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(通信与信息系统专业论文)mimoofdm无线通信系统中的信道估计算法研究.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
i 一 毒 h l 和 州 - 厂。 声h 爿 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文m i m o o f d m 无线通信系统中的信 道估计算法研究,是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间,在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得华北电力大学或其他教育 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。 学位论文作者签名:戥璋舾荜一日 期:位l l 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件;学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文;学校可允许学位论文被查阅或借阅;学校可以学术交流为 目的,复制赠送和交换学位论文;同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名:玉幻嫜 日期: 丑l 塑,互ji 导师签名: , 一 n , f 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 多输入多输出( m i m o ) 无线通信系统有效地增加了信道容量,正交频分复用 ( o f d m ) 技术具有良好的抗多径性能和高频谱利用率,因而将两者结合的 m i m o o f d m 系统在现代无线通信领域得到了广泛的关注。论文将基于离散余弦变 换( d c t ) 的变换域补零插值算法引入到m i m o o f d m 系统的信道估计中,给出了 一种改进的算法,即基于加窗d c t 插值的算法,并仿真验证了本文算法的有效性。 论文还研究了m i m o 信道模型,仿真计算了m i m o 信道容量及仿真分析了基于子 空间的盲信道估计算法性能。 关键词:m i m o ,o f d m ,信道估计,导频,盲估计 a bs t r a c t w i r e l e s s m i m o ( 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 ) s y s t e m sp r o m i s eas i g n i f i c a n t i n c r e a s eo fc h a n n e lc a p a c i t y , 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 ) i sa t t r a c t i n gag o o dd e a lo fa t t e n t i o nd u et oi t sr o b u s t n e s st om u l t i p a t hf a d i n ga n dh i g h s p e c t r a le f f i c i e n c y t h u s ,t h ec o m b i n a t i o no fb o t ht e c h n i q u e si sa na t t r a c t i v ep r o p o s i t i o n f o rm o d e mr a d i ot r a n s m i s s i o n i nt h i s p a p e r , t r a n s f o r m d o m a i n z e r o p a d d i n g i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mb a s e do nd i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ( d c t ) i si n t r o d u c e dt o c h a n n e le s t i m a t i o n o ft h em i m o o f d ms y s t e m ,a st ot h ew i n d o w e dd c t - b a s e d i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m c o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u l t sa r ef i n a l l yp r o v i d e dt oi l l u s t r a t et h e e f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d t h ep a p e ra l s os t u d i e dt h e m i m oc h a n n e lm o d e l s ,m a d et h es