（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统的体系结构及其信道估计算法.pdf

摘要 m i m 0 ，o f d m 技术将o f d m 与密时编码技术有机的结合拣起，能够大幅度 懿挺裹无线遥偻系统懿售遵容量帮转输速率，斧驻有簸瓣羝拭多径衰藩、攘熬干 扰和嗓声，从雨弓 起了遥信赛豹广泛关注。本义在分析移动辩线信道衰落特性的 基础上。阐述了m 蹦0 - o f d m 系统的基本原理殿葳体系结构。并围绕该礤统中信 遵估计遮一关穗技术，深入磅究了鏊于谢练序烈释基予导频将号的殛类镲邋估计 方法，绘掇豆释耩塞静镶遒嵇诗葵法戳及宅靛静敬进算法，最瑟结合m a t l a b 费 真对这热算法的有效雠和可行性进行了全面地分析与比较。 关键谶。多输入多输出空对编璐正交频分笈厢信道嵇计 a b s t r a c t a sac o m b i n a t i o n o f0 f d m 谢t h s p a c e - t i m ec o d i n gt e e l m i q u e ，m i m 0 一o f d m h a s r e c e n t l yr e c e i v e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n ，w h i c hc a l ln o to n l ye f f e c t i v e l y e n h a n c et h e t r a n s m i s s i o nr a t ea n dc a p a c i t yo ft 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 mb u ta l s oc o m b a t m u l t i - p a t hf a d i n g m i di n t e r f e r e n c e i nt h i s p a p e r , w e d i s c u s st h e p r i n c i p l e o f m 1 m 0 o f d ms y s t e ma n di t sf r a m e w o r kb a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no ff a d i n gc h a n n e l s f u r t h e r m o r e t h ec h a n n e le s t i m a t i o n t e c h n i q u e s i nm 泓o o f d m s y s t e m a r e i n v e s t i g a t e d 。弼氇t h ee m p h a s i so nt r 越n i n gs e q u e n c e - b a s e da n dp i l o t - b a s e dc h a n n e l e s t i m a t i o nm e t h o d s , a n da l s o s e v e r a lb a s i ca n d i m p r o v e da l g o r i t h m s a r e g i v e n r e s p e c t i v e l y f i n a l l y , t h ea n a l y s i s a n dc o m p a r i s o no ft h e s e a l g o r i t h m s i sm a d eb y c o m p u t e r s i m u l a t i o n 。 k e y w o r d ：m u l t i p l ei n p u t a n d m u l t i p l eo u t p u t ( m i m o )s p a c e - t i m e c o d e 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 n m u l f i p l e x i n g ( o f d m ) c h a n n e l e s t i m a t i o n 剖额牲声明 y s 8 3 8 7 0 本人声明所呈交的论文是我个人程导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我掰知，藩了义孛特瓣麓苏标注彝致 囊 审掰罗麓懿肉簿疆筹，论文孛 不包含其它人已发表或撰筲过的研究成果；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粥而使用过的材料。与我同工作的同忠对本研究所做 豹任嚣贡麸均毫在论文孛 故了臻确豹谈骥并表示7 谢意。 申请学位论文与资料瓣有不实之娥，本人承担一切相关责任。 本人懿名：薹叁翻期- ! 兰：2 关子论文使用授权的说明 奉久窕念了解西安奄予瓣技大学蠢关保匿秘捷瘸学位论文豹麓定，辞；磺究 艇在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西蠹电子科技大学。