（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统盲信道估计技术研究.pdf

摘要 m i m o 技术能够充分利用无线信道中的多径效应，在不增加系统带宽的情况 下大幅度提高系统容量；o f d m 技术对频率选择性衰落信道有很强的鲁棒性。因 此，将m i m o 与o f d m 技术相结合来提高系统的容量和性能，成为一项极具挑战 性的研究。m i m o o f d m 技术将o f d m 与空时编码技术有机的结合在一起，能够 大幅度地提高无线通信系统的信道容量和传输速率，并能有效的抵抗多径衰落、 抑制干扰和噪声，从而引起了通信界的广泛关注。 本文阐述了m i m o o f d m 系统的基本原理，指出信道估计是决定系统性能的 关键因素之一。围绕系统的盲信道估计这一关键技术，简要介绍了两种盲信道估 计算法，即：利用线性预编码的盲信道估计和基于二阶统计特性的盲信道估计算 法。最后重点研究了基于子空间的盲信道估计算法及其改进算法，该改进算法对 信道真实阶数不敏感因而能快速收敛，当存在v c 时，该方法可适用于c p 不足和 没有c p 的m i m o 0 f d m 系统，从而潜在地增加了信道利用率，并且该方法同样适 用于发送天线数目大于接收天线数目的m i m o o f d m 系统，作者通过m a t l a b 仿真 验证了该算法的可行性和有效性。 关键词：多输入多输出正交频分复用盲信道估计子空间方法 a b s t r a c t u t i l i z i n gt h es p a c i a id i v e r s i t yo b t a i n e d 磅s p a t i a l l ys e p a r a t e da n t e n n a si nad e n s e m u l t i p a t hs c a t t e r i n ge n v i r o n m e n t , m u l t i p i e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u tc o m m u n i c a t i o nc a n i n c r e a s es i g n i f i c a n t l yt h ec h a n n e lc a p a c i t yw i t h o u tt h eb a n d w i d t hi n c r e a s i n g o f d m i sr o b u s ta g a i n s tt h ef r e q u e n c y - s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l s t h u s ，i ti sac h a l l e n g et o r e s e a r c ho nm i m o - o f d m s y s t e m st oa c h i e v eh i g hd a t ar a t ea n dh i g hc h a n n e lc a p a c i t y a n d r e c e n t l y , i n c r e a s i n gi n t e r e s th a sc o n c e n t r a t eo nm m o * o f d ms y s t e m sf o ri tc a n p r o v i d eh i 醵d a t ar a t e sa n dh j 鼬c h a n n e lc a p a c i t yo v e rb r o a d b a n dw i r e l e s sc h a n n e l s ，i t c a nc o m b a tt h em u l t i p a t hf a d i n g ，a n di tc a na l s or e s t r a i nt h ei n t e r f e r e n c ea n dt h e n o i s e i nt h i sp a p e r , w ed i s c u s st h ep r i n c i p l eo f m i m o o f d ms y s t e m s ，p o i n to u tt h a tt h e c h a n n e le s t i m a t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n td e m e n t sf o rt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e m s t w ob l i n dc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d sw h i c ha r eb l i n dc h a n n e le s t i m a t i o nf o r m i m o - o f d ms y s t e