（通信与信息系统专业论文）lte系统中的导频设计和信道估计仿真研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 为了提高移动通信的持续竞争力，3 g p p 组织提出了长期演进系统标准( l o n gt e r m e v o l u t i o n ，l t e ) ，采用o f d m 多载波技术与m i m o 技术相结合的方式，来提高系统的 性能。 本论文主要在结合l t e 物理层下行链路关键技术的基础之上，基于m a t l a b 建模， 重点围绕l t e 系统的下行信道估计技术及其在单多小区环境下的性能展开研究。 首先，本文在介绍l t e 系统和信道估计的研究背景及国内外研究现状的基础上， 重点分析m i m o o f d m 系统的基本原理和结构，针对o f d m 系统使用块状导频和梳状 导频时在不同信道条件下的性能进行仿真分析，对基于导频的信道估计方法进行推导 与仿真，包括l s 算法、m m s e 算法和l m m s e 算法。仿真表明块状导频不易受到最大多 径时延的影响，梳状导频不易受到多普勒频移的影响；m m s e 和l m m s e 估计的性能要 远好于l s 估计，但m m s e 估计复杂度较高。 其次，论文在深入分析l t et s 3 6 2 1 1 物理层协议的基础上，对l t e 下行系统信道模 型进行了划分，包括加扰模型、调制模型、层映射模型和预编码模型等。通过分析l t e 系统的帧结构、导频正交性设计原则以及l t e 系统导频图案的选取，确定了4 天线m i m o r s 结构图。同时论文还讨论了不同的内插方法，包括常值插值、线性插值和二次插值， 仿真比较了梳状导频下三种插值算法的误码率性能，结果表明高斯插值法优于常值插 值法和线性插值法，但高斯插值运算过于复杂，线性插值法性能略低于高斯插值法。 最后，论文分别对单小区和多小区环境下的l t e 系统下行信道估计性能进行了仿 真分析。首先，在单小区情况下，仿真分析了1 发l 收和4 发4 收的信道估计性能，结果 表明，分集增益随着天线数目的增加而增大，从而提高接收信号的信噪比，降低系统 误码率。然后，考虑存在干扰小区的情况，对多小区导频的产生和插入进行了分析， 采用小区特定位移的方法，实现相邻小区之间的导频的f d m 复用。仿真表明无论是在 单小区环境下还是在多小区环境下，m m s e 信道估计均优于l s 信道估计，并且由于多 小区环境下存在小区间干扰的影响，其m s e 性能要比单小区情况差。 关键词l t e ；m i m o o f d m ；信道估计；导频；多小区 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i no r d e rt ok e e pt h ed u r a t i v ec o m p e t i t i v ep o w e ro ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，3g p p h a sp r o p o s e di t sl o n gt e r me v o l u t i o n ( l t e ) s y s t e mt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e s ，w h i c h a p p l yt h eo f d m a n dm i m oe t c i nc o m b i n a t i o nw i t ht h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h el t ed o w n l i n kp h y s i c a ll a y e ra n d m a t l a bm o d e l i n g ，t h i st h e s i si se n g a g e di nt h er e s e a r c ho nt h ec h a n n e le s t i m a t i o n t e c h n o l o g yf o r t h el t ed o w n l i n ka n di t sp e r f o r m a n c ei n s i n g l e c e l lo rm u l t i c e l l e n v i r o n m e n t s f i r s t l y , b a s e do nt h eb a c k g r o u n da n dt h ec u r r e n ts t u d ys i t u a t i o no ft h el t es y s t e ma n d c h a n n e l e s t i m a t i o n ，t h i st h e s i s d i s c u s s e st h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dt h es t r u c t u r eo f m m o - o f d ms y s t e m s t h ep e r f o r m