上引入冗余线 性预编码，结合使用w a l s h 的哈达码矩阵作为编码矩阵，推导证明基于 w a l s h 码线性预编码的引入能有效的降低算法的计算复杂度，并且能有效 的解决了多用户带来的影响。最后得出结论与总结。 关键词：m i m 0 - 0 f d m 系统信道估计，信道模型，线性预编码，盲信道估计， 分解对角 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t t h eh i g hq u a l i t yr e q u i r e m e n to nf u t u r ec o m m u n i c a t i o nm a k e sah i g h e r d e m a n dt ot h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sd e s i g n i tm a i n l yr e f l e c t so n p h y s i c sl a y e r st e c h n o l o g yi st h a tt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ms h o u l dh a v ea v e r yh i g hs p e c t r u me f f i c i e n c ya n dp o w e re f f i c i e n c y , a n da l s oi tc a na d a p tt h e c h a n g eo ft h ec i r c u m s t a n c ea n do p e r a t i o n t h eu t i l i z er a t i oo ft h eo f d m s y s t e m ss p e c t r u mi sf a rh i g h e rt h a nt h es i n g l ec a r r i e rw a v es y s t e m ，a n di t h a v ew e l lm u l t i p a t hd e c l i n e sc o u n t e r a b i l i t y s ot h eo f d ms y s t e mi st h e h o t s p o ts t u d y i n go ft h eb r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o na ta l lt i m e s i nc u r r e n t l y t h es i s os y s t e m s c a p a c i t yh a v eb e e na p p r o x i m a t e l y t ot h es h a n o n s h i g h p o i n tb e c a u s eo ft h eh i g h - l e v e lc o d i n gt e c h n o l o g yl i k et u r b ca n dl d p c w a si n t r o d u c e da n du s e d i ts h o u l do f f e ran e wa p p r o a c ht of a r t h e re n h a n c et h e c o r r e s p o n d i n gc a p a c i t yb yi n t r o d u c i n gt h em i m os y s t e m t h em i m o s y s t e m sa d v a n c e dc o n c r e t e l ym a i n l yr e p r e s e n ta tt w oa s p e c t s ：o n ei sm u l t i p l e u t i l i z a t i o nb r i n g si n c r e a s e dp r o f i t a b i l i t y , s u c ha su s i n gt h ev - b l a s ta n d d b l a s tt oe n h a n c et h es p e c t r u me f f i c i e n c y ；t h eo t h e ri sd i v e r s i t yb r i n g s i n c r e a s e dp r o f i t a b i l i t y , s u c ha s u s i n gt h e v a c a n tt i m ec o d e a n dv a c a n t f r e q u e n c yc o d et oh e i g h t e nt h ep o w e re f f i c i e n c y s ot h ed e v e l o