m sv i an o n r e d u n d a n tl i n e a r p r e c e d i n g a n db l i n dc h a n n e l e s t i m a t i o na l g o r i t h mb a s e do ns e c o n d o r d e r - s t a t i s t i c sh a v eb e e ni n t r o d u c e di nc h a p t e r 3 f u r t h e r m o r e ，as u b s p a c e b a s e db l i n dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h ma n di t si m p r o v e d a l g o r i t h mh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h ei m p r o v e da l g o r i t h mo b t a i n sa c c u r a t ec h a n n e l e s t i m a t i o na n df a s tc o n v e r g e n c e 巅融i n s e n s i t i v i t y | oo v e r e s t i m a t e so ft h et r u ec h a r m e l o r d e r i f v i m t a lc a r r i e r s ( v c s ) a r ea v a i l a b l e ，t h ep r o p o s e dm e t h o dc a nw o r kw i t hn oo r i n s u f f i c i e n tc y c l i cp r e f i x ( c p ) ，t h e r e b yp o t e n t i a l l yi n c r e a s i n gc h a n n e lu t i l i z a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h ep r o p o s e dm e t h o dc a na l s ow o r kw i t hm i m o o f d ms y s t e m sw h i c h h a v em o r et r a n s m i ta n t e n n a st h a nr e c e i v ea n t e n n a s s i m u t a t i o nr e s u l t si l l u s t r a t et h e f e a s i b i l i t ya n dt h ea v a i l a b i l i t yo f t h i sa l g o r i t h m k e y w o r d s ：m i m o o f d mb l i n dc h a n n e le s t i m a t i o n s u b s p a e em e t h o d 独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：量瓷日期：硷监：圣：l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即；研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名 i 鹫 苎匝窆 f 纽挫 日期：塑璺至 且觌：印。罟? 。| 第章缝论 第一章绪论 本章主要介绍移动通信的发展历程，国内外研究现状，及未来发展趋势。并 绘篷本文主要鹣磺究 壬务及意义，以及主要静工作和内察安 霉。 1 1 历史与现状 近年来，移动通信以其可移动性、灵活性、维护方便、易于扩展和良好的性 价比，取得了暇大的发展，而且，髓着i n t e m e t 业务、实时业务和多媒体威用的高 速增长，久 】瓣潮络翡荣宽、q o s 霹扩最佳等提出了雯薅戆要求珏】。辑以蠢必要了 解一下移动逶僚魏发展历史，戳及潮肉夕 的磅究现状弱来来豹发展趋势。 1 1 1 移动通信的发展历史 在2 0 世纪，无线电台在第二次擞界大战中的广泛威用使移动通信迈出了第一 步。到7 0 年代，美国炙零实验室警先提出蜂窝静援念，瓣决了频率复矮豹润题。 舞8 0 年代，丈矮摸集成电路技术殷谤算祝技术戆发鼹突飞猛逶，长赣难黻瓣决懿 移动通信终端小越化的问题得到初步的解决，这给移动通信的发展打下了基础。 于是，美国为了满足用户增长的需求，提出了基于小医制的第一个蜂窝移动通信 系统触时s 系统。这也是世界上第一个具有现代意义的，可能商用的，能够 满是随时随域邋镑豹丈套量移动遇信系统。它主要建嶷在频率复用基础土，较好 蟪瓣凌了频谱瓷滚受隈静闻蘧，弗绷有更大静窑羹移燮好懿语音震羹。这豢移动 通信发展史上舆有里程碑的意义。a m p s 系统在j b 美获得的巨大成功，有力地刺 激了全世界蜂黼移动通信的研究与发展。