a n c e so fb l o c kp i l o t sa n dc o m bp i l o t si nd i f f e r e n t c h a n n e lc o n d i t i o n sa r es i m u l a t e da n da n a l y z e d ，a n dt h ec h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m ，s u c h a sl s ，m m s ea n dl m m s e ，a r ea l s od e r i v a t e da n ds i m u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h eb l o c k p i l o ts c h e m ei sl e s ss u s c e p t i b l et ot h ei n f l u e n c eo ft h ed o p p l e r f r e q u e n c ys h i f ta n dt h ec o m b p i l o ts c h e m ei sl e s ss u s c e p t i b l et ot h ei n f l u e n c eo ft h e m a x i m u mm u l t i p a t hd e l a y , a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o wt h a tt h el m m s e a l g o r i t h m a n dt h em m s e a l g o r i t h ma r eb e t t e rt h a nt h el sa l g o r i t h ma n dt h em m s ea l g o r i t h mh a sa h i g h e rc o m p l e x i t y s e c o n d l y , b a s e do nt h ea n a l y s i so fl t et s 3 6 2 11p r o t o c o l ，w ed i v i d et h ec h a n n e l m o d e lo ft h el t ed o w n l i n ks y s t e m ，i n c l u d i n gs c r a m b l i n gm o d u l e ，m o d u l a t i o nm o d u l e ，l a y e r m a p p i n gm o d u l ea n dp r e c o d i n gm o d u l e t h r o u g ht h ei n t r o d u c t i o no ft h ef r a m es t r u c t u r e s ， t h eo r t h o g o n a ld e s i g np r i n c i p l ea n ds e l e c t i o no fp i l o t si nl t es y s t e m ，ar ss t r u c t u r e sw i t h4 a n t e n n a sm i i m oi sd e t e r m i n e d t h et h e s i sa l s od i s c u s s e st h r e ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m s ， s u c ha sc o n s t a n ti n t e r p o l a t i o n ，l i n e a ri n t e r p o l a t i o na n ds e c o n d - o r d e ri n t e r p o l a t i o n ，w h o s e p e r f o r m a n c ei nt h ec a s eo fc o m bp i l o t sa r es i m u l a t e da n dc o m p a r e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h eg a u s s i a ni n t e r p o l a t i o ni sb e t t e rt h a nt h el i n e a ri n t e r p o l a t i o na n dt h ec o n s t a n t i n t e r p o l a t i o n b u t t h eg a u s s i a ni n t e r p o l a t i o nh a sah i 曲0 1 c o m p l e x i t y ；t h eg a u s s i a n i n t e r p o l a t i o ni ss l i g h t l yb e t t e rt h a nt h el i n e a ri n t e r p o l a t i o n f i n a l l y , t