i m u l a t i o no ft h em i m oc h a n n e lc a p a c i t ya n dt h e s i m u l a t i o na n a l y s i so fs 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 mp e r f o r m a n c e z h a ow e i n a ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f y u a nj i n s h a k e yw o r d s :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 ,b l i n de s t i m a t i o n 口 一 d , , i 呵 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1m i m o 和o f d m 技术现状及背景1 1 2 课题的主要目的及研究意义2 1 3m i m o - o f d m 系统信道估计的研究现状j 3 1 4 本文研究的主要内容及论文安排4 第二章m im o - o f d m 系统原理及无线信道分析5 2 1o f d m 技术5 2 1 1o f d m 基本原理5 2 1 2o f d m 技术的主要优缺点7 2 2m i m o 技术9 2 2 1m i m o 空时编码1 0 2 2 2m i m o 技术的优缺点1 0 2 3m i m o _ o f d m 系统1 1 2 3 1m i m o - o f d m 系统概述1 l 2 3 2m i m o o f d m 系统的关键技术1 2 2 4 无线衰落信道的传输特性1 3 2 4 1 大尺度衰落1 4 2 4 2 阴影衰落1 4 2 4 3 无线信道的多径特性1 5 2 4 4 无线信道的时变性1 6 2 5j a k e s 无线信道模型的建模与仿真1 7 2 6m i m o 信道1 9 2 6 1m i m o 信道模型1 9 2 6 2m i m o 信道容量仿真分析2 0 2 7 小结2 l 第三章基于导频的m o - o f d m 信道估计算法2 2 3 1m i m o - o f d m 系统信号模型2 2 华北电力大学硕士学位论文目录 3 1 1 基于导频的信道估计概述2 2 3 1 2m i m o - o f d m 系统信号模型2 4 3 2 优化导频设计2 5 3 2 1 系统模型2 5 3 2 2 优化导频设计2 7 3 3 信道估计算法2 8 3 3 1l s 估计算法2 8 3 3 2 删s e 估计算法2 8 3 3 3l 删s e 估计算法2 9 3 3 4 性能仿真分析j 2 9 3 4 基于插值的信道估计算法3 0 3 4 1 线性插值3 1 3 4 2 高斯插值3 l 3 4 3 三次样条插值3 1 3 4 4 低通滤波器插值3 2 3 4 5 维纳插值3 2 3 4 6 时域插值:3 2 3 4 7 变换域插值及其改进3 3 3 5 插值算法仿真结果3 4 3 6 小结3 6 第四章基于子空间的m o - o f d m 盲信道估计算法3 7 4 1 基于盲信道估计的系统模型3 7 4 2 基于子空间的盲信道估计3 8 4 3 子空间盲估计的性能仿真4 1 4 4 小结4 2 第五章总结与展望4 3 5 1 本文取得的主要研究成果和结论4 3 5 2 需要迸一步研究的问题4 3 参考文献4 4 致谢4 7 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 8 2 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1mlm 0 和o f d m 技术现状及背景 新一代移动通信系统对无线传输技术提出了一些新的挑战,主要包括两个方 面:如何大幅度提高频谱效率;如何实现高达几十甚至几百兆比特每秒的峰值无线 数据传输速率。这样要在有限的频谱资源上实现高速率和大容量,需要频谱效率极 高的技术。多输入多输出( 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 ) 技术充分利用空 间资源,利用多天线实现多发多收,在不增加频谱资源和天线发送功率的情况下, 可以成倍地提高信道容量,而且在此基础上发展起来的空时编码技术将信道编码技 术与阵列处理技术相结合,能够大幅度地提高无线通信的系统容量和传输效率,为 解决无线信道的带宽问题提供了一条新的有效途径。正交频分复用( o r t h o g o n a l f 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 ) 技术在频域内将宽带信道分成若干个窄带 子信道,频谱相互重叠,提高了频谱利用率;同时也将频率选择性衰落变为平坦衰 落。o f d m 和m i m o 以其有效的抗衰落特性和高频谱效率受到了人们广泛的关注, 而将两者结合起来构成的m i m o o f d m 系统,在技术上相互补充、相得益彰。 ,一m i m o 技术最早是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出的,它利用多天线来抑制信道衰落。 