随后，欧洲备国和日本都开发了自己的 蜂窝移动通信网络。具有代表性的肖欧辛| 稍的t a c s ，北欧的n m t 和日本的n t t 系统等。这些系统采瑗的都是基予频分多址( f d m a ) 的援拟裁式，统称为第代模 羧移魂逶信系统。 第一代模拟通信系统主要建救在频分多址接入秘蜂窝频率复用的穗论基础 上，在商业上取得了巨大的成功。但是，随着技术的不断发展和长时间的实际应 用，许多问题遴渐暴露出来。例如所支持的业务单一，频谱利用率太低，保密性 差等。特别是农欧洲，一个国家露一个国家自己的标溅期体制，无法解决跨国家 懿漫游溺题，壤缀移动逶薅系统经建l o 余年魏发矮瑟，终予在麓整纪粥华我镑 逐步被更先遴的数字蜂窝移动通僚系统即第二代( 2 g ) 移动通信系统所代替。 推动第二代移动通信系统发展的主要动力在欧洲。因为欧洲国家比较小，要 实现标准和制式的统一才可能解决跨国家漫游的问题，所以从2 0 世纪8 0 年代起 就有人开始研究数字蜂窝移动通傣系统。第二代移动邋信系统是随着超大规模集 2 m i m o o f d m 系统盲信道估计技术研究 成电路和计算机技术的飞速发展，以及语音数字处理技术的日益成熟而发展起来 的。在2 0 世纪8 0 年代，欧洲各国提出来多种方案，并于8 0 年代中后期进行了这 些方案的现场实验比较，最后集中为时分多址( t d m a ) 的数字移动通信系统，即 g s m 系统，g s m 系统以其先进的技术和优越的性能在世界上得到广泛应用。 与欧洲比较，美国在第二代数字蜂窝移动系统方面的起步要迟一些。1 9 8 8 年， 美国制定了基于t d m a 技术的i s 5 4 i s 1 3 6 标准，i s 1 3 6 是一种模拟、数字双模 标准，可以兼容a m p s 。值得一提的是美国高通公司在2 0 世纪9 0 年代初提出了 c d m a 技术，并在1 9 9 3 年由电信工业协会( t i a ) 完成，标准化成为i s 9 5 标准。这 也是第三代( 3 g ) 移动通信系统标准中c d m a 2 0 0 0 技术的雏形1 2 1 。 随着计算机的大量应用和网络技术的不断进步，数据传输业务在现代通信业 务中的比例逐年上升。移动电话的便利使人们对无线数据传输产生自然而然的期 盼，以至于人们早已勾画出个人通信( p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n ) 的美好前景。作为一 个近期目标，第三代移动通信( 3 g ) 及其所提供的多媒体业务即将走入人们的生活。 国际电联( i t u ) 对第三代移动通信系统的总体要求都体现在i m t - 2 0 0 0 上，概括 地讲，有以下特点： ( 1 ) 占用更高的频段( 2 g h z ) 和更大的带宽( 5 m h z ) ： ( 2 ) 支持更高速率的多媒体业务：话音、数据传输、无线互联网接入、运动图 像传输等； ( 3 ) 支持更高速率的数据传输；室内2 m b p s 、室外步行3 8 4 k b p s 、室外高速移 动1 4 4 k b p s ： ( 4 ) 与第二代移动通信网兼容； ( 5 ) 具有更高的频谱利用率及更高的系统容量。 毋庸置疑，无线传输技术( r t t ) 是第三代移动通信系统中最重要的组成部分， 也是世界各国、各地区为形成未来通信体制而展开争论的焦点。无线传输技术主 要包括多址技术、调制技术、信道编码及交织、双工技术、物理信道结构与复用、 帧结构、无线资源分配与链路控制、r f 信道参数设置等等。根据i r i u 的一般要求 和目标，世界各国、各地区组织对第三代移动通信系统无线传输技术进行了广泛 而持久的研究，并提出了多种技术方案，逐步形成了被国际社会认可的三个主要 标准：w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。 移动通信无线传输系统的特殊性，使得实现宽带多媒体通信要比固定网难得 多。尽管如此，人们对移动通信仍寄予厚望。人们总希望现有固定网能支持多媒 体业务，甚至那些只存在于想象中的通信业务在未来的移动通信中都能予以实现。 所以人们认为，最高速率只有2 m b p s 的第三代移动通信系统称不上真正的宽带多 媒体通信，于是，在提出3 g 技术方案的同时，便有人提出超3 g ( i l p 后3 6 ) 的无线 传输技术研究，甚至纷纷提出4 g 、5 g 的概念。 第一章绪论 第四代移动通信系统( 4 g ) 在业务上、功能上、频带上都将不同于第三代系统， 它可称为宽带接入( b r o a d b 锄da c c e s s ) 和分布网络，具有非对称的超过2 m b p s 的数 据传输能力，其主要的指标有： ( 1 ) 为用户终端提供高达几十到上百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； ( 2 ) 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； ( 3 ) 开发新频段并大幅度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。 