h et h e s i sr e s p e c t i v e l ya n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ec h a n n e le s t i m a t i o nf o r t h el t ed o w n l i n ks y s t e mi nt h ee n v i r o n m e n to fs i n g l ec e l la n dm u l t i c e l l i nt h ec a s eo f s i n g l ec e l le n v i r o n m e n t ，s i m u l a t i o nr e s u l t e ss h o wt h a tt h ed i v e r s i t yg a i ni n c r e a s ew i t ht h e n u m b e rr a i s eo fa n t e n n a s ，s oa st oi m p r o v et h es i g n a l - t o - n o i s er a t i oo ft h er e c e i v e ds i g n a l s ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i i 页 r e d u c et h eb i te 1 1 r o rr a t i o c o n s i d e r i n gt h ec a s eo fc e l li n t e r f e r e n c e ，t h ep r o c e s so f g e n e r a t i o n a n di n s e r t i o no fm u l t i - c e l lp i l o t si sa n a l y z e d t h ef d m m u l t i p l e xo ft h em u l t i c e l lp i l o t si s r e a l i z e db yu s i n gc e l ls p e c i f i cm o v e m e n t s i m u l a t i o nr e s u l t e sd e m o n s t r a t et h a tt h em m s e c h a n n e le m u l a t i o ni sb e t t e rt h a nt h el sc h a n n e lc m u l a t i o n 。e i t h e ri ns i n g l ec e l le n v i r o n m e n t o rm u l t i c e l le n v i r o n m e n t b e s i d e s ，t h em s e p e r f o r m a n c eo fm u l t i c e l li sw o r s et h a ns i n g l e c e l l ，f o rt h er e a s o no ft h ei n t e r f e r e n c eo fm u l t i e e l le n v i r o n m e n t k e yw o r d sl t e ；m i m o o f d m ；c h a n n e le s t i m a t i o n ；p i l o t ；m u f t i c e l l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ，长期演进) 项目是3 g 的演进，它并非是人们普遍认为 的4 g 技术，而是3 g 与4 g 技术之间的一个过渡，是3 9 g 的一个全球标准，是近几 年来3 g p p 启动的最大的一个研发项目。l t e 是超3 g 研究的技术基础上研发出的“准 4 g 的技术【1 1 。它改进并增强了3 g 的空中接入技术，采用o f d m 和m i m o 作为其 无线网络演进的唯一标准【2 1 ，l t e 作为一个即将被广泛应用的通信标准，将对未来通 信市场产生深刻的影响。 1 1l t e 的技术背景及发展 1 1 1l t e 的技术背景 随着无线技术的竞争，新一代宽带无线技术已经逐渐形成了巨大的市场需求，3 g 移动通信技术成为当前无线通信技术的主流。 目前，业界公认的移动无线技术演进路径主要有三条：一是w c d m a 和t d s c d m a ，均从h s p a 演进至h s p a + ，进而到l t e t 二是c d m a 2 0 0 0 沿着e v d o r e v 0 r e v a r e v b ，最终到u m b ；三是8 0 2 1 6 m 的w i m a x 路线【3 训。基于w c d m a 、 t d s c d m a 、c d m a 2 0 0 0 以及新批准的w i m a x 四大3 g 标准，分别形成了l t e 、 u m b 、w i m a x 三条演进路径。当这三条演进路径清晰之后，全球的移动通信产业便 开始迈出从3 g 向4 g 演进的步伐【5 】。 