po ft h em i m o a n dt h ef u t u r ec o m m u n i c a t i o ni sc o h e r e n c e ，a l s ot h em i m o o f d ms y s t e m c o m b i n et h eb o t ha d v a n t a g ea n dc o n s i d e r e dt h ep r e f e r r e du s i n gi nb 3 g 4 g a p p l i c a t i o n t h ep a p e r sc o n t e n ti st h a t ：t h eb l i n d e dc h a n n e le s t i m a t em e t h o db a s e d t h el i n e a rp r e - c o d i n gw a ss t u d i e d ，i nc o r r e s p o n d e n c ew i t ht h em i m o f i d m s y s t e mh a v i n gh i g hr e q u i r e m e n to nc h a n n e le s t i m a t e a tf i r s t ，t h eo f d m s y s t e mc h a n n e le s t i m a t ei s s u ew a sg a v e ，t h ed i f f e r e n tk i n d sc h a n n e le s t i m a t e e r r o r sw e r ed e t a i l e da n a l y z e da n dt h ei n f e c t i o nt ot h es y s t e mw a si n t r o d u c e d a f t e rt h a t t h ec h a n n e le s t i m a t ei s s u ew a se x t e n d e df r o mt h es i s 0 o f d m s y s t e mt ot h em i m o o f d ms y s t e m ，a n dt h ed e p i c t i o no ft h ew i r e l e s sc h a n n e l w a s g a v e ，t h e nt h em u l t i p a t ha f f e c t i o na n dd o p p l e re f f e c tw e r ea n a l y z e d ，a l s o t h ei r i f e c t i o nt ot h et r a n s m i tc h a n n e lw a si n t r o d u c e d b a s e do nt h i s t h e m i m o - o f d ms y s t e mc h a n n e le s t i m a t ei s s u ew a sa n a l y z e da n dt h ec h a n n e l e s t i m a t em o d e lw a sg a v e ，i ti sc l a s s i f yb a s e do nw h e t h e ro rn o tu s i n gt h ed a t a 重庆邮电大学硕士论文摘要 a s s i s t a n tc h a n n e le s t i m a t e ，a n dr e s p e c t i v e l ys u m m a r i z et h et h r e ed a t aa s s i s t a n t m e t h o d s c h a n n e le s t i m a t eb yu s i n gt h et r a i n i n gs e q u e n c e ，t h ec i r c l ep r e f i x i o n a n di n s e r t e de l e c t r i cf r e q u e n t l y ，a l s ot h er e s e a r c hs t a t u s ，t h ea d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g eo fn ou s i n gt h ed a t aa s s i s t a n tb l i n dc h a n n e le s t i m a t ew e r eg a v e t h e ni tm a k e ss y n c h r o n i z a t i o ni n2 x 2m i m o o f d ms y s t e m f i r s t ，t h es y s t e m m o d e la n dc