此时,信道容量随天线数量的增大而线性增大,也就是说可以利用m i m o 信道成倍 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,频谱利用率可以成 倍地提高。利用m i m o 信道提供的空间复用增益可以提高信道的容量,同时m i m o 信道提供的空间分集增益也可以提高信道的可靠性,降低误码率。 o f d m 技术的主要思想是:将信道分成若干个正交子信道,将高速数据信号转 换成并行的低速子数据流,调s j j 至u 每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接 收端采用相关技术来分离,这样可以减少子信道之间的相互干扰。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衰落可以看成平坦性衰落,从 而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原始信道带宽的一小部 分,信道均衡变得相对容易。 o f d m 是由多载波调制( m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ,m c m ) 发展而来的。美国 军方早在上世纪的5 0 、6 0 年代就创建了世界上第一个m c m 系统,在1 9 7 0 年衍生 出采用大规模子载波和频率重叠技术的o f d m 系统。但在以后相当长的一段时间, o f d m 理论迈向实践的脚步放缓了。由于o f d m 的各个子载波之间相互正交,采用 f f t 实现这种调制,但在实际应用中,实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接 收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素都成为o f d m 技术实 益,而且兼得o f d m 接收机和均衡器结构简单的优点。因而,在未来的宽带无线通 信中采用m i m o o f d m 技术成为了一种发展的必然选择。 1 2 课题的主要目的及研究意义 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,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 h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o n ,c s i ) 才能进行相应的相干解调,另外,空时编码的译码也需要有较为 准确的信道状态信息才能完成。因此,在m i m o o f d m 系统中,信道估计是接收机 2 一 华北电力大学硕士学位论文 设计的一项主要任务。 信道估计一般可以分为基于训练序列的方法【1 1 、基于导频的方法【2 】和盲估计方 法三类。虽然上述各方法在o f d m 系统中都有实现,并能取得较好的性能,但并不 适用于m i m o o f d m 系统。因为m i m o o f d m 系统的接收信号是多个发射天线发 送信号的衰落和加性噪声的叠加,若采用上述算法进行信道估计,对于某个特定的 发射接收天线对来说,来自于其他天线的信号即为干扰,出现信号噪声功率比常常 在o d b 以上的情况,从而带来很大的估计误差,导致系统性能的急剧下降,因此, m i m o o f d m 系统的信道估计是一个充满挑战且极具研究意义的研究领域。 1 3mim o - o f d m 系统信道估计的研究现状 信道估计是指接收机获知信道状态信息( c s i ) 的方法和过程,准确的信道估 计是提高接收机接收性能和数据传输质量的关键。m i m o o f d m 系统信道估计方法 分为三类:基于导频的估计、盲估计和半盲估计。 基于导频的估计方法分配一定的带宽用于导频信号的传输【3 ,4 】,通过导频符号和 数据符号的频域相关性或时域相关性获得信道状态信息【5 1 ,具有复杂度低和时延小 的特点,有很强的实用性。其缺点是可靠性不高,同时导频的插入增加了符号开销。 文献【6 】中,研究了一种基于梳状导频和改进的数据频域插值的算法。文献【7 1 中,设 计了基于慢衰落信道的导频辅助最小平方( l e a s ts q u a r e ,l s ) 估计器。文献【8 】和 文献【9 】提出了基于卡尔曼滤波的时变m i m o o f d m 信道估计方法。文献【1 0 】和文献 【1 1 】提出了代价函数均方误差( m e a ns q u a r ee r r o r ,m s e ) 最小化方案。为了提高 m i m o o f d m 信道l s 估计性能,文献【1 2 】设计了最优导频序列和最优导频插入方 案。文献【1 3 和文献【1 4 】提出了两种最大期望( e x p e c t a t i o nm a x i m i z a t i o n ,e m ) 算 法:经典e m 和空间交互e m ( s p a c ea l t e r n a t i n gg e n e r a l i z e de m ,s a g e ) ,并对其 收敛性能进行了比较。对于快衰落信道,o f d m 系统的载波间干扰( 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 l ) 极其严重。