1 1 2l t e 系统的主要性能指标 3 g p p 从“系统性能要求 、“网络的部署场景 、“网络架构、“业务支持能力 等方面对l t e 进行了详细的描述。l t e 具有如下技术指标睁7 】： 1 ) 显著增加峰值速率，如下行1 0 0 m b p s 、上行5 0 m b p s ；频谱利用率达到3 g p p 的 2 - 4 倍；下行采用4 x 4 天线配置的情况下，下行平均频谱效率可达到r 6h s d p a 的4 6 - - - 5 倍，下行边缘频谱效率可达到r 6h s d p a 的4 4 - - 4 8 倍： 2 ) 支持与现有的3 g p p 系统和非3 g p p 系统互操作； 3 ) 减少无线接入网络的延迟，用户面延迟( 单向) 小于5 m s ，控制平面从睡眠状态 到激活状态迁移时间小于5 0 m s ，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于 lo o m s 8 】： 4 ) 支持可变的带宽传输，支持1 2 5 m h z 一2 0 m h z 的可变带宽； 5 ) 增加小区边缘的数据速率； 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 6 ) 支持进一步增强的多播组播业务； 7 ) 降低建网成本和维护成本； 8 ) 支持从r 6u t r a 无线接口和构架的低成本演进： 9 ) 合理的系统和终端复杂性、成本以及功耗； 1 0 ) 支持增强的i m s ( i p 多媒体子系统) 和核心网； 1 1 ) 后向兼容性，但需要在性能或容量增强之间进行仔细的权衡； 1 2 ) 对各种类型的业务的有效支持，比如v o i p 等； 1 3 ) 优化低速下的系统性能，也应该支持高速移动； 1 4 ) 尽可能的支持对称和非对称频谱的使用。 与3 g 相比，l t e 更具有技术优势，具体体现在：高数据速率、分组传送、广域 覆盖、延迟降低和向下兼容。 1 1 3l t e 的发展现状 2 0 0 4 年底，w f l v i a x 技术迅猛崛起，为了能与w i m a x 技术相抗衡，3 g p p ( 3 r d g e n e r a t i o np a r t n o r s h i pp r o j e c t ，第3 代合作伙伴计划) 启动了u m t s 技术的长期演进 l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ，长期演进) 项目【9 1 。 s t u d yi t e m 完成 w o r ki t e m 开始 商用开始 w o r ki t e ms t a g e2 完成 w o r ki t e ms t a g e3 完成 图1 1l t e 项目的时间进度表 图1 1 描述了l t e 项目的时间进度表。2 0 0 4 年年底，l t e 研讨会正式开始可对 l t e 系统的需求研究；2 0 0 5 年4 月，r a n l 发起l t e 的正式技术讨论。由于w i m a x 技术在标准化进度上领先，l t e 的整个工作计划被压缩在两年之内完成。3 g p p 组织 在l t e 项目的工作基本可以分为两个阶段：2 0 0 5 年3 月到2 0 0 6 年6 月为s i ( s t u d y i t e m ) 阶段，完成可行性研究报告；2 0 0 6 年6 月到2 0 0 7 年6 月为w i ( w o r ki t e m ) 阶段，完成核心技术的规范工作。在2 0 0 7 年中期完成l t e 相关标准制定( 3 g p pr 7 ) 。 但由于s i 和w i 的工作量远远超过了预期，l t e 项目最终延迟一年半，在相关各方的 大力推动下，到2 0 0 8 年年底l t e 标准基本定稿【1 0 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 2 0 0 8 2 0 0 9 年，l t e 无论是技术发展，市场需求，还是运营商的积极性，均取得 了重要的进展【1 1 】。2 0 0 9 年，全球l t e 的产业化尚处于起步阶段。面对竞争与市场的 变化和挑战，3 g 的三大标准w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d 。s c d m a 发展速度迅速，几 乎全部投身于l t e 的开发与测试中。 l t e ( 长期演进) 标准可以实现超宽带速率和几乎即时响应超级多媒体应用的杰 出性能，可带给移动用户引人入胜的体验。对于运营商，l t e 则可大幅提高频谱灵活 性和系统容量，不论在发达国家还是新兴市场，都是用于提供高级应用的经济高效的 理想平台。 目前l t e 已经得到了拥有最多运营商的g s m 协会的支持，各主流运营商也纷纷 表态选择l t e 。从全球来看，4 g 商用网络已达1 9 个。全球已有5 6 个国家的1 4 0 家 运营商明确表示将部署l t e 网络，另有5 6 家运营商“实现承诺 部署或测试l t e 。 截至目前为止，共有7 5 个国家和地区的1 9 6 家电信企业正在部署，猜测是或评估 l t e 1 2 】；共有1 8 家电信运营商在全球1 2 个国家推出商用l t e 网络，到今年年底， 这一数字预计至少提高至7 3 家【1 3 1 4 1 。