1 1 2 国内外研究现状及未来发展趋势 要达至04 g 的上述要求，必须开发与之配套的一系列新技术，其中包括最为关 键的高速无线传输技术。而新一代移动通信系统给无线传输技术提出的主要难题 是： ( 1 ) 如何大幅度地提高频谱效率； ( 2 ) 如何实现高达几十到几百m b p s 的峰值无线数据传输。 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 g ，o f d m ) 和多输入多 输出( m u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 的结合能够大幅度地提高无线通信 系统的信道容量和传输速率，并能有效地抵抗多径衰落、抑制干扰和噪声，而这 些不需要额外的功率和带宽，从而引起了通信界的广泛关注。使之成为实现无线 信道高速数据传输最具希望的解决方案之一，具有非常广阔的研究和发展前景。 正交频分复用( o f d m ) 【3 】- 【8 】技术是一种高效的多载波调制技术，它能有效地对 抗多径衰落，使受干扰的信号能够可靠地接收。它在频域把信道分成若干正交子 信道，将高速数据流分割为很多个低速子数据流，调制到每个子载波上并行传输。 o f d m 中各载波相互正交，正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这 样减少了各载波之间的相互干扰( i c i ) ，并且各载波可以相互重叠，每个子载波的 峰值都对应其它子载波的零值，因此也就提高了频谱利用率。同时，由于在每个 子信道上信号带宽小于信道带宽，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，从而大大减少了符号间干扰( i s i ) 。因此，o f d m 通 过将频率选择性衰落信道转换成相对平坦的子信道，减小了多径衰落的影响。此 外，通过在o f d m 中添加循环前缀( c p ) 进一步增强其抗多径衰落的能力，而且由 于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易， 0 f d m 明显地降低了宽带无线系统的复杂性。o f d m 技术以其抗多径能力强，频 m i m o o f d m 系统盲信道估计技术研究 谱利用率高等优点在实际中得到了广泛的应用，如：h d s l ，a d s l ，d a b 和d v b ， 无线局域网i e e e 8 0 2 1 l a 和h i p e r l a n 2 ，以及无线城域网i e e e 8 0 2 1 6 等等。 m i m o 叫- 【9 】技术利用多发送天线和多接收天线来抑制信道衰落，在不增加带宽 和发送功率的情况下，可以有效地提高信道容量，提高频谱利用率。同时可以利 用m i m o 技术的空间复用增益和空间分集增益提高信道的可靠性，降低误码率。 进一步将其与信道编码技术相结合，可以大大提高通信系统的性能。空时编码技 术正是在此基础上发展起来的一种新的编码和信号处理技术，它将信道编码技术 与阵列处理技术相结合，大幅度地提高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。 但是，现有的空时编码理论大都基于平坦衰落信道，但实际大多数无线通信 环境都属于快衰落情况( 信道非平坦) ，此时系统的性能会急剧下降，这就使得空时 码在未来宽带移动通信中的应用受到极大的限制。自从1 9 9 6 年首次提出将0 f d m 与空时编码相结合( 称为m i m o o f d m ) 以来，m i m o o f d m 技术很快引起了通信 界的广泛关注。由于合并了o f d m 技术，频率选择性衰落信道转化为若干并行平 坦衰落子信道，这样的系统具有空时编码带来的分集增益和编码增益，同时兼得 o f d m 接收机均衡器结构简单的优点。从而在未来的宽带无线接入领域中采用 m i m o o f d m 技术成为了一种发展的必然和技术的关键。 未来的无线宽带网络为了实现更高的传输速率，并取得更可靠的性能，全面 采用了下一代移动通信系统的关键技术。m i m o 和o f d m 技术在各自的领域都发 挥了巨大的作用，将二者相结合并应用到下一代无线宽带网中，是目前无线通信 系统的一个研究热点，这势必将使无线宽带网向着更高速率、更大容量和更好性 能的方向发展，在人们的日常生活中起到越来越重要的作用。 1 2 课题研究的主要任务及意义 m i m o o f d m 技术作为第四代移动通信系统( 4 g ) 的关键技术之一，正是本课 题的研究主题。 m i m o o f d m 技术将空间分集、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，并能有效地抵抗衰落、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。 