本人保证毕 舭离校后，投表论文或使用论文工作成果对署名单位仍然为西安电予科技大学。 举竣有权嫖熬送交论文戆复印终，竞诲惫耀窝氆滔论文；学校霹瑷公枣论文豹全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制洋段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学垃论文属于保密，在年解密矮适用本授投书。 本人签名： 导师签名： 莲 取 日期：! 兰：! ： 第一章绪论 第一章绪论 本章将简要回顾宽带移动通信技术的发展历程，展望未来技术的发展趋势， 透过这一发展过程，分析揭示未来移动通信中无线传输技术所面临的挑战，提出 本课题的主要研究任务和意义，同时给出本文的主要工作及内容安排。 1 1宽带移动通信的发展 自1 8 9 7 年马可尼第一次展示了无线电使在英格兰海峡里行使的船只保持持续 不断的通信能力以来，运动中的通信能力已经得到举世瞩目的发展。自那以后， 全世界的人们都在热切地期盼使用新的无线通信方法和途径。特别是在过去的十 年里，无线移动通信在数字和射频电路制造技术方面的进步，在新的大规模集成 电路和其他使便携移动设备做得更小、更便宜、更可靠的小型化技术的推动下获 得了巨大的发展。数字交换技术又推动了移动通信网络的大规模发展。这一趋势 在下一个十年里会以更快的步伐发展。 以前，移动通信领域的发展是缓慢的和技术的进步紧密相连。向所有人提 供无线通信能力的方案一直没有被人们构想出来，直到六、七十年代贝尔实验室 提出了蜂窝的概念。随着7 0 年代高度可靠的、小型化的、固体射频电路的发展， 无线通信的时代才到来。最近，全球蜂窝和个人通信系统接近指数曲线的发展。 直接归功于7 0 年代的新技术，现在只不过是发展更为成熟而己。 无线通信被广泛应用于商业、气象、军事、民用等领域。在过去的几年里， 中国的通信业务的种类和数目增长非常迅速。就无线通信技术来说，已从单一的 话音业务，发展到可以提供话音、数据和传真业务。随着通信技术和计算机技术 的发展，无线个人通信系统必须能够提供现有的通信网络( 含i s d n ) 中的绝大部 分业务，即来自各种信源( 语音、传真、低速和高速数据) ，具有不同特征( 数据 率、激活因子、突发性) 和不同质量( 误比特率) 要求的多媒体业务。其最高业 务速率要达到2 m b i t s 。同时还可以做到：能够接入大型商用数据库；能够接入包 括娱乐和教育节目的数字影像数据库：能够提供具有语音识别和手写体识别等功 能的简单人机接口；能够支持分布式移动计算机环境等。 当代无线通信系统有很多，例如，卫星通信系统、蜂窝通信系统、无线寻呼 系统、短波通信系统、微波通信系统等。各种通信系统由于自身特点的不同而应 用于不同的场合。短波电台适合远距离传输，其所需的发射功率不大，传输的“中 继系统”一电离层不会被摧毁；卫星通信能传播高质量的信息，所能提供的频带 2 m i m o - o f d m 系统懿舔系缍梅及箕傣遴镭诗算法 很宽；微波通信抗干扰能力很强，适合大鬣的数据传输，但只能在点与点之间传 输。蜂窝结构通信是为了适威不同用户的繁求，甄能潞怒嚣要大的光线覆盏面积 翻鬻速移动用户豹要求，又艇满是高密度鼗 器速移动踊户静要求，阏辩还要能满 足象内用户的要求。同时无线通信在军事通信领域也是不可缺少的熏疆通信手段， 如攀用电台浑用电工作在不嘲频段，有的猩h f 频段，有的在v h f 、u h f 频段。 在案干疆帮曩怒绎耗鼹今天，嫠舞逶售瓣豹“最瓣一公里”熬搂入秘嚣盏成 为躲个通信网的瓶颈，这一点在移动和秃线情况下更为严重。目前程国内广泛使 用的g s m 系统仅能提供9 6 k b p s 的数据绒语音服务。以c d m a 为核心的第三代 移幼通信系统( 3 g ) ，可望为矮户提供最终遮2 m b p s 的接入速率，基予i e e e s 0 2 。l l b 禄潦静无线弱域辩毽霹在室漆环境下提供壤高速1 1 m b p s 豹数据率。然嚣这些哭髓 称为中速率，还不是宽带移动通信，因为间样的接入速率在固定网中早己达到， 远水能满足大多数宽带业务的需要，并且这样的传输遴率还是在牺牲终端移动性 豹睹琵下达弱豹，在骖动邃璇较毒薅象三代移动逶绩系统豹袋入速窭哭缝达羁死 酉k b p s 。 因此，在拟议中的4 ( 3 预计将达到1 0 0 m b p s 以上的接入速率。i e 髓8 0 2 1 6 标 准讨论稿已于2 0 年8 胃提出，本地多点分配业务( l m d s ) 豹大鬃试验已驭得 满意豹效栗，翻乎其容羹大( 2 - - 1 5 5 m b s ) ，可提供话裔、数据、禚颓簿综会业务， 被鬻为“无线光纤”。而基予5 g i - i z 的i e e e 9 0 2 1 l a 也可将数据传输速率提升到 5 4 m b p s ，i n t e l 谯2 0 0 0 年的c o m d e x 展燕会上展示了旗子8 0 2 1 l a 的系统。