为了降低i c i ,人们提出了很多检测方案,为了提高 存在i c i 时的信噪比,文献【4 1 提出带i c i 消除的迭代信道估计算法。 盲估计是指不使用导频信息,依赖于发送数据的统计特性【1 5 】或确定性信息 l l6 1 7 j ,通过相应信号处理技术获得信道的估计值。该方法要求较长的数据观测时间, 收敛速率慢,使得统计法难以应用于快衰落信道,同时,计算复杂度高,使得确定 性方法只能适用于某些应用中。 半盲信道估计【1 8 , 1 9 】是在盲信道估计的基础上发展起来的,它利用尽量少的导频 信号或训练序列来确定盲信道估计算法所需的初始值,然后利用盲信道估计算法进 行跟踪、优化,获得信道参数。半盲信道估计方法可以分为三类:第一类是利用特 3 华北电力大学硕士学位论文 殊编码和特殊导频序列的半盲估计方法,比如利用v i t e r b i 编码【2 们,利用前导频信号 1 2 1 】等;第二类是使用k a l m a n 滤波器实现半盲信道估计的算法【2 2 冽;第三类是基于 子空间分解的半盲估计算法,这类算法是使用少量导频信号来确定模糊矩阵的半盲 估计方法【2 4 , 2 5 】。 由于盲信道算法运算复杂度较高,目前还存在很多问题,难以实用化。而半盲 信道估计算法有望在非盲算法和盲算法的基础上进行折衷处理,从而降低运算复杂 度。可以预计,对盲及半盲信道估计的研究将成为无线信道估计研究的热点。 1 4 本文研究的主要内容及论文安排 本论文的主要任务是研究m i m o o f d m 无线通信系统中的信道估计算法。首先 研究了现有的基于导频的估计算法,发现尚存在的不足之处,对此提出了一种改进 方案,最后对改进前后的算法性能进行仿真分析和对比。 论文的内容安排如下: 第二章介绍m i m o 技术和o f d m 技术,包括其基本原理、系统结构、关键技 术以及存在的优缺点;介绍m i m o o f d m 系统模型以及关键技术;对无线信道的特 性进行全面的分析,介绍了多径衰落信道中相干时间,相关带宽,多谱勒频移等基 本概念,以及基于j a k e s 模型的多径衰落信道的仿真方法;介绍了m i m o 信道模型 并仿真了其信道容量。 第三章介绍基于导频的m i m o o f d m 系统信号模型,分析导频图案的形式,给 出了一种优化导频设计方案;研究常用的信道估计方法,对影响估计性能的主要因 素之一的插值算法展开讨论,同时提出了变换域插值的一种改进方法,最后对这种 算法进行性能仿真。 第四章研究m i m o o f d m 系统基于子空间的盲信道方法,并进行了仿真分析。 第五章总结全文工作,提出迸一步研究的方向。 4 华北电力大学硕士学位论文 d m 系统原理及无线信道分析第二章川m 0 - 0 f 2 10 f d m 技术 正交频分复用( o f d m ) 是一种特殊的多载波传输方案【2 6 1 ,既可以看作是一种 调制技术,也可以被当作一种复用技术。在传统的多载波传输的频分复用( f d m ) 系统中,发射端在不同的频率上发射信号,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 个子载波组合而成,然后在o f d m 系统中传输。在o f d m 信号内的所有子载波在 时间和频率上同步,使得子载波间的干扰被严格控制。这些复用的子载波在频域上 交错重叠,但因为调制的正交性且采用循环前缀作为保护间隔,所以不会发生载波 间干扰。 2 1 10 f d m 基本原理 o f d m 是多载波调制( m c m ) 技术的一种。m c m 的基本思想是把数据流串并 为速率较低的子数据流,用它们分别调制路的子载波后再并行传输。因子数据 流的速率是原来的1 ,即符号周期扩大为原来的倍,远大于信道的最大延迟扩 展,这样m c m 就把一个宽带频率选择性的信道划分为了个窄带平坦衰落信道, 从而具有较强的抗多径衰落和抗脉冲干扰的能力,特别适合于高速无线数据的传 输。o f d m 是一种子载波相互混叠的m c m ,因此它除了具有上述m c m 的优点外, 而且其子载波虽然在频域上相互重叠,却能在接收端被分离出来。 o f d m 的子载波集采用两两正交的正弦或余弦函数集。个子信道载波频率分 别为厂1 ,尼,a ,满足 一f o + 七瓦,k = l ,2 ,其中h 为码元持续时间。o f d m 信号的频谱如图2 1 所示。 l 图2 - 1o f d m 的频谱 由图可见,每个子载波的峰值对应于所有其它子载波频谱中的零点,也就是说 这些子载波是相互正交的,上千个子载波重叠在一起,整个频谱几乎是矩形。由于 5 ( i f f l f f t ) 实现调制和解调,通过这样的信号处理技术能够避免硬件实现的难题, 也可以显著地降低运算复杂度。 应用o f d m 的一个主要原因是它可以有效地对抗多径时延扩展。通过把输入的 数据流串并变换到个并行的子信道中,使得每个用于去调制子载波的数据符号周 期可以扩大到原始数据符号周期的倍,因此时延扩展与符号周期的比值也降低 倍。为了最大限度地消除符号间干扰,还可以在每个o f d m 符号之间插入保护间隔, 而且该保护间隔长度疋一般要大于信道的最大时延扩展。这样一个符号的多径分量 就不会对下一个符号造成干扰。在这段保护间隔内,可以不插入任何信号,即是一 段空闲的时段【2 8 l 。