有关o f d m 系统中的信道估计通常可以分为基于训练序列的方法、基于导频 第一章绪论 符号的方法和盲估计方法三类，但因为m 1 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，若采用上述算法 估计信道，对于某个特定的发射接收天线对，来自于其它天线的信号即为干扰， 信号噪声功率比常常在0 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 系统中的信道估计是一个充满挑战且极具意义的研究 领域。本文将针对m i m o o f d m 系统中的信道估计问题进行研究。 m i m o o f d m 系统中的信道估计包括：基于导频的信道估计算法1 1 2 】。【1 4 】；基于 训练序列的信道估计算法【1 5 】【1 6 l ；盲信道估计算法【1 7 j 【3 9 】。其中，基于导频的信道估 计算法包括：基于梳状导频的信道估计和基于块状导频的信道估计；基于训练序 列的信道估计算法包括：基于训练序列的m m s e 估计和基于训练序列的l s 估计； 盲信道估计算法包括：基于高阶统计量算法和基于二阶统计量算法。 由于基于导频训练的估计浪费了部分有用的带宽，而且需要发射机与接收机 的有效协作才能很好地工作，因此近年来出现了大量的盲信道估计技术，它不使 用训练序列，从而提高了带宽效率，并使发射机和接收机协同性的要求降低，在 提高通信系统的容量和可靠性方面有很大的潜力l l o j 。目前在m i m o o f d m 领域， 盲信道估计的研究尽管不像导频辅助训练估计那么成熟，但方法很多。比如：文 献1 2 2 1 。【2 5 i 利用线性预编码对m i m o o f d m 系统进行盲信道估计；文献 2 6 1 通过使用 虚载波来进行盲信道估计，提高了信道利用率并降低计算复杂度；文献 2 7 1 - 3 1 1 利用 二阶统计特性，最大似然方法对多信道进行盲估计；文献【3 2 1 - 【鲫】利用子空间方法 来对信道盲估计；另外还有不少研究将盲估计与m i m 0 o f d m 系统的一些其它技 术结合起来，比如将盲信道估计与空时分组码( s t b c ) 相结合；将盲信道估计与信 号检测结合，进行联合迭代等。本文主要研究基于子空间的盲信道估计技术。 1 3 本文的主要工作及内容安排 本文围绕m i m o o f d m 系统中的盲信道估计技术展开分析研究，研究过程 中，采取了理论分析和计算机仿真相结合的手段，在理论和实践方面验证研究的 正确性和可行性，主要进行了以下三个方面工作： ( 1 ) 研究了m i m o o f d m 系统的原理及其结合的优点，指出信道估计是决定 系统性能的关键因素之一。 ( 2 ) 分析了m i m o o f d m 系统的三种信道估计技术，研究了各自的原理及优 缺点，指出盲信道估计在提高信道容量和系统可靠性方面的巨大潜力。 ( 3 ) 深入分析了m i m o o f d m 盲信道估计技术在国内外的最新研究成果，并 针对2 发3 收的m i m o o f d m 系统，重点研究了基于子空间的盲信道估计技术， 并用m a t l a b 进行性能仿真，验证了该方法的有效性和可行性。 6 m i m o - o f d m 系统盲信道估计技术研究 论文共分为五章，结构安排如下； 第二章以m i m o o f d m 技术为核心，阐述了o f d m 和m i m o 的基本原理， 讨论了m i m o o f d m 的系统结构，指出信道估计是决定系统性能的关键因素之一。 第三章对m 1 m o o f d m 系统的信道估计算法进行简单的介绍，阐述了三种信 道估计方法的基本原理，指出盲信道估计相对其它两种方法的优势所在。即盲信 道估计不像基于训练序列估计方法那样需要发送训练序列，故提高了带宽利用率。 并简单介绍了两种盲信道估计方法，利用线性预编码的方法和基于二阶统计特性 的方法。 第四章重点讨论了基于子空间的盲信道估计技术，由于常用的基于子空间算 法的前提是发送天线数目不大于接收天线数目，故作者研究了一种改进的基于子 空间的盲信道估计技术，该方法可以用于有c p 和没有c p 两种情况，并且对信道 阶数过估计不敏感，因而能快速收敛，另外，该方法也可用于发送天线数目大于 接收天线数目的m i m o o f d m 系统，文中通过计算机仿真验证了该方法的可行性 和有效性。 第五章总结全文内容，提出了本课题有待于进一步深入研究的问题，并展望 该领域的研究发展趋势。 第二章m i m o o f d m 系统的基本原理 7 第二章m i m o o f d m 系统的基本原理 随着无线通信技术的飞速发展，人们对无线局域网的性能和数据速率的要求 也越来越高。理论上说，作为高速无线局域网核心的o f d m 技术，只要适当选择 各载波的带宽和采用纠错编码技术，多径衰落对系统的影响可以完全消除。因此 如果没有功率和带宽的限制，我们可以用o f d m 技术实现任何传输速率。但实际 上，为了进一步增加系统的容量，提高系统传输速率，使用多载波调制技术的无 线局域网需要增加载波的数量，而这种方法会增加系统的复杂度和带宽，这对当 前带宽和功率受限的无线局域网系统就不太适合了。