这些 霹稼为襄委魏宽豢无线逶痿系统将采耀纂予多载浚懿薪燮溺裁技术。 不同于成本受限的固定通信网，移动潦信网是资源受限的，在总的可用频率 资源一定韵情况下，不可能熙通过增加投资购买更多数餐的设备来蜜现宽带移动 逶靛熬霹标，嚣弱薅实现离黔廷户容量和数据接入速率。豳魏，襄攘蹇效麴耨受 调制解调技术来共享有限的频率资源成为蜜现宽带移动邂信的难一途径。高数据 速率必然造成高的频带占用，而移动通倍的多径时变的信道特性又遗成时间和频 率上的选择性袭落，这是宽带移动通信中羽基本矛盾。解决和克服遮种矛盾成为 耨篷璃籍鼷调按零魏关键。 在i n t e m e t 虎视频、声音和数据传输的惊入快速增长和同样迅猛的移动通信霈 求使得人们对穆动多媒体产生了更多的期望。全世界的研发部门都在定义新一 代瓣无线竟繁多媛体逶镶系统，这姆实现“逸球售塞树”。遗球村蕊綦零糖怒毽食 了铁世界范围戮微微蜂窝的不闻层次上的备种各样的逶信成分。众所周知，对无 线和i n t e r n e t 通储的需求是飘指数增长的。因此，很有必要将无线和i n t e m e t 联系 到起。这样，糍不远的将来，光线i p 翻无线a t m 将在无线宽带多媒体通信系 绞( w b m c s ) 巾起翻举足辍整懿终蘑。 当前的通信系统主要还只是为某一种威用来设计的，如语音通储、移动电话 第一章绪论 和局域网上的高速传输等，但是下一代的无线宽带多媒体通信系统( w b m c s ) 将 把多种功能和应用结合起来。为了支持这样高的速率并且具有足够的能力对付无 线信道的衰落影响，需要非常认真的选择调制技术。现在看来，最为适合的调制 技术就是正交频分复用( o f d m ) 技术。 信息产业在新一代技术刚推出市场之后，更高的技术应用已经在实验室进行 研发。因此在我们期待第三代移动通信系统所带来的优质服务的同时，第四代移 动通信系统的最新技术也在实验室悄然进行当中。第四代与第三代移动通信系统 都是为未来无线通信服务的，将多媒体包括语音、数据、影像等大量信息透过宽 频的信道传送出去，我们暂且将第四代移动通信系统称之为“多媒体移动通信” ( m u l t i - m e d i a m o b i l e c o m m u n i c a t i o n ) 。第四代移动通信不仅仅是为了满足用户数 的增加更重要的是，必须要满足多媒体的传输需求，当然还包括通信质量的要 求。总而言之，首先必须可以容纳市场庞大的用户数、改善现有通信质量不良， 以及达到高速数据传输的要求。 从移动通信系统数据传输速率作比较，第一代模拟系统仅提供语音服务：第 二代数字移动通信系统传输速率也只有9 6 k b p s ，最高可达3 2 k b p s ，如p h s ：而 第三代移动通信系统数据传输速率可达到2 m b p sz 专家则预估，第四代移动通信 系统可以达到l o m b p s 至2 0 m b p s ，这些议题未来也将会逐渐在电信标准组织中提 出来讨论。虽然第三代移动通信可以比现有传输速率快上千倍，但是未来仍无法 满足多媒体的通信需求，第四代移动通信系统的提出便是希望能满足提供更大的 频宽需求。 若以技术层面来看，第三代移动通信系统主要是以c d m a 为核心技术，第四 代移动通信系统技术则以正交频分复用技术( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ：o f d m ) 最受瞩目，特别是有不少专家学者针对o f d m 技术在移动 通信技术上的应用，提出相关的理论基础。例如无线区域环路( w l l ) 、数字音讯 广播( d a b ) ，都将在未来采用o f d m 技术，而第四代移动通信系统则计划以o f d m 为核心技术，提供增值服务。对于电信产业而言，o f d m 仍有许多问题亟待解决， 不过部份标准化制订的工作已经接近尾声而即将商用化( 如数字音讯广播) ，但若 要应用在移动通信领域仍需些时日。而选择o f d m 作为第四代移动通信的核心技 术，其主要理由包括无线电频率使用效益高、抗噪声能力相当强、适合高速数据 传输等因素，因而受到无线通信专家的青睐。 1 。2 无线信道估计的重要性 无线通信系统的性能主要受到移动无线通信环境的制约，无线通信应用很广 泛。但是无线通信的媒质环境一无线信道却会由于其衰落的程度而大大影响无线 m 1 m o ，o f d m 系统的体系结构及熊信道估计算法 通信的质爨。在个典溅的无线通信环辘中，由于接收机和发傣帆之间的畿达路 径蔹建襞物残萁氆物髂掰隧薅，掰疆，在一令茏绫逶揍系统串装瓣瓿与羧l | 筻搬之 间的通信不是通过直达路径，而是通过许多其他路径完成的。程特高频( u h f ) 和超高频( v h f ) 频段，从发射机到接收机的电磁波的主要传播模式是散射，即 获建筑貔警鬣疲射或麸入王、鑫然魏体携射。 在市酝建筑群中，移动台在任简时褥接收韵信号包食许多警行传播酌平蕊电 磁波，这必电磁披的幅度、相位和角度相对于移动台的运动方向是随机的。每个 电磁波分爨到达的相位靼角度在统计上可认为是独嶷的。因为接收信号的棚饿是 夔凝熬，粥萄诀兔它在菝瓴幼) 臻麓努毒。