h a n n e le s t i m a t ei s s u ea n a l y s i sw a sg a v e ，t h e nt h ed e s i g no ft h e c o d i n gm a t r i xw a s i n t r o d u c e da c c o r d i n gt ot h ec h a n n e le s t i m a t e b a s e da b o v e ， t h em i m o o f d ms y s t e mm e t h o dw a si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h ep r e c o d i n g ， b l i n de s t i m a t e ，d i s s o l v i n gd i a g o n a lf u z z yw e r ea n a l y z e da n de m u l a t e d ，a tl a s t t h ec o n c l u s i o n sw e r eg a v e k e y w o r d s ：m i m o o f d ms y s t e mc h a n n e le s t i m a t e ，c h a n n e lm o d e l ，l i n e a r p r e c o d i n g ，b l i n dc h a n n e le s t i m a t e ，r e s o l v i n gt h ed i a g o n a la m b i g u i t y i 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，也不包含为获得藿鏖 邮电盔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 的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意 掌譬论文作者签名：量等，鑫筝字日期：一，7 年妇p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 ：重送整蜜太堂有关保留、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四本人授权 重废壑曳太竺可以将学位论文的 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) 学位论文作者签名：壹暑霖 晶签名：学位论文作者签名：趸君霖导师签名： 签字日期： 2 岬年f 月日 签字日期；二矽年j 洎弘日 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 移动通信已经成为我国信息通信业的主要增长点之一，带动了信息通信业的 持续快速增长，同时在促进信息沟通提高工作效率服务百姓生活等方面。随着无 线通信技术的快速发展，频谱资源的严重不足已经日益成为遏制无线通信事业的 瓶颈。如何充分开发利用有限的频谱资源，提高频谱利用率，是当前通信界研究 的热点课题之一。在未来的宽带无线通信系统中，存在两个最严峻的挑战：多径 衰落信道和带宽效率。o f d m 通过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。而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。这样，如果我们将o f d m 和m i m o 两种技 术相结合，就能达到两种效果：一种是系统很高的传输速率，另一种是通过分集 达到的很强的可靠性。m i m o o f d m 技术作为提高数据传输速率的重要手段得到 人们越来越多的关注，被认为是新一代无线通信技术的革命。本章首先简要了解 m i m o o f d m 的技术特点，然后介绍本论文的课题背景和主要研究内容。 本章首先简要了解m i m o o f d m 的技术特点，然后介绍本论文的课题背景和 主要研究内容。 1 1m i m o o f d m 简介 1 1 1o f d m 技术简介 o f d m ( 正交频分复用) 是一种特殊的多载波传输方案，可以被看作一种调 制技术，也可以被看作一种复用技术。o f d m 理论及其应用的研究可以追溯到上 个世纪中叶，即在上世纪五十年代( i a d o e l z 提出了k i n e p l e x 系统，该系统使用 了2 0 个子载波，每个子信道的调制方式是q p s k 调制，各子载波的频谱互相重 叠又是正交的，大大地提高了频谱利用率。其相邻子载波的间隔近似等于符号速 率。可以看出，其基本思想类似于现代的o f d m ，可以说是o f d m 系统的雏形。 二十世纪六十年代，r w c h a n g 等通过滤波和限带等方法使子载波保持正交。 