表1 1 显示了部分运营商计划的l t e 商用时间。 表1 1 部分运营商l t e 商用时间 商用时间或预计商用时间国家或地区运营商 2 0 0 9 年 美国 v e r i z o n 2 0 1 0 年中国中国移动 2 0 1 0 年阿拉伯联合酋长国 e t i s a l a t 2 0 1 0 年俄罗斯 v t m p l e c o m 2 0 1 0 年 日本n t td o c o m 0 2 0 1 0 年罗马尼亚v o d a f o n e 2 0 1 0 年意大利 t e l e c o mi t a l i a 2 0 0 7 年9 月，英国沃达丰宣布其l t e 计划：2 0 0 8 年2 月，沃达丰( v o d a f o n e ) 首席 执行官阿伦萨林( 加s a t i n ) 表示：“该英国集团将与中国移动和美国第二大移动运营 商v c r i z o nw i r e l e s s 携手推进l t e 技术。 2 0 0 7 年1 1 月，g s m 协会选择了l t e 标准， 并声称全球有超过7 0 0 家g s m 运营商会首选这一标准。2 0 0 7 年1 2 月，v e r i z o n c o m m u n i c a t i o n s 和沃达丰( v o d a f o n e ) 共同组建的美国第二大移动运营商v c r i z o n w i r e l e s s 宣布将采用l 1 7 e 构建4 g 技术平台【l 习；2 0 0 9 年2 月，v c r i z o nw i r e l e s s 已选定 爱立信( e r i c s s o n ) 和阿尔卡特朗讯( a l c a t e l 。l u c e n t ) 作为该公司在美国的初步l t e 网络部署项目的首要网络厂商。2 0 1 1 年美国a t & t 移动通信领域负责人拉尔夫德拉 维加( r a l p hd el av e g a ) 表示，l t e 和h s p a + 都是4 g 网络的标准，2 0 1 1 年年中a t & t 的l t e 将首次启动，同时也将成为下半年4 g 发展的一个重点【给1 7 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 2 0 0 9 年7 月，日本电信巨头n t t d o c o m o 公司总裁山田隆持表示d o c o m o 有望 成为全球第一家大规模采用l t e 标准的公司【l8 】；2 0 1 0 年1 2 月，n t td o c o m o 在东 京、名古屋和大阪三大主要城市推出其长期演进( l t e ) 服务，该服务允许用户将视频 和其他数据文件快速下载到手机上，其数据传输能力相当于当前速度的1 0 倍。这一 举动无疑将加快高速手机服务的推出速度。 在全球移动运营商的普遍支持下，l t e 展现了美好的未来。来自市场研究公司 j u n i p e rr e s e a r c h 的研究报告称，2 0 1 2 年全球l t e 服务用户将达到2 4 0 0 万，l t e 将成 为移动宽带技术中长期的继任者【1 9 】。图1 2 表示了l t e 与w i m a x 的发展对比。表 1 2 表示了l t e 与w i m a x 的主要性能对比。 表1 2l t e 、w i m a x 的主要性能对比 技术指标l t ew l m a x 下行1 0 0 m b p s 传输速率 7 5 m b p s 上行5 0 m b p s 带宽支持 1 2 5 m h z - 2 0 m h z l5 m h z 之0 m h z 最高移动速率 3 5 0 k m h 1 2 0 k m h 费用网络建设成本高网络建设成本低 鞋w i m a x l ) 营要 2 1 6 e - i o 算t a s kg r o u p 坛成立 正式成立。 ff n o k i a 北电、华8 0 2 1 6 重新加为、中兴d 设备 入等电信设8 0 2 1 6 开始认 w i ) 4 a x 备商加入d 标准 近 论坛 论坛 冻结t 2 0 0 3 i l z ： 2 0 0 4 年 li 警警愚宝黼- t q g 突破l o o 万i o o o 等 慢- = - - - - - - - - - - - - 4 ) 蕺：；- 跚错酒 3 ( 3 p p 正式启动l t e 标准工作应对 w i ) , i a x 挑战 l i e 宣布 其l t e 计划 图1 2l t e 与w i m a x 的发展对比 1 2 信道估计技术的国内外研究现状 由于无线通信的不可靠性主要是由无线衰落信道的时变性和多径传播引起的，因 此，如何有效地对抗无线信道的这些传输缺陷是实现未来高速无线通信的关键2 们。为 了获得高精度和低复杂度的实用信道估计方法，国内外开展了大量的研究，提出了大 骱毗资 牺却 一一一一一 鞯嘴 将次m ： 。 点揣糌妒谧溢 家宣； ，f淑靴铲擞 杰窿谚劬 一叫僦上 r 盛豁一 。嚣一 7，汀晰气叫：l 2 a 突乙tp娑咆 年 6 严擎 刚0 堇霎 翻 个 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 量信道估计方法。 