竣窆瀚角度秀g ，瓣遗磁波藩强搿与 盯+ 出扇隧内的概率为p ( a ) d a 。概率密度p ( a ) 不能被完全表达，因为它髓稽环 境而变化，即使在同一环境中从一个区域到另一区域也不同。所有信号分量食成 产生一个笈驻波，它鲮镶号熬强度凝缀备分囊熬耀慰交位嚣瑶热或躐多。芟食藏 场强在移动几个车身长的距离中会番2 0 3 0 d b 豹袭落，在实验中它豹最大值和最 小值发生的位置大约相麓l 4 彼长。火量传播踌镪的存在就产生了所谓多径现象。 这静衰落镶号不仅发生攘移动台用户接收信号时，蜂窝小区的慧站接收同榉会受 嚣衰落信骛豹影魏，毽箨莛l 霹能箍辩闼苓蠢。蠹皆信号抉速素辫，邃耱磊鬣朝骰 短期衰落。幽移动台通道这样的衰辫信号时，噪皆和干扰会进入收信机，可能导 致话音中断和数据丢失。尽管概念上也可以采用线性调制系统如幅度调制，但是 在8 0 0 9 0 0 m h z 簇段袭落速度霹疆发缀大。爱戳凌峰窝最统审嚣翦还是采耀频率 调制方式。 在上颟模型中，能激通过许多非点达路径达到收信机，这个模型叫做“缴射 场模型”；翳外由于相使滚机，也可叫做“非相干场模型”。有时接收到抟憨能量 串有缀丈一鄹分莛逶避一条可冤籍缀获发射筑达戮1 1 5 c 铸梳，邀辩由子塞迭爨径菝 收场的相位不是随机的，所以也叫做”相干波”。襁郊区和偏遮她，“相干波”比 例大，而在市区信号能擞多数是散射形式。除了短期衰落外，移动收信机相连的 平瑟渡蕤饕获一焘翅舅一纛移羲蓼凌发整交纯嚣缓攫交绽。农簸期衰落上怒裳莛 号强度缓慢变化的长期赣落。这种长期交化，通常鼹通过增加旋射功率解决的。 总的来说，在无线弼：境中有两种影响；第一种是多路径，由于从建筑物液面 或其镳物体霞射、散射疆产生的短期焱落，通常移动距离是凡蘸英尺 第二辩是 誊接可觅终径产生鹣圭装接毅信号鼗发鹩缓慢交纯，繇长辩弱强变亿。趣甏筏距 微波信道融吊多径时延麓小，信道时变速率与实簖通信数码率相比很小。因此可 看成在码元时间量级上惯道是不变的，信道的缓慢交化在若干个码元期间悬感觉 不窭来熬。嚣在蹇籁耧越态频无线搂邈孛戆嫠嚣粼不弱，售遂燮佳率彝臻攀鞠滋 较已经达到不可忽略程度，并由予多蒋勒频移，谯码元间隔或潞千个码元间隔l 已经可咀感到信道特性的变化，此时如果不加入倍邋估计与均衡部分，接收信号 第一章绪论 的质量将极其的差。 冲激响应是无线信道的重要特性，它包含了所有用于模拟和分析信道无线传 播的信息，这是因为移动无线信道可建模为一个具有时变冲激响应特性的线性滤 波器，其中时变是由子接收机和空间运动所引起的。信道的滤波特性以任一时刻 到达的多径波为基础，其幅度与时延之和影响信道滤波。冲激响应是信道的一个 有用特性，可用于预测和比较不同移动通信系统的性能，以及某一特定移动性道 条件下的传播带宽。移动无线信道的变化与移动无线信道的冲激响应直接相关。 而信道估计接收机能近似信道的冲激响应，逼近实际信道特性，得知信道的冲激 响应后，信道均衡器便可利用信道估计来克服码间干扰的影响。 移动通信系统由编码、调制、多址和射频( r f ) 发送等基本处理单元组成发送端， 由r f 接收、分址、解调和解码等基本处理单元组成接收端，发送端和接收端彼此 分离。无线信道提供发送端和接收端之间的连接，使无线通信成为可能，也使无 线通信面对复杂的移动环境，因此，无线信道问题的研究是移动通信的经典课题。 无线信道研究的成果实际上是移动通信的发展基础。 进入2 1 世纪以来，移动通信得到了极大的发展和广泛应用，其中编解码技术、 调制解调技术、多址复用技术和r f 收发技术等都有相当大的发展和进步。随着第 3 代移动通信的发展和商业应用，随着后3 0 的开发，以自适应调制解调技术、混 合自动重发请求( a r q ) 机制、自适应编解码技术( 如t u r b o 码和低密度稀疏检验矩 阵码) 、正交频率数字复用( o f d m ) 技术、多输入多输h q ( m i m o ) 无线资源的自适应 管理技术等为代表的移动通信新技术得到越来越多的重视。这些新技术的研究和 应用，都离不开对无线信道的研究和应用。对无线信道特征的掌握和了解，直接 影响这些新技术的应用和发挥，直接影响通信容量和通信质量，是重要的决定性 因素之一。但是，人们对无线信道的研究和利用，基本上还停留在第1 代和第2 代移动通信系统研究开发时的水平上。因此。对无线信道的进一步研究，包括对 无线信道的表征和描述、对无线信道参数的估计和预测、对无线信道与新技术结 合课题的研究，显得越来越重要，将是未来移动通信发展面临的重大课题。 1 3 下一代通信技术 下一代通信技术并没有脱离以前的通信技术，而是以传统通信技术为基础， 不断提高无线通信的网络效率和功能。与传统的通信技术相比，下一代通信技术 的优势在于通话质量及数据通信速度。另外，由于技术的先进性确保了投资成本 的大大减少，未来的4 g 通信费用也要比目前低。 1 下一代通信的特征： ( 1 ) 通信速度更快 6 m i m o - o f d m 系统的体系结构及其信道估计算法 由于人们研究下一代通信的最初目的就是提高蜂窝电话和其他移动装置无线 访问i n t e r n e t 的速率，因此下一代通信的特征莫过于它具有更快的无线通信速度。 