1 9 7 1 年，s b w e i n s t e i n 和p m e b e r t 利用d f t 进行多载波的基带调制和解调， 大大地降低了系统实现的复杂度，o f d m 在实用化的进程中前进了一大步。 w e i n s t e i n 等提出通过插入保护间隔来消除符号间干扰，但信号经过多径信道后会 使子载波间不再正交，从而产生干扰。1 9 8 0 年，a p e l e d 和a r u i z 采用循环前 缀( c y c l i cp r e f i x ，简写为c p ) 的方法使信号经过多径信道后仍然保持子载波的正 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 交性。1 9 8 5 年，c i m i n i 将o f d m 应用于数字蜂窝系统，从此，o f d m 开始应用 于无线移动系统的研究。 o f d m 系统框图如下 图1 1o f d m 系统框图 o f d m 系统较一般的单载波通信系统能更充分地利用频带，得到更高的数据 传输速率，己经在许多通信领域得到了应用。例如，欧洲数字音频广播( d i g i t a l a u d i ob r o a d c a s t ，简写为d a b ) 标准采用了带差分相位调制的o f d m ，数字视频广播 ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t ，简写为d v b ) 标准包含t 多幅度调制的o f d m ，有线 电话网上基于现有铜双绞线的非对称数字用户环路( a s y m m e t r i c a ld i g i t a l s u b s c r i b e rl o o p ，简写为a d s l ) ，基于5 g h z 频段的高速无线接入局域网标准8 0 2 1 l a 和h i p e r l a n i i 也都采用了o f d m 调制，等等。 除了高带宽利用率外，o f d m 系统还有以下优点： 1 ) 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，可以用f f t 来实现，大大减小了运算量和实现复杂度。 2 ) 无线网络中的许多数据业务( 如上网浏览) 都存在非对称性传输，即下行链路 中传输的数据量要远远小于上行链路的数据传输量o f d m 系统可以很容易地通 过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中的不同传输速率。 3 1 实际的无线信道多是频率选择性信道，不可能所有的子载波都同时处于比 较深的衰落中，因此可以通过动态比特分配和动态子信道分配的方法，充分利用 信噪比较高的子信道，从而提高系统的性能。 4 ) o f d m 技术可以和空时编码、智能天线、自适应调制、自适应编码以及动 态分组分配、动态比特分配等技术相结合，极大地提高了物理层信息传输的可靠 性和有效性；o f d m 技术还可以与多种多址接入技术结合使用，构成o f d m a 系 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 统，如o f d m c d m a 、调频o f d m 以及o f d m t d m a 。 5 ) 因为窄带干扰只能影响- d , 部分的子载波，因此o f d m 系统可以在某种程 度上抵抗窄带干扰。 但是由于o f d m 系统内存在有多个正交子载波，而且其输出信号是多个子信 道信号的叠加，因此与单载波系统相比，存在以下两个主要缺点： 1 ) 易受载波频率偏差和d o p p l e r 频谱扩展的影响。 2 ) 存在较高的峰值平均功率比。 1 1 2m i m o 技术简介 无线通信业务的需求推动了天线技术的发展，天线技术的进步则为提高通信 系统的容量提供了另一维设计空间。最早的天线设计上作源于m a r c o n i 的跨越大 西洋电报系统的定向天线的设计。而天线阵列的使用则是从第二次世界大战开始， 当时主要用于雷达。随着无线通信的蓬勃发展，频谱效率的进一步提高被认为是 无线通信研究的紧迫问题。空域或者空时联合处理被认为是提高现代无线通信系 统性能“最后的疆域”。通过在接收端、发射端或两端均使用多天线，可以获得显 著的通信系统和链路性能的改善。传统的多天线技术如智能天线技术主要集中于 在接收端空域处理( 如波束形成算法) 或者空时联合处理( 如适用于c d 姒系统的 空时二维r a k e 接收系统) ，以获取接收分集增益、提高信噪比、对抗其他用户干 扰进而提高小区覆盖范围，提高系统容量。 m i m o 系统框图 空 时 编 码 冀瓣 空 跫 时 译 码 k 图1 2 m i m o 系统框图 智能天线技术能有效提高频谱效率，但在特定环境下( 如基于c d m a 体制的 城市小区) 智能天线的性能会受到影响。