已提出的方法大体上可以分为两类【2 1 1 ，第一类是基于导频信号的信道估计，第二 类是盲信道估计方法和半盲信道估计方法。盲估计不需要训练序列，但需要利用数据 传输的统计信息，相比基于导频的信道估计算法虽然节省了带宽，但算法运算量太大， 灵活性很差，在实际系统中应用受限。 针对m i m o o f d m 系统的信道估计问题，文献 2 2 】在频域中研究了基于梳状导频 的m i m o o f d m 系统信道估计算法，并给出了最优导频序列。文献 2 3 1 提出了基于 部分信道信息的参数化信道估计算法，进一步提高了信道的估计精度。 文献 2 4 r p ，c h a n g h os u b 等人介绍了基于m i m o - o f d m 系统的多小区环境下的 最大似然( m l ) 信道估计方法。为了减小i c i ，多小区最大似然估计( m c m l e ) 方 法估计了中心基站和干扰基站的信道。在小区边缘，m c m l e 的均方误差( m s e ) 要 小于传统的单小区最大似然估计( s c m l e ) 的均方误差，当移动台靠近基站时，s c m l e 的性能要优于m c m l e 。 文献 2 5 1 ，j r i n n e 和m r e n f o r s 提出导频分段插入然后在进行线性内插的信道 估计方法，但基于插值的方法容易陷入地板效应；文献 2 6 】表明，最d - - 乘( l s ) 估 计计算量小，实现简单，但是估计性能在很多情况下不是很理想；文献1 2 7 中，o e d f o r s 等利用奇异值分解推导了一种低复杂度的线性最小均方误差( l m m s e ) 估计，但是 该算法需要已知信道的统计特性：文献 2 8 】中，l d e n e i r e 等人提出一种低复杂度的最 大似然( m l ) 信道估计算法，该信道估计算法不需要已知信道的频率相关特性，但 是该算法需要已知信道最大时延扩展和信噪比，且对有效信道长度具有敏感性。 文献【2 9 】考虑的是存在邻小区干扰的上行链路。文中提出一种可以使干扰能量均 匀分布在所有信道延时采样点上的导频设计方案，并根据该导频的性质，提出了一种 改进的频域最小二乘信道估计算法，使得该算法在拥有较低复杂度的同时抑制了小区 间的干扰。 1 3 论文研究方法和结构安排 针对l t e 标准，拟采用文献研究方法和定性分析方法相结合。首先对已有文献 进行全面、正确的学习了解，给出m i m o o f d m 系统模型，然后进行导频设计和信 道估计算法的深入研究，并通过软件仿真进行算法验证，最终实现l t e 基于2 维导频 的多小区m i m o o f d m 系统的性能提升。 本文首先简要地介绍了l t e 系统及信道估计的国内外研究现状，在此基础上对 m i m o o f d m 系统的信道估计进行研究；然后重点介绍了l t e 下行信道估计算法及 其流程，并通过仿真分析，给出了多小区下系统性能的结果。 本论文内容安排如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第一章：绪论 本章首先介绍了l t e 技术背景以及信道估计研究发展现状，接着对论文研究 的主要内容进行了说明，最后介绍了论文的组织架构。 第二章：m i m o o f d m 系统信道估计研究 本章首先介绍了m i m o o f d m 的系统模型，并对无线信道模型进行了简单 介绍，然后在m i m o o f d m 信道估计概述的基础上，对l s 算法、m m s e 算法和 l m m s e 算法进行了深入研究，并对算法进行了仿真。 第三章：l t e 系统下行信道模型 介绍了l t e 系统下行信道的几个主要模型，如加扰模型、调制模型、层映射 模型和预编码模型等，为后续实现提供了理论基础与仿真框架。 第四章：l t e 系统的导频设计 本章首先介绍了l t e 帧结构，然后介绍了导频正交性设计原则，最后介绍了 l t e 导频图案的选取与内插算法，并对内插算法进行了仿真分析。 第五章：l t e 系统下行信道估计 本章对l t e 系统下行信道估计进行仿真分析，主要分析了单小区和多小区下 的系统性能，并分别对单小区和多小区情况做了仿真分析。结果表明单小区时其 m s e 性能要优于多小区的情况。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章m i m o o f d m 系统中的信道估计 2 1 引言 正交频分复用( o f d m ) 具备频率利用率高、抗干扰能力强和带宽扩展性好等一系 列特点，已经在实际系统中正得到广泛关注和应用【划；多输入多输出( m i m o ) 技术能 够在不增加带宽和发射功率的情况下成倍的提高通信系统的信道容量和频谱利用率。 o f d m 技术和m i m o 技术的结合，可以共同发挥两项技术的优势，弥补彼此的不足， 将其联合技术优势运用到移动通信领域中，成为移动通信中的关键技术。 o f d m 系统信道估计的实现准则一般可以分为：最小平方准则( l s ) ，最小均方误 差准贝j j ( m m s e ) ，线性最小均方误差准, 贝t ( l m m s e ) 等。