专家预估，第四代( 4 g ) 移动通信系统的速度可以达到1 0 m 2 0 m b p s ，最高可以达 到1 0 0 m b p s 。 ( 2 ) 网络频谱更宽 要想使4 g 通信达到1 0 0 m b p s 的传输速度，通信运营商必须在3 g 通信网络的 基础上进行大幅度的改造，以便使4 g 网络在通信带宽上比3 g 网络的带宽高出许 多。据研究，每个4 g 信道将占有1 0 0 m h z 的频谱，相当于w - c d m a3 g 网络的 2 0 倍。 ( 3 ) 通信更加灵活 从严格意义上说，4 g 手机的功能已不能简单划归“电话机”的范畴，因为语 音数据的传输只是4 g 移动电话的功能之一而已。而且4 g 手机从外观和式样上看 将有更惊人的突破，可以想像的是，眼镜、手表、化妆盒、旅游鞋都有可能成为 4 g 终端。 ( 4 ) 智能性能更高 第四代移动通信的智能性更高，不仅表现在4 g 通信的终端设备的设计和操作 具有智能化，更重要的是4 g 手机可以实现许多难以想像的功能，例如，4 g 手机 将能根据环境、时间以及其他因素来适时提醒手机的主人。 ( 5 ) 兼容性能更平滑 要使4 g 通信尽快地被人们接受，还应该考虑到让更多的用户在投资最少的情 况下轻易地过渡到4 g 通信。因此，从这个角度来看，4 g 通信系统应当具备全球 漫游、接口开放、能跟多种网络互联、终端多样化以及能从2 g 平稳过渡等特点。 ( 6 ) 实现更高质量的多媒体通信 4 g 通信提供的无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等，大量信息透 过宽频的信道传送出去，为此4 g 也称为“多媒体移动通信”。 ( 7 ) 通信费用更加便宜 由于4 g 通信不仅解决了与3 g 的兼容性问题，让更多的现有通信用户能轻易 地升级到4 g 通信，而且4 g 通信引入了许多尖端通信技术，因此，相对其他技术 来说，4 g 通信部署起来就容易迅速得多。同时在建设4 g 通信网络系统时，通信 运营商们将考虑直接在3 g 通信网络的基础设施之上，采用逐步引入的方法，这样 就能够有效地降低运营成本。 2 世界各国对4 g 的研发和试验情况 为了在新一轮竞争中变被动为主动，日本总务大臣的咨询机构信息通信 审议会专门委员会在2 0 0 1 年6 月1 5 日就已完成了第四代移动通信系统框架协议。 韩国有关运营商和通信研究所e t r i 也向政府提出了相应的4 g 研究计划。而在我 第一章绪论 国，尤肖虎介绍，4 g 的立项早在2 0 0 0 年初就已开始酝酿，2 0 0 1 年1 1 月立项申请 被批准，随后国家成立了由尤肖虎负责、由8 6 3 计划通信技术主题专家组领导的 总体组，并于2 0 0 1 年年底和今年六月发布了两次课题指南，成立了一系列课题组， 开始了计划的启动。 日本几年前已经开始研究，并在n t t d o c o m o 的牵头下，已经开发出了可支 持2 0 m b i t s 的实验系统，并于2 0 0 2 年年初成立了m i t f ( 移动i t 论坛) ，下设4 g 研究工作组，由运营商、制造商和高等院校参加，与标准化组织a r i b 保持密切的 关系。日本政府甚至已经确定了超3 g 使用的频谱，并计划在2 0 1 0 年之前首先商 用超3 g 。 韩国情报通信部( m i c ) 已经将超3 g 研究列入政府的研究开发课题，计划在 2 0 0 5 年之前投资1 亿美元。此外，情报通信部在今年年初成立了4 g 远景研究委 员会，统筹部署国内的超3 g 研究以及国际合作。 目前，日本n t t d o c o m o 公司已经表示，4 g 通信的试验网络已经部署在公司 的横须贺研发园内，该网络集结7 试验基站和移动终端，同时n t t d o c o m o 公司 还表示，4 g 通信服务将于2 0 1 0 年推出，网络的下载速度可以达到1 0 0 m b p s ，上 载速度为2 0 m b p s 。美国a t & t 公司推出的4 0 通信网络的试验，据说可以配合目 前的e d g e 进行无线上传，并通过o f d m 技术达到快速下载的目的。美国a t & t 公司声称大约还需要5 年，这项技术才能发布：再有1 0 年左右的时间，4 g 才能 真正投入到商用阶段。在2 0 0 2 年2 月份，欧洲的4 家移动设备生产商阿尔卡 特、爱立信、诺基亚和西门子组成了世界无线研究论坛( w w r f ) ，以研究3 g 以后 的发展方向。w w r f 预计4 0 技术将在2 0 1 0 年开始投入应用。 实际上，不仅仅3 0 标准上存在两大阵营，世界各国在对4 g 的设想上也存在 着巨大的差异。欧洲、日本和美国都有自己的看法。 欧洲国家一般认为4 g 是一种可以有效地使用频谱的数据通信技术，并且一定 是以i p v 6 为基础的，网络上的所有单位都有自己的i p 地址。