因为在这样的环境中，存在大量的散射 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 体，基于多径效应导致每一个用户的信号均有较大的角度扩展，同一用户的信号 可能从较大的角度范围内到达，传统的智能天线需要提供更大的自相关度以接收 这些多径信号。因而基于接收信号间相关性的减弱，会导致智能天线接收合并性 能的下降。 m i m o 技术被认为是一种新型的“智能天线”技术。它与智能天线的区别在 于提供了阵列天线应用的新思路并更着重于空时联合处理。通过在接收端和发射 端空时二维甚至空时频三维的联合设计和优化的编码、调制，m i m o 系统能极大 改善通信链路的容量和通信可靠性。但是，m i m o 信道容量是最优m i m o 系统 性能的上限，知道这一上限并不意味着能实现它。另外最优系统的空时联合处理 由于高复杂度而难以实用化。因此，对无线通信工程师而言，发挥m i m o 潜力 的关键在于为发端设计优化的信号传输形式，并在收端设计合理的接收处理算法。 按照系统获得的增益类型，而当前的m i m o 传输方案设计的目标主要可以分为 两大类：获取空间复用增益和空间分集增益。当前的m i m o 系统设计主要着眼 于最大化其中一种增益。针对这一问题，f o s c h i n i 和t a r o k h 等人做了大量开拓 性工作，推动了无线通信向其极限性能的逼近。 1 1 3m i m o o f d m 的结合 m i m o o f d m 是由i o s p a nw i r e l e s s 提出的使用多天线来发送和接收射频信号 的技术，该技术结合m i m o 与o f d m 以得到高效的频谱利用率并扩大系统的容 量。一个m i m o o f d m 系统在多天线上同时传输独立的o f d m 调制信号，在接 收端将数据解调后再进行m i m o 解码。它与m i m o 的不同就在于调制采用了 o f d m 方式，因而能有效的对抗多径。 目前m i m o o f d m 研究方向大致可以分为几个部分：首先是空间分集，可用 于改进传输功率的效率。这一方向主要涉及编码的问题。在m i m o 系统用的比较 多的是空时码，例如s t b c ( s p a c e - t i m eb l o c kc o d e ) ，s t t c ( s p a e e - t i m et r e l l i sc o d i n g ) ， 以及最近提得比较多的s f c ( s p a c e f r e q u e n c yc o d e ) 。其次是系统容量的扩展问题， 通过不同的分层结构达到不同的期望，例如v - b l a s t 结构，d b l a s t 结构，以 及天线的配置。再者就是对于信道的研究，以及数据的发送与接收。在这个部分 当中，研究的比较多的是信道的估计与信道估计问题，还有对信号检测、均衡、 接收机的设计等方面的探讨。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 2 课题背景 信道估计技术是任何一个通信系统都需要解决的实际问题，其性能直接关系 到整个通信系统的性能。可以说，没有准确的信道估计算法，就不可能进行可靠 的数据传输，它是信息可靠传输的前提。而在m i m o - o f d m 系统当中，由于o f d m 对信道估计偏差的敏感性使得m i m o o f d m 对信道估计的要求更高，并使信道 估计问题成为了m i m o o f d m 系统中的一个研究热点。而现有的m i m o o f d m 信道估计研究对于信道估计问题的假设都比较理想化。对于m i m o o f d m 系统 较少考虑到系统存在多个载波频偏的问题，而从实际的需求来看，由于多天线间 的干扰以及信道的影响，发送端和接收端天线对间的载波频率偏差不可能完全一 致。对于从不同天线发射的信号经历不同的路径到达接收端也可能会存在到达时 间不一致从而带来干扰的问题。这些都是现有研究很少考虑到的实际问题。因此 本文会从这些角度出发对信道估计问题进行分析并提出针对多个载波频率偏差的 估计方法以及针对信号到达时间不一致的定时方法，以求更符合实际需求。 1 3 本文工作 本文第一章为绪论，首先介绍了无线通信的发展趋势，对o f d m 和m i m o 技 术做出了各自的介绍，并介绍了二者结合的优势：然后介绍了本文的课题背景， 最后介绍了本文的主要工作。 本文第二章首先提出o f d m 系统的信道估计问题，给出各种信道估计偏差的 详细分析及对系统产生的影响。在此基础上，把信道估计问题从单天线的o f d m 系统扩展到m i m o o f d m 系统当中。首先给出无线信道的一般描述，并在此基 础上分析多径效应和多普勒的产生，以及其对传播信号带来的影响。最后对 m “o o f d m 系统信道估计问题做出分析。 本文第三章对m i m o o f d m 系统信道估计问题的研究现状做出归纳和分析。 