而m i m o 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，因此将o f d m 技术与 m i m o 技术相结合是下一代无线局域网的发展趋势。研究表明，在瑞利衰落信道 环境下，o f d m 系统非常适合使用m i m o 技术来提高容量。 2 1o f d m 基本原理 o f d m 技术其实是多载波调目6 ) j ( m c m ) 技术的一种。其主要思想是：将信道分 成许多正交予信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，从而减少了子信道之 间的相互干扰( i c i ) 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子 信道上的频率选择性衰落是平坦的，大大消除了信号间的干扰( i s i ) 。 由于在o f d m 系统中各个子信道的载波相互正交，因此它们的频谱是相互重 叠的( 如图l 所示) ，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用 率。各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用快速傅里叶逆变换( i f f t ) 和快速 傅里叶变换( f f t ) 来实现。随着大规模集成电路技术与数字信号处理器( d s p ) 技术的 发展，i f f t 和f f t 都是非常容易实现的。f f t 的引入大大降低了o f d m 的实现复 杂性，提升了系统的性能。 一于曩渡同蠢 1 i 蝴厂、厂、厂、厂、 弋 j ( a )( b ) 图2 1o f d m 信号的频谱 ( a ) o f d m 子带频谱；( b ) 五个子载波的o f d m 信号频谱 为了能够完全消除i s i ，通常在o f d m 符号中引入保护间隔，最有效地保护问 m i m o o f d m 系统盲信道估计技术研究 隔是使用符号的循环扩展，即把符号结尾的一段复制加到符号的起始端，如图2 2 所示。由于码元符号是周期的，保持了子载波间的正交性，减小了载波间干扰( i c i ) 的影响。只要选取的保护间隔大于信道的最大迟延扩展，就会完全消除i s i 和i c i 的影响。 保护间隔堙 2 1 1o f d m 信号的数学描述 图2 2 加c p 的o f d m 符号 设o f d m 信号发射周期为t ，在一个周期内传输的n 个符号为 ( d o ，d i9 - o ) ，d ，一，) 。第七个符号b 调制第七个载波五，所以合成的o f d m 信号为 s ( f ) = 兄 荟n - i 见p 口棚) ，【o ，卅 ( 2 - 1 ) 其中：设发射载频为f o ，为使各子载波在整个o f d m 信号的符号周期内满足正交 性，令五= 五+ k a r ( k = o 1 ，n - 1 ) ，鲈为子载波之间的频率间隔，取 v 寺击 ， s = r 篓o dke2ik-0卜m t k = op m m 争， j j = 足 ( 薹q p 口f ；，p 口砒) = 足 c ( ，) p 正确 ( 2 - 3 ) 其中s ( t ) 信号的复包络为 砸) = 墓q p m 争 ( 2 4 ) 如果以正= i t , 为采样频率对c ( f ) 采样，那么一个发射周期内共有r r = n 个 采样值，取o n n 1 ，则有 g = c ( f ) i ，；鸭= 薹。i p 口f ；鸭= 薹q p 犯f 等 ( 2 - 5 ) 由式( 2 5 ) 可见，以z 对o f f ) 采样所得的个样值( c 0 ，c i ，c 。一。) 刚好为 ( d o ，d i ，三) 一。) 的n 点反向离散傅里叶变换( i d f d 。因此o f d m 系统可以这样实 现：在发射端，先由( d o ，d l ，o o9 i 一。) 的i d f t 求得( c 0 ，c i ，g 一。) ，再经过低通滤 第二章m i m o o f d m 系统的基本原理 9 波器即得所需的o f d m 信号c ( t ) ；在接收端，先对c ( f ) 采样得到( c o ，c l ，c 一1 ) ，再 对( c o ，c l ，c 一。) 求d f t ，即得( d o ，d l ，d ，一1 ) 在实际应用中，可以使用d f t 的快速算法f f t 来实现。采用易于实现的f f t 和i f f t 技术，快速实现调制与解调，而且容易利用d s p 电路简单实现，大大降低 了o f d m 系统的复杂性。随着大规模集成电路技术与数字信号处理技术的迅速发 展，许多d s p 芯片的运算能力越来越快，显著改善了系统的性能，更进一步推动 了o f d m 技术的发展。目前，o f d m 技术已被普遍认为是新一代无线通信系统必 须采用的关键技术。图2 3 给出了o f d m 系统的原理框图。 i _ 。一i 窭强歪h 梦删 2 1 2o f d m 技术的优缺点 图2 3o f d m 系统的原理框图 o f d m 作为下一代无线通信系统的关键技术，有以下优点1 6 j ： ( 1 ) 频谱利用率很高。