通过在移动通信网 络中引入i p v 6 就可以把现有的各种不同的网络融合在一起，比如4 g 网络将会融 合卫星和平流层通信系统、数字关广播电视系统，各种蜂窝和准蜂窝系统，无线 本地环路和无线局域网，并且可以和2 g 、3 g 兼容。 与欧洲关于4 g 的观点正相反，日本热衷于建立一个单一的4 g 全球标准。2 0 0 2 年1 0 月，日本的n t t d o c o m o 公司已经试验他自己的4 g 空中接口。该空中接口 是基于可变扩展因子技术的正交频率和码分复用技术( v s f o f c d m ) 。在像o f d m 一样采用多载波的同时，进行与c d m a 相同的扩散处理来增大容量。其最大的特 点在于。可以根据具体的通信服务来改变时间方向与频率方向上的扩散率。这样， 就可以在类似热点的孤立区域，通过降低扩散率来优先增大传输速率，而在用户 众多的环境下，能够提高扩散率、增加系统容量。该试验显示，此系统在从基站 m i m o - o f d m 系统的体系结构及其信道估计算法 向终端传输的下行方向上，可以确保最大l o o m b 秒的数据传输速度。n 订 d o c o m o 将在该技术的基础上，向i t u - r 提供4 g 的技术提案。 美国则希望把w l a n 技术进行扩展，从而演进为4 g 的基础。 图1 1 是4 g 无线通信系统方案设想 图1 14 g 无线通信系统方案设想 1 4 技术研究现状 众所周知，无线移动通信系统的最大技术瓶颈在于空中接口，即无线传输技 术。新一代移动通信系统给无线传输技术提出的主要难题是： 如何大幅度的提高频谱效率； 如何实现高达几十到几百m o 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 ) 以其有效的抗衰落特性和 高的频谱效率受到了人们广泛的关注，而将两者相结合构成的m i m o o f d m 系统， 在技术上相互补充、相得益彰，使之成为实现无线信道高速数据传输【l 】【2 】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 ) 1 3 h 9 1 在频域把信道分成若干正交子信道，频谱相互重 叠减少了子信道间干扰( i c i ) ，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问干扰( i s i ) 。此外，通过在o f d m 中 添加循环前缀( c p ) 迸一步增强其抗多径衰落的能力。o f d m 技术以其抗多径能 力强，频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 第一章绪论 9 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。 多输入多输出( m 讧o ) n o l l 】技术不但可以成倍地提高衰落信道下的系统容量， 而且如果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【1 2 】。【嘲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，而在实际当中，大多数 无线通信环境都属于快衰落情况，即信道非平坦，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 年文献 1 6 】首次提出将o 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，这样的系统不但具有空时编码 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。 1 5 课题的主要任务与意义 作为第四代移动通信系统( 4 g ) 的关键技术之一，m i m o o f d m 技术正是本 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，并能有效的抵抗衰落、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 系统中的信道估计已有较多的研究，通常可以分为基于训练序列 的方法、基于导频符号的方法和盲估计方法三类。基于训练序列的信道估计算法 有0 9 一 2 q ，基于导频符号的信道估计算法有 2 5 1 - 【2 9 】。经研究表明，上述这些算 法在o f d m 系统中均能取得较好的性能，但是它们并不适用于m i m o - o f d m 系 统，这是因为m i 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 1 0 m i m o o f d m 系统的体系结构及其信道估计算法 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。 