根据利用的信道估计资源不同， 信道估计又可以分为下面三大类【3 l 】： 1 ) 导频辅助( p i l o ts y m b o la s s i s t e dm o d u l a t i o n ，p s a m ) 信道估计 2 ) 基于判决( d e c i s i o nd i r e c t ) 反馈的信道估计 3 ) 盲或半盲信道估计 目前，在实际应用中使用比较多是的导频辅助的信道估计，即基于导频的信道估 计。先利用某种准则，在导频所处时间或频率位置估计出该位置的信道响应，然后再 通过某种一维或二维的内插方法获得数据位置上的信道响应，即可得出发送数据，本 文中选取第一类信道估计。 在m i m o o f d m 系统中，接收端的相干检测和空时译码都建立在信道状态信息 ( c s i ) 已知的条件下，但是，在实际中c s i 通常都是未知的，都要从接收信号中估计 得到，因此准确的信道估计是保证m l m o o f d m 系统传输质量，发挥其优越性的关 键所在【3 2 1 。m i m o o f d m 系统中各接收天线上收到的信号是多个发射天线信号经过 多径衰落后与加性噪声的线性叠加，如果仍采用o f d m 系统的信道估计方法来做进 行信道估计，则对于某个特定的发射接收天线对来说，来自其他发射天线的有用信号 则会变成干扰信号，从而导致系统的估计性能严重下降，因此m i m o o f d m 系统中 的信道估计变得更加困难。本章的重点是研究如何从m i m o o f d m 系统中提取c s i ， 即如何进行信道估计。并且在m i m o o f d m 信道估计概述的基础上，对l s 算法、 m m s e 算法和l m m s e 算法进行了深入研究，并对算法进行了仿真。 基于导频的m i m o o f d m 信道估计的基本过程是：首先在发送端适当位置插入 已知导频信号，带有导频信号的信息由天线发送出去，然后接收端接收到信息，利用 导频位置处接收到的信号值和已知的导频序列恢复出导频位置的信道响应，最后利用 内插算法获得所有子载波的信道响应信息。这里分为以下三个步骤【3 3 】： 1 ) 发送端导频图案的设计。包括导频图案的选择，时域和频域导频间隔的确定： 2 ) 导频位置处的信道响应的估计； 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 3 1 通过导频位置估计的信道响应信息恢复出所有子载波的信道响应信息。 本章将对第二点进行详细的讨论。对于第一点和第三点第三章将做详细介绍。 m i m o o f d m 系统中基于导频的信道估计主要考虑一下两个问题： 1 1 导频信号的正交性；m i m o o f d m 系统的接收信号是各个发射天线发送信号 的衰落之和与加性噪声的线性叠加。对于某一个特定的发射接收天线对，来 自于其他天线的信号被视为干扰，因此导频信号必须满足正交性来消除天线 间的干扰。 2 ) 信道估计算法的复杂度越高，运算量会越大，因此需要找到一种满足性能要 求但复杂度低的信道估计算法来对信道进行估计。 本章会对第二个问题做详细讨论，对于第一个问题将在第四章做介绍。 2 2m i m o o f d m 系统模型 图2 1 和图2 2 分别为我们所考虑的m i m o o f d m 系统的发送端模型和接收端模 型。系统中有m 个发送天线和，个接收天线，具体过程按照l t et s 3 6 2 1 1 协议j 进行。 信源输出的比特首先经过加扰处理，然后对加扰后的比特进行调制，产生复值调 制符号；将复值调制符号进行层映射，映射到一个或多个传输层，然后将每层上的复 值调制符号进行预编码处理、插入导频与数据、i d f t 变换和加入循环前缀( c p ) 后经 过各个发射天线辐射到无线信道中。接收端进行与发送端相反的信号处理过程。 图2 1m i m o o f d m 系统的发送端模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 3 无线信道模型 图2 2m i m o o f d m 系统的接收端模型 移动信道是一种时变信道。无线电波在自由空间中传播表现出以下几种主要的传 播方式：直射、反射、绕射和散射以及它们的合成。因此电波经过不同的路径到达接 收机的信号遭到衰减损耗，这些损耗一般归为两类： 1 ) 大尺度衰落： 大尺度衰落又称慢衰落，是由于发射机与接收机之间的距离和两者之间的障碍物 引起的平均信号能量减少，包括路径损耗和阴影衰落，其中路径损耗是由发射功率的 幅度扩散及信道的传播特性造成的【3 5 1 。阴影衰落是由发射机与接收机之间的固定障碍 物的阴影造成的。 2 ) 小尺度衰落： 小尺度衰落又称快衰落，是由于发射机与接收机之间空间位置的微小变化引起的。 由于多径产生时间扩散，运动产生多普勒效应，因此，小尺度衰落是由多径传播和多 普勒频移共同作用的结果，包括由多径效应引起的衰落和信道时变性引起的衰落，具 有信号的多径时延扩展特性和信道的时变特性【3 5 1 。其特点是时快变，在很短的时间内， 信号衰减的很快，最大可以衰减6 0 7 0 的d b 3 6 1 。常用瑞利分布和莱斯分布来表征其 幅度的变化。 多径效应 移动无线信道的主要特征是多径传播。