o f d m 相邻的子载波相互重叠，从而提高了频谱利用 率。 ( 2 ) 抗多径干扰与频率选择性衰落能力强，有利于移动接收。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。在具有相同多径时延的信道传输中，o f d m 均衡器的复杂度远远 低于具有相同性能的单载波方案。 ( 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，可以有效地对抗窄带干扰，因为窄带干扰只能频率选择 性地影响一小部分载波上的数据。 ( 4 ) 通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。通过将各个信道 联合编码，可以使系统性能得到提高。在变化相对缓慢的时变信道中，o f d m 方 案可以通过改变系统参数明显地提高传输速率。 ( 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 1 0 m i m o o f d m 系统盲信道估计技术研究 f f t 来实现调制和解调，易用d s p 实现。 但是，o f d m 技术存在有两个主要的缺点： ( 1 ) o f d m 有高的峰均功率比( p a p r ) 。o f d m 发射机输出信号的瞬时值会 有较大的波动，这要求系统内的一些部件具有很大的线性动态范围。这导致了非 常低的射频功放效率和昂贵的发射机成本，而且对放大器的线性特性要求比较高； ( 2 ) 对载波频率偏移敏感。o f d m 技术区分各个子信道的方法是利用各个子 载波之间严格的正交性。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化， 这导致了同步的复杂。 这两个缺点都不利于满足终端尺寸限制的要求，成为o f d m 应用于移动通信 的主要障碍。 2 2m i m o 基本原理 m 订o 通信系统可以简单地定义为只要在发射端和接收端分别采用多个天线 ( 或阵列天线) 的通信系统。m i m o 的多输入多输出是针对多径无线信道而言的。 m i m o 技术的机理是信号通过发射端和接收端的多个天线传送和接收，从而 改善每个用户得到的服务质量( 误比特率或数据速率) 。m i m o 技术的关键是能够将 传统通信系统中存在的多径影响因素变成对用户通信性能有利的增强因素。它有 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业务传输速率。m i m o 技术成功之处主要是它能够在不额外增加所占用的信号带宽的前提下成倍地提高 通信系统的容量和频谱利用率。 m i m o 信道是在收发两端使用多个天线，每个收发天线对之间形成一个m i m o 子信道，假定发送端有m ，个发送天线，接收端有m ，个接收天线，在某一时刻t ， 收发天线之间的信道矩阵日为 h = h i l _ l l l 2 h 2 1h 2 2 吃。以： h l 。 。 ： 吃。 ( 2 - 6 ) h 。是从第i 副发射天线到第，副接收天线间的复的瑞利衰落系数，是任意一对收发 天线之间的增益。 m i m o 系统原理框图如图2 4 所示，它同时利用信道编码和多天线技术，信号 s ( f ) 经过空时编码形成 t 个发射子流峨( f l = o ，l ，肘，一1 ) 。这m ，个子流由m ， 个天线发射出去，经空间传输后由m ，个接收天线接收。m i m o 接收机通过空时解 码处理这些子数据流，对其进行区分和解码，从而实现最佳的信号处理。 第二章m i m o o f d m 系统的基本原理 图2 4m i m o 系统信道模型 由于这m ，个子流同时发射时，只占用同一传输信道，所以并不会增加使用带 宽。在自由空间里，m i m o 系统占用比普通天线系统更多的传输空间，用来在各 发射和接收天线间构筑多条相互独立的通道，产生多个并行空间子信道，并通过 这些并行的空间子信道独立地传输信息，达到了空间复用的目的，以此方式来提 高系统的数据传输速率。 系统容量是表征通信系统的重要标志之一，它表示通信系统的最大传输率。 对于m i m o 系统，假设在发射端，各天线发射独立的等功率信号，而且各信号满 足r a y l e i g h ( 瑞利) 分布，根据m i m o 系统的信道传输特性和香农信道容量计算方 法，推导出平坦衰落m i m 0 系统信道容量近似表达式为 c ： m i n m 渺l 。g ：f 半1 ( 2 - 7 ) 式中b 为信号带宽，s n r 为接收端平均信噪比，m i n ( m ，m ，) 为发射天线数量m ，和 接收天线数量肘，中的最小者。式( 2 7 ) 表明，在同等传输带宽、接收端信噪比不 变化的情况下，多入多出系统的信道容量随最小天线数目的增加而线性增加。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， 其容量仅随天线数量的对数增加而增加。