1 6 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，主要进行了以下工作： 深入分析了m i m o o f d m 技术在国内外的最新研究成果，总结出该技术 领域的两大研究方向，即基于o f d m 的空间复用和空时编码o f d m ，然后分别讨 论了它们的基本原理，重点研究了s t b c - o f d m 系统的体系结构及性能特点，并 通过仿真显示了该系统良好的抗衰落特性，同时指出信道估计是保证系统传输质 量，发挥其优越性的关键所在。 针对m i m o - o f d m 系统，深入研究基于训练序列的信道估计方法和基于 导频符号的信道估计方法，讨论了导频形式的选择准则，依次分析了m i m o o f d m 系统中的l s 时域估计算法、频域估计算法和m m s e 估计算法，在此基础上分别 给出它们的改进算法，进一步提高估计精度、降低算法复杂度：同时还深入研究 了梳状导频估计算法、二维散布导频估计算法以及增强型的信道估计算法。并结 合仿真分析比较了这些算法的有效性和可行性。 论文总共分为五章，结构安排如下： 第二章讨论了无线信道的衰落特性，给出了本文采用的多径衰落信道的仿真 模型。 第三章以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 系统的体系结构，重点分析了8 t b c o f d m 系统的工作原理 及性能特点，最后给出在理想c 8 i 情况下系统的性能曲线，并指出信道估计是决 定系统性能的关键因素之一。 第四章重点讨论了基于训练序列的信道估计方法和基于导频符号的信道估计 方法，分析了导频形式的选择准则，依次研究了m i m o o f d m 系统中的l s 时域 估计算法、l s 频域估计算法和m m s e 估计算法，在此基础上分别给出它们的改进 算法，来进一步提高估计的性能、降低算法的复杂度，同时还深入研究了梳状导 频估计算法、二维散布导频估计算法以及增强型的信道估计算法。最后结合仿真 对这些算法进行了详尽的分析与比较。 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。 第二章无线衰落信道 第二章无线衰落信道 信道是发射端和接收端之间传播媒介的总称，它是任何一个通信系统不可或 缺的组成部分。按传播媒介的不同，物理信道分为有线信道和无线信道两大类。 有线信道是平稳的、可预测的，而无线信道则是随机的，并且不易分析。本章将 讨论移动无线信道的主要特性及其对信号的影响。 2 1 无线信道简述 无线通信就是利用电波能够在空间传播的特性进行通信。所以，无线信道就 是大气层以及存在于其中的各种物体。当然，更准确的定义应该是整个宇宙的自 由空间以及存在于其中的各种物体。 通常，我们认为无线信道是一个线性系统，或者说，可以近似成一个线性系 统。同时，无线信道对于信号的影响是不断变化的。根据主要在于以下三点：( 1 ) 大气的各种参数( 压力、密度、湿度、温度、气流速度、等等) 是随时间变化的。 因而，大气对于在其中传播的电波的影响是不断变化的。( 2 ) 大气中的物体，特 别是那些自身参数和属性( 如温度、体积、物态、速度、空间位置、构成成份、 外形、表面粗糙度、等等) 变化的物体，对于电波传播的影响是随时间变化的。 这里所谓的“对电波传播的影响”主要指对电波的反射、折射和透射。( 3 ) 如果 通信双方或其中的一方处于移动中，那么由于双方的相对位置及自身位置的变化 也肯定会造成信道特性的变化。 图2 1 给出了一个简单的离散时间无线通信的示意。空间四个位置( 位置1 、 位置2 、位置3 、位置4 ) 的任意两点之间构成一个无线时变信道。在通信过程的 任意确定时刻，通信双方必定处在其中某两个位置。通信双方的位置可能是变化 的也可能是不变的。 位置1 位置2 位置3 位置4 图2 1 离散时间无线信道 无线信道可看作是线性系统。如果输入信号是若干个分量信号( 比如是冲激函数) m i m o o f d m 系统的体系结构及其信道估计算法 的线性组合，那么线性系统的响应就是系统对这些信号分量的响应的线性组合。 因而，无线信道的响应可以表示成： 对于离散时间信道而言： y n ；b i n = 研t ；a i 七】w 打；七，a 【乩b 【n 】 ( 2 1 - 1 ) t 对于连续时间信道而言： y o ；b ( f ) ) = f 工( f ；a ( ) ) j l ( r ；f ，a ( f ) ，b ( t ) ) d r( 2 一l - 2 ) 其中，y 【肝；b 【h 】和y ( b b ( f ) ) 是输出，虹嵋且【”】和x ( ，；_ o ) ) 是输入，b i n ；k ，_ 【纠b 【n 】是 离散时间信道对单位冲激信号8 n ；k ，_ 【七】的响应，而h ( t ；r ，_ ( f ) ，b ( ，) ) 是连续时间信 道对单位冲激函数6 ( t ；r ，a ( f ) ) 的响应。 2 1 1 无线信道特性 在无线通信中发射信号经过无线信道传输后，除了自由空间的固有传输损 耗之外，信号还会受到建筑物、地形等的阻挡引起信号衰减。在无线通信中，存 在多径传播现象，即由于反射、散射等的影响，实际到达接收机的信号为发射信 号经过多个传播路径之后各分量的叠加。