根据信道估计方式来进行分类，首先归纳盲信道估计( n o n d a t a a i d e d ) 方式然后， 归纳采用数据辅助方式( d a t a - a i d e d ) 的几种信道估计方法。分别为训练序列的 使用，循环前缀( c y c l e p r e f i x ，c p ) 的使用，导频( p i l o t s ) 的使用：并分析各自 的优缺点以及现有研究的不足，最后给出结论。 本文第四章在突发系统下进行具体的信道估计。首先给出系统模型与信道估 计问题分析，然后针对信道估计设想介绍基于线性编码的信道估计方案。在此基 础上基于引入非线性编码做为预编码方案，利用w a l s h 自身的正交性此方案能有 5 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 效降低盲估计的算法复杂度。 本文第五章总结了论文内容并指出本文的不足以及可以继续开展的工作。 6 重趔史大学硕士论文第二章m i m o - o f d m 系统信道估计问题分析 第二章m i m o o f d m 系统信道估计问题分析 2 1 信道估计简介 信道估计技术是任何一个通信系统都需要解决的实际问题，其性能直 接关系到整个通信系统的性能。可以说，没有准确的信道估计算法，就不 可能进行可靠的数据传输，它是信息可靠传输的前提。当采用信道估计解 调或相干检测时，接收端需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干 载波，这种获取相干载波的过程就称为载波信道估计。对于数字通信，接 收端的最佳采样时刻应对应于每个码元间隔内接受滤波器的最大输出时 刻，因此，数字通信中除了载波信道估计的问题外，还有符号信道估计的 问题。符号信道估计的目的是使接收端得到与发送端周期相同的符号序 列，并确定每个符号的起始时刻，进而实现块信道估计或帧信道估计。 2 2 无线信道的概述 信道估计是指对移动信道的多径衰落瞬时特征进行估计的技术，即从 接收信号中估计出移动信道的冲激响应。特别地，移动无线信道的响应特 性是时变的，因此需要进行信道估计。准确的信道估计是保证 m i m 0 o f d m 系统传输质量，发挥其优越性的关键。无线通信系统中的调 制方式主要有差分调制和相干调制，差分调制时，信道由两个连续符号的 差来编码，可以不需要信道估计。它的缺点是有约3 d b 的噪声影响，并且 不能够用多幅度的星座图相干调制允许任何形式的星座图，在高数据率的 系统中应用广泛，但需要估计和跟踪衰落信道信道估计一般都是需要的， 特别是在信道经历比较慢的衰落时，信道估计变得更可行且可靠。在信道 变化很快时，通信系统对信道估计提出了更高的要求，充分地利用导频符 号来得到最优的信道估计性能非常重要，而且导频符号的不同设计也可以 显著地影响系统的整体性能。 与有线信道相比，无线信道的传播方式和特点有很大的不同，相对复 杂得多。例如，有线信道中典型的信噪比能达到四十多个d b ，也就是信号 电平要比噪声高1 0 0 0 0 倍以上，而且有线信道的特性能够进行改善，通过 选择材料和加工工艺等改造传输信道的电气特性，提高信号的传输质量。 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章m i m o - o f d m 系统信道估计问题分析 相反的，无线信道的随机性和时变性比较难以估计，而且无线信道不易进 行改造，只能通过各种信号处理的方法和编解码技术来适应不同的信道， 达到所需的传输速率和传输性能。 无线通信信道有以下3 个主要特点： 1 ) 开放性：无线通信是通过电磁波在开放性的空间传播实现信息传输 的，而有线通信的信号是通过封闭式的传输线来传播信号。 2 ) 复杂性：由于传播的开放性，使得无线传输的环境相对的复杂。一般 可分为高楼林立的城市繁华区；主体为一般建筑物的近郊区：以山丘、湖泊、 平原为主体的农村及远郊区。 3 ) 移动性：没有了有线信道的约束，无线通信用户可以不必固定在某个 特定地点进行通信，可以在运动中进行通信。所以无线通信又可以分为静 态的室内通信、慢速步行通信和高速车载通信，种类型。 2 2 1 单天线信道 无线通信系统的性能要受到无线信道的制约。无线通信主要利用发射 机与接收机的空间信道，利用信号的直射、反射、漫射、绕射等方式来传 送数据，造成接收机接收到的信号是多个不同路径，不同到达时间的信号 的叠加同时由于接收机和发射机的移动以及传输信道上环境的改变，也对 信号的衰落规律产生很大的影响。由于无线传输信道的复杂性，因此无线 信道不像有线信道那样是固定并可预见的，这对于信号的传输是不利的。 通常无线信道传播模型分为大尺度( l a r g es c a l e ) 传播模型和小尺度 ( s m a l l s c a l e ) 传播模型两种。大尺度传播模型用于描述发射机与接收机之间 长距离上( 几百或几千米) 的信号变化。大尺度衰落通常是由于传播距离和 环境的变化而产生的缓慢变化，克服大尺度衰落的方法通常是增大发射机 的发射功率。小尺度传播模型用于描述短距离( 几个波长) 或短时间内( 几秒) 接收信号的变化。