多径传播是由于无线传播环境的影响，在 电波的传播路径上产生了反射、绕射和散射，这样当电波传输到移动台时，信号就不 是单一路径来的，而是许多路径来的多个信号的叠加。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 多普勒效应 多普勒频移与接收端相对发射端的相对运动速率、相对运动方向同无线电波的入 射方向之间的夹角有关。如果接收端朝向入射波方向运动，则接收信号的频率会上升， 多普勒频移为正；反之，接收信号的频率会下降，多普勒频移为负。 表2 - 1小尺度衰落类型 多径时延扩展多普勒频移扩展 平坦衰落信道 频率选择性衰落信道 快衰落信道 慢衰落信道 b s b cb s b o 时延扩展 码元间隔相干时间 码元间隔 根据不同的产生原因，可将小尺度衰落产生的信道分为如表2 1 所示的不同类型。 移动通信系统一般都是针对特定的多径传播环境进行设计的，因此多径传播模型 是无线信道模型最重要的部分，是信道估计的主要研究对象。 设传输信号表示为： x o ) = r e p ( f ) e x p ( j 2 矾f ) ) ( 2 一1 ) 式中 z 一载频。 当信号x o ) 经过无线信道时，会受到多径信道的影响而产生多径效应。经过简单 推导可以得到接收信号的包络为： y o ) = r e r ( t ) e x p ( j 2 p f d ) 式中 ，( f ) 一接收信号的复数形式； ( 2 - 2 ) ，( f ) = qe x p ( - j 2 p f c r , ) s ( t - r , ) ( 2 - 3 ) ， 式中 f i 一时延。 当考虑移动台移动时，由于移动台周围具有散射体，则多径的各个路径长度将发 生变化，产生多普勒效应，则 厂( f ) = 口fe x p - j ( 2 p f c r , - 2 p f d c o s o t o f f ) ( 2 4 ) j 式中 厶一最大多普勒频移。 因此，等效的冲击响应模型为： h ( t ，f ) = 口，e x p - f i p , ( t ) 罗( r 一1 t ) ( 2 5 ) ， 式中仍o ) = 2 e ，：_ 一2 p f d c o s o , 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 由式( 2 5 ) 可知，信道冲激响应的幅度是随机的，而相位变化只与各径的延时有关。 2 3 1 瑞利衰落模型 瑞利衰落信道( r a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l ) 是一种无线电信号传播环境的统计模型。 这种模型假设信号通过无线信道后信号幅度是随机的，其包络服从瑞利分布。瑞利衰 落能有效描述存在能够大量散射无线电信号的障碍物的无线传播环境3 7 1 。根据中心极 限定理，如果这一散射信道中不存在直射信号( l o s ) ，则这一过程的均值为0 ，且相 位服从o 到2 p 的均匀分布。即信道响应的能量或包络服从瑞利分布，其概率密度函 数为： i o ，( ， 0 ) 以卜1 孝e x p ( 寺 胁。) q 。6 式中仃一包络检波之前所接收到的电压信号的均方根值；r 一衰落信号包络； 仃2 一接收信号包络的时间品均功率值。 2 3 2 莱斯衰落模型 当接收信号中除了包含经反射、折射、散射来的信号外，还有从发射机直接到达 接收机的视距信号，那么总信号的强度服从分布莱斯分布，称为莱斯衰落。因此莱斯 衰落信道模型经常用于仿真一个视距信号和多个非视距信号共同作用的衰落信道模 型。莱斯分布的概率密度函数为： f o ，( ， 0 ) 以净净p ( 一掣卜( 痧划 q 。7 式中，一衰落信号包络；口一视距信号幅度峰值； 厶( ) 一零阶第一类修正贝塞尔函数。 对于贝塞尔函数，我们可以用参数k = a 2 2 0 2 定义视距信号的功率与其他非视距 路径下幅度分量总和之比。因此，参数足也称为莱斯因子。当足趋于0 时，莱斯分布 就可以变为瑞利分布。 2 4o f d m 系统导频图案 导频信号就是常说的参考信号( r s ) ，是由发射端提供给接收端用于信道估计或信道 探测的一种已知信号。在导频插入时，我们要考虑两个问题。一方面，怎样保证基于 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 导频的信道估计的精确性；另一方面，如何确定插入导频的式样和数目，以保证尽可 能的降低导频符号开销同时，提高信道估计的精确性。因此导频的选取决定着估计的 方法和性能。通过设置导频信号，可以把m i m o o f d m 信道估计转换成多个独立的 s i s o o f d m 信道估计问题。 对于o f d m 系统，导频图案设计中导频信号间隔的选取尤为重要。若导频信号间 隔太小，会影响到系统的数据传送的效率；若导频信号间隔太大，会跟踪不上信道的 时频变化。因此导频间隔在满足一定的估计精度的条件下，要尽量大，在实际应用中 要做到数据率和信道估计性能的折衷。决定导频选取最重要的两个参数是：最大多普 勒频移( 决定最小相关时间) 和最大多径时延( 决定最小相关带宽) 。设计时，导频间隔必 须满足奈奎斯特抽样定理： f 丘f 1 2f m 1 ( 2 丘) 1 f 一， 1 2 j 1 ， ( i