不同路径分量的幅度、相位、到达时间 和入射角各不相同，使接收到的复合信号在幅度和相位上都产生了严重的失真。 对于室内无线通信和移动通信，多径干扰是必须考虑的。另外对于移动通信， 还必须考虑由于移动台运动或信道环境的改变带来的信道特性的变化。由于移动 台与基站的相对运动，接收信号会产生明显的频移，即多普勒效应。对于室内无 线通信环境，移动物体以及移动台的运动速度都不可能很高，多普勒频移不会对 信号造成严重失真。 多径传播在时域表现为信号在时间上的展宽，从而带来符号间干扰( i s i ) 。在 频域上，多径信道则表现出频率选择性衰落。对于多径传播信道，可以用多径时 延扩展对信道进行量化。典型的均方根( r m s ) 多径时延扩展如表2 ，1 所示。 表2 1 不同环境下典型时延扩展值 环境时延扩展 小型办公室和家庭办公室 2 0 5 0n s 办公大楼 5 0 1 0 0n s 工厂环境 1 0 0 2 0 0n s 室外环境 l 2 0ps 为了克服频率选择性衰落，可以将信道在频域上划分成多个互相正交的子信 道，在小于信道相干时间的时间间隔内，信道等效为一线性时不变系统，可以采 第二章无线衰落信道 用正交频分复用调制技术。正交频分复用每个子载波的带宽较窄，因此每个正交 频分复用符号的持续时间比较长，所以由多径时延扩展带来的影响将减小。同时 通过引入保护时间循环前缀，可以消除符号间干扰的影响。 无线信道可以看成是一个传输系统，发送到空中的信号为其输入，接收来自 空中的信号为输出。 假定信道的单位冲激响应为h ( t ) ，则接收信号为： 昀 ，( f ) = l h ( t ) s ( t - r ) d r + 以( f )( 2 1 3 ) 或用付氏变换表示为：震( ，) = 何( ，) s ( ，) + ( ，)( 2 1 - 4 ) 显然，接收信号在发送信号给定情况下，极大依赖无线信道的特性。由于无 线信道传输特性的起伏性和随机性，在无线信道传输特性_ i l ( f ) 或日( ，) 给定情况下， 通常对接收信号的迸一步处理可表示为： h 。( ，) r ( ，) = h 。1 ( ，) _ i l ( 厂) s ( ，) + 何。1 ( ，) ( 厂) ( 2 - l - 5 ) 在h 1 ( ，) ( ，) 非常小的情况下，可以准确解出发送信号。在实际应用系统中， 使( ，) 比较小是可能的，但使h “( ，) ( 力也比较小则不好控制，因为 h - 1 ( ) ( d 随信道起伏衰落而改变，为了获得稳定的接收信噪比，即稳定的通信 质量，应对信道衰落及时准确估计，以适当调整发送信号s ( ，) 的参数。衰落大， 使s ( 力的功率大( 或使比特能量高) ；衰落小，使s ( f ) 的功率小( 或使比特能量低) 。 在面向未来移动通信的众多新技术中，自适应编解码技术和自适应调制技术 已被推荐为3 g 后的3 5 g 技术，并在w c d m a 的h s d p a 和c d m a 2 0 0 0 的d v 标 准化建议中明确给定。而自适应技术的实现和应用，极大地依赖对无线信道的估 计。信道估计准确、及时，自适应调整就准确可靠，从而获取最大效益和最好性 能。目前，普遍看好第4 代移动通信可能应用的o f d m 技术，而另一项被看好的 技术是m i m o 技术。可以说，移动通信新技术的发展和应用与对无线信道的了解 和掌握程度直接相关。因此，未来移动通信技术的发展和应用，直接依赖对无线 信道的认识和估计，是未来移动通信面临的重要课题。 2 1 2 移动通信的信道应用模型 如果试图对一个特定的环境去定义一个相应的确切的信道模型，我们不得不 1 4 m i m o - o f d m 系统的体系结构及其信道估计算法 知道在该环境中每一瞬时各个反射体的特性，比如：每个反射体的位置、信号经 反射体返回接收机要多长时间、反射体是固定还是移动等等。当然，我们不可能 在每一瞬时确定出这些特性。因此，信道模型是对信道的典型或平均特性的基础 上定义的。若要对特定的环境进行仿真。选择合适的信道模型是十分重要的。 对无线移动通信信道的描述和处理。研究成果众多。从传输过程中对信道的 认识和应用角度来分析，并与对发送和接收的处理结合起来，可认为有3 种模型： 常规模型、均衡模型、自适应模型。 无线信道应用的常规模型把收发两端看成完全分离的双端分离模型。发送端 把一个确定信号送入无线信道，在无线信道的衰落起伏传输中，输出一个随机信 号给接收端。这个随机信号可分解成确定成分和扰动成分，其确定成分与发送端 的确定信号对应，而扰动成分则只能通过对信道特性的统计分析，给出它的统计 分布、均值和方差。基于这种无线信道的统计特性，可以确认发送端输入信道的 信号设计，确认接收端的信道输出的检测判决方式和相关性能。目前，绝大多数 的无线信道的应用和描述，基本上都属于这类情况，即依赖于对无线信道的统计 特性的估计。 无线信道应用的均衡模型是对信道的衰落平稳性和随机性能够估计的应用模 型，接收端将基于对信道的准确估计进行接收信号的均衡、分集、对消等处理。 使信道影响得到消除和缓解，可称为信道影响消除模型无线信道的衰落起伏参 数的准确估计，包括对传