小尺度衰落的产生通常是由于多径效应和多普勒频移所 产生的。一个无线信道常常是这两种衰落的结合。 移动通信中最难克服的就是快衰落引起的时变特性。所以我们对几种 快衰落分别进行讨论： 空间选择性衰落 空间选择性衰落是指在不同的地点和空间位置信道的衰落特性也不 一样，通常又叫做平坦瑞利衰落，这里的平坦是指在频域和时域上没有选 择性衰落。空间选择性衰落表现为在同一时间，不同地点的信号衰落起伏 8 重庆邮电大学硕士论文第二章m i m o o f d m 系统信道估计问题分析 不一致，在角度域上表现为：l 夏3 k 织角度上的冲击脉冲j 产生了扩散，扩散 8 宽度为a 9 ，如下图所示。 妒 编妒 图2 1 空间选择性信道原理图 频率选择性衰落 无线通信中接收机接收到的信号是从许多路径上到达的信号的叠 加，各路径到达信号的到达时间不同，相位也就不同，不同相位的信号叠 加使得信号有时候增强，有时候减弱，接收到的信号幅度急剧变化。多径 效应引起接收信号脉冲宽度扩展的现象，称为时延扩展，如下图所示： 图2 2 频率选择性衰落信道原理图 频率选择性衰落表现为不同的频率上信号的衰落起伏不一致，衰落周 期在时间域上表现为1 l ，原来时间上的冲击脉冲j 产生了扩散，扩散宽 为l 2 。 时延扩展的倒数叫做相关带宽，当传输信号的带宽大于相关带宽的时 候，就会产生频率选择性衰落，反之叫平坦性衰落。 时间选择性衰落 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章m i m o - o f d m 系统信道估计问题分析 时间选择性衰落，是指在不同的时间上信号的衰落特性不同，它是由 多普勒频移引起的。多普勒频移是由于发射机和接收机的移动和传播信道 上环境变化引起的，多普勒频移使得单频信号在频域上宽度展宽，形成多 普勒扩展。 t l 欠“、 八、 图2 3 时间选择性衰落信道原理图 多普勒扩展的倒数叫相关时间，当传输信号的符号时间超过相关时间 的时候就会产生时间选择性衰落，传输信号就会失真。 2 2 2m i m o 信道 随着宽带无线通信的发展，开始利用空间技术来提高无线通信系统地 传输能力，其中的一种技术就是利用m i m o 信道来并行传输信号。信息论 已经证明，当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关的时候， m i m o 系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，但是实际空间传输 环境下的信道是相关的，于是我们要研究m i m o 信道的相关性，在接收端 去除信道间的相互干扰，才能把m i m o 信道看成独立的信道进行信号传 输，这对于m i m o 系统的性能是至关重要的。 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章m i m o o f d m 系统信道估计问题分析 4 、 、 ，、 ， ， ，t ；t 散射媒体 i 、， 、 、 广 图2 4 m i m o 信遒不慈图 上l 虱e ex ( f ) = b ( f ) ，屯( f ) ，( f ) 7 表示发送信号，而( f ) 表示第i 根发 送天线上的信号，y ( f ) = b ( f ) ，儿( f ) ，( f ) 7 表示接收信号，只( f ) 表示第 i 根接收天线上的信号由此得到发送端到接收端的无线信道： n ( 0 - - 日万( f 一，) 式( 2 1 ) 式中i t , - - ，) * 。为第j 个路径的信道专一矩阵。 ( 7 ) 表示第f 根发送天线到第_ ，根接收天线间第z 个路径的信道增益，l 表示天线对间信道可分辨的数目。因此： y ( ，) = p ( r ) x ( t - r 沙式( 2 2 ) 其中= 嘭j ( f f f ) 为第i 根发送天线到第j 根接收天线问的信道增 益。由式( 3 3 ) 可以看出，接收信号是所有发送信号在接收天线上响应的和， 要从这些信号中恢复出原来的信号，我们就要知道天线阵之间的相关性与 各个天线对间的信道响应。 协协协爿 重庆邮电大学硕士论文 第二章m i m o o f d m 系统信道估计问题分析 2 2 3m i m o - - o f d m 信道描述 设m i m o o f d m 系统有丛坼个发射天线，个接收天线，每个o f d m 符号有n 个子载波。 假设信道是频率选择性信道，时间上平坦。也就是说，信道是一个静 止( 或准静止) 信道，在一个o f d m 符号时间内基本保持不变，但是在o f d m 符号频域内有衰落。同时我们假设不同天线之间的信道衰落是独立同分布 l - ! 的。信道的脉冲响应表示为：( f ，r ) = 嘞( ，) 占( r q ) ( 2 3 ) i = 0 其中，f f 表示第f 条路径的延时，( ，) 表示第z 条路径的幅度响应，服 从复高斯分布。