故利用m i m o 技术可以成倍地提高无线 信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，使频谱利用率得以成倍地提 高。 利用m i m o 技术不仅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。m i m o 系统正是依靠这种同时使用空域和时域分集的方 法来降低信道误码率，提高无线链路的可靠性的。 2 3m i m o o f d m 系统 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 1 2 m i m o o f d m 系统盲信道估计技术研究 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 需要极高频谱利 用率，而o f d m 提高频谱利用率的作用毕竟是有限的。实际上，为了进一步增加 系统的容量，提高系统的传输速率，使用多载波调制技术的无线局域网需要增加 载波的数量，但这是以增加系统复杂度，增大系统带宽为代价的，因此对目前带 宽和功率受限的无线局域网系统不太合适。 在o f d m 的基础上合理开发空间资源，即采用m i m o o f d m 技术，可以在 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。研究表明，在瑞 利衰落信道环境下，o f d m 系统非常适合使用m i m o 技术来提高系统容量。 2 3 1m i m o o f d m 的系统原理 m 1 m o o f d m 系统发送端和接收端的原理框图如图2 5 所示1 3 1 。该系统有n 个发射天线和m 个接收天线。在发送端和接收端各设置多重天线，可以提供空间 分集效应，克服电波衰落的不良影响。这是因为安排恰当的多副天线提供多个空 间信道，不会全部同时受到衰落。输入的比特流经串并转换分为多个分支，每个 分支都进行o f d m 处理，即经过编码、交织、正交振幅调制( q a m ) 映射、插入保 护间隔、i f f t 变换、加循环前缀等过程，再经天线发送到无线信道中；接收端进 行与发射端相反的信号处理过程，如：去循环前缀、f f t 变换、解码等，同时进 行信道估计、定时、同步、m i m o 检测等技术来恢复原来的比特流。 上 一 u r 矗k 至茎口二口兰口圣兰 串 ， 码织 - - - 一 保护 - _ 映射 并 ； 间隔 转 ： 换 堂编l 。 q p s k 插入 昙譬h h 器h 耄? 交 【- - 一保护 ，一 吨肘 ( a ) ( b ) 图2 5m i m o - o f d m 系统的接收框图 ( a ) 发送端框图；( b ) 接收端框图 第二搴m i m o - o f d m 系统豹基本簸瑾 2 3 2m i m o ，o f d m 系统模型 由以上描述可知，串行信息比特流分解成m 个数摆流后，进行独立的映射编 辑、o f d m 调制，最惹由扶掰，令天线同时发送出去。霹薅进行o f d m 调麓之兹 静信怠德号表零为f 3 6 】 d 0 ，女) = d 1 0 ，素x d ：o ，七l ，d o ，疆 ( 2 8 ) d 。= d o ，k 。y ，d 0 ，k 。+ 1 y ，d 0 ，詹o + d 一1 y r ( 2 9 ) 式中j ，0 ，k ) 表示第歹根发射天线发射出的第咒个o f d m 符号块第量个子载波所携 带夔落塞笱琴，邋蓬在甜，稷发餐天线孛采集歹令连续熬o f d m 符号，羡惑簿号囊 量d 雄) 可表示必 d o ) = 【d ：，d l l 一，d 0 + ，】r ( 2 1 0 ) 定义进行i f f t 的变换矩阵w w 和甜分别为 w 鹾嘉陆，w ，w 妒+ d - d 】( 2 - 1 1 ) w 兰融( 一l 卜，w ( o y ，w ( n l 卜，w ( n p ) 7 l r ( 2 - 1 2 ) a w = i jo w 圆i m ( 2 。1 3 ) 式 2 1 3 ) 中，为锤环前缀c p 的长度，则经o f d m 调制艏的时域信号向爨s o ) 为 s 国= 蠢白) 稼l 将膨，个发射天线和膨，个接收天线之间的频率选择性信道模型化为一个f i r 滤波器，并且假设信道阶数的上限为正，则第，阶信邋可表示为 h 妨= _ j l i ( f )啊：o ) m ( f ) 趣；p ) 是： h 2 u , 妊) i；i ，k ：窜) m 窜) 则传输函数矩阵h 如) 可表示为 h g ) = h o k 。 定义一令痿遂矮箨嚣 f h ( 0 ) h ( ) 0 0 螽喾?h ( 0 ：h 譬_? 【0 0 h ( 0 ) h ( l ) 炙i j 在掰，根接收必线土接蚊到豹信号霹写为 嵇- 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 1 4 m i m o o f d m 系统盲信道估计技术研究 r 0 ) = 氲s 0 ) + t 1 0 ) = 矗硎o ) + t 1 0 ) 三a d o ) + 1 0 ) (