我们用峨 ) 表示频域的信道衰落，它表示第f 个发送天线 到第j 个接收天线之间，在第k 个子载波上的增益。通过对时域的信道响 应( f ，r ) 做f f t 变换可以得到信道的频域响应： ( t ) = ( 咖一胆雕“) ( 2 4 ) 0 见表示第i 个发送天线到第j 个接收天线之间信道在频域上的响应， 有： 峨= i m p ( o ) ，峨( 1 ) ，( ) ，i = l 2 ， ( 2 5 ) 2 3o f d m 系统中信道估计问题分析 无线传播信道具有很大的随机性，会引起传输信号幅度、相位和频率 的失真，产生符号间干扰等，对接收机的设计提出了很大的挑战，信道估 计器是接收机的一个重要组成部分。在理论研究中，为了更好地描述信道 对信号的影响，人们引入了信道模型统计的方法，通过研究信号在特定环 境下的特性来进行信道建模。信道估计可以定义为描述物理信道对输入信 号的影响而进行定性研究的过程，是信道对输入信号影响的一种数学表 示。如果信道是线性的，那么信道估计就是对系统冲激响应进行估计。“好” 的信道估计就是使得某种估计误差最小化的估计算法。 0 f d m 系统中的信道估计实现准则如下： 一般认为估计方法分为古典估计和贝叶斯( ( b a y e s ) 估计，最小二乘 ( l s ，l e a s t s q u a r e ) 估计和最大似然( m l ，m a x i m u ml i k e l i h o o d ) 估计同属于 重卿b 皇太学亟诠皇 第二章m i m o - o f d m 系统信道估计问题分析 古典估计，而最小均方误差( m m s e ，m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ) 估计和最 大后验概率( m a p ) m a x i m u map o s t e r i o rp r o b a b i l i t y ) 估计同属于贝叶斯估 计。 m m s e ( 最小均方误差) 准则 m m s e 估计器的结构如图2 2 所示 抽 当“。 、 、 人乡 一 史h 一- 肼t q d f t - 针) ； 、 k 图2 5m m s e 估计器结构 m m s e 估计可由下式得出 轧m = = x ”y ( 2 6 ) 其中为信道的脉冲响应 q 一= ( 灯) - 1 西+ - 1 ( r m x 一灯) 一 ( 2 _ 7 ) 为信道矢量的自协方差矩阵，f 是d f t 矩阵，为噪声信号的 方差。 最小均方误差估计充分利用了待估信号和测量噪声的二阶统计特性， 当待估信号和测量噪声为正态随机变量时，该估计己充分统计。w i e n e r 滤 波器就是一种典m m s e 估计。它具有很好的性能，但是它的算法复杂，计 算量大，这一点阻碍了它的实际应用。 l s ( 最小平方) 准则 l s 信道估计就是从最小平方的意义上得到的信道估计器。l s 估计不 考虑统计特性假设，认为待估参数为确知矢量，将估计问题转化为确定性 的最优化问题。它所采用的模型与m m s e 信道估计所采用的相同。可以将 信道写成矩阵形式：y = 职+ 栉 ( 2 8 ) 利用循环前缀脉冲响应g 的l s 估计器使( y - x f g ) 4 ( y - x f g ) 最4 、，通过 计算得到 豇= x ”y ( 2 9 ) 重庆邮电大学硕士论文第二章m i m o - o f d m 系统信道估计问题分析 式中纵= ( f n x ”x f ) - 1 ，将其代入式( 2 - 9 ) 后化简得到l s 估计器的表达 q = i f hx h x f ) - i 豇= x 。1 y 似圳巾) ) - 铲 x ( f ) x = q ( r ) ( f ) a r g m a x p p ( ，) ) 营p ( r ) ) p ( ，) ) i = 1 2 m 尸p ( ，) j ( f ) ) p ( ( f ) ) p ( y ( ，) 1 。( f ) ) 尸( i 。( ，) ) 缸= x 一1 j ， ( 2 1 0 ) l s 估计虽然性能不是最佳，但在保证一定误差条件下，它的实现复杂 度很低。 m l 最大似然) 算法 最大似然估计算法( m l ) 是估计和检测算法中的一种基础方法，杂度很 大使其应用受到限制，但这并不妨碍它在检测与估计中的应用分析时。 设发端信号为x ( t ) ，收端信号为y ( t ) ，为了使接收端错误最小，尤其 是在理论分就要求后验概率p ( x ( f ) i y ( f ) ) 最大由贝斯页公式 p ( 渺) = 错 对于x ( f ) 石= ( f ) ( f ) ，选择使得p t ( f ) i y ( f ) 最大的。墨( f ) 对应 的符号作为输出。由此得到最大后验概率( m a p ) 准则：使得统计意义上平均 错误概率最小。 a r g m a x p s , ( f ) ) ) 铮p h ( f ) ) p h ( f ) ) i = 1 2 m ( 2 1 2 ) 则将输出判为( t ) 。 由贝叶斯公式得