然而在这种情况下,由于多径传播的影响,则会产生信道间干扰 ( i c i ) ,即子载波之间的正交性遭到破坏,不同的子载波之间产生干扰。 6 华北电力大学硕士学位论文 为了消除由于多径时延所造成的i c i ,o f d m 符号需要在其保护间隔内插入循 环前缀信号( c y c l i cp r e f i x ,c p ) ,如图2 - 2 所示。从图中可以看出循环前缀中的信 号与o f d m 符号尾部的宽度为乙的部分相同。填入c p 能够消除由于多径时延所造 成的子载波间干扰( i c i ) ,在接收端去掉c p 后,输入数据与信道有限冲激响应的 线性卷积可以转化成循环卷积。 弓 r 一乏乏 图2 - 2o f d m 符号的循环前缀 另外也可以在保护间隔内填零( z p ,z e r o p a d d i n g ) ,这样既能消除码间干扰, 又保留了整个线性卷积,能够恢复c p o f d m 系统中的分集损失,而且,无论信道 零点的位置如何,都能有效保证符号的恢复和均衡器的性能,但会增加接收端的复 杂度【2 9 ,3 0 1 。 - 这个o f d m 的调制解调过程如图2 3 所示。 输制粪曩 输出售号i # j | 由- - - 1 转换 调制 映射 解调 映射 插入 保护 问隔 移去 保护 间隔貉 露j 图2 - 3 基于i f f t f f t 实现的o f d m 系统框图 2 1 20 f d m 技术的主要优缺点 o f d m 以其较高的频谱利用率、很强的抗干扰和抗衰落能力得到了广泛的应用, 尤其在高速移动数字通信中占据着重要位置。在无线宽带接入、第四代移动通信和 铁路运输等部门的无线网络中,o f d m 技术都将成为核心技术之一。对o f d m 系统 进行分析可以发现,该技术存在明显优点的同时,也存在明显的缺点。 o f d m 技术的优点: ( 1 ) 很高的频带利用率。传统的并行传输系统将整个信号的频带分成个不相 重叠的频率子信道,每个子信道传输单独的符号,实现频分复用,虽然这种做法可 以避免信道间的干扰,但是它的频带利用率很低,o f d m 系统由于各个子载彼之间 是正交的,相邻的两个子载波有一半交叠在一起,节省了频谱资源,同时由于正交 7 华北电力大学硕士学位论文 又可易于实现解调。 ( 2 ) 很强的抗多径衰落的能力。o f d m 之所以具有很强的抗多径衰落的能力 有以下两个方面的原因:首先,在相同的数据速率的情况下,o f d m 系统每个符号 的持续时间r 是单载波时的符号持续时间瓦的倍,这样与信道的最大多径扩展 瓦相比,满足d 瓦,所以系统在一般情况下是不会产生符号间干扰( i s i ) 的。其次, 每一个o f d m 符号之前都要加上循环前缀的,也是消除i s i 同时避免i c i 一种有效 的方法。 ( 3 ) 抗窄带干扰和良好的纠错能力。由于o f d m 信号是通过许多相互正交的 子载波信道传输的,在一个窄带内的干扰并不会使大部分的子信道遭受破坏,一般 只影响其中的几个子载波信道,若这几个子载波信道传输的数据无法接收,则利用 相邻子载波信道正确接收的数据,通过适当的信道编码模式和纠错技术,可以纠正 由于频率选择性衰减和突发干扰而丢失的数据符号。因此,o f d m 系统比传统的单 载波系统有更好的抗窄带干扰和良好的纠错能力。 ( 4 ) 简单的信道均衡技术。循环前缀的加入将信道的线性卷积作用变为循环 卷积,从而在离散频域看表现为频域信号和信道频响的乘积,所以,o f d m 系统的 接收端只要估计出信道频响,就可以用一个简单的除法运算消除信道对数据的影 响,得到传送数据。o f d m 系统的均衡由此大为简化,而不需要向单载波系统那样 进行复杂的时域均衡了。在给定的时延扩展下,o f d m 实现的复杂度明显低于使用 均衡技术的单载波系统。 ( 5 ) o f d m 信号调n 解调实现简单。利用i f f r 和f f t 技术可以有效地实现 o f d m 信号的调制和解调,不需要使用多个子载波振荡器和相干解调器组,设备复 杂度较传统的多载波系统大大下降。 ( 6 ) o f d m 系统各子载波上的调制方式可以灵活控制,容易通过动态调制和 能量分配充分利用衰落小的子载波信道,避免深衰落子载波信道对系统性能带来的 不利影响【3 1 1 。 o f d m 技术的缺点: ( 1 ) o f d m 信号有可能产生过高的峰值平均功率比( p a r ) 3 2 】。在o f d m 系 统中,o f d m 信号由多个子载波信号组成,这些子载波信号由不同的调制符号独立 调制,由于传送的数据是一个随机过程,信号的幅度也是一个随机过程。根据中心 极限定理,如果子载波的数量很多,o f d m 符号则服从复高斯分布,其幅度服从瑞 利分布,所以o f d m 信号的峰值功率与平均功率之比有时就会很大。比如由符号调 制后的子载波都具有相同的相位,那么相加后得到的o f d m 信号就具有很高的 8 华北电力大学硕士学位论文 p a r 。较大的峰值平均功率会提高d a 和a d 转换器,以及功率放大器的复杂度, 并会引入非线性失真,从而增大比特错误率。 ( 2 ) 与单载波系统和传统的并行传输系统相比,o f d m 系统对频率偏移和相 位噪声更敏感。通信双方的同步对于数字通信来说是至关重要的问题,它直接关系 到双方是否能够正常通信。移动通信中收发双方可能由于本地振荡器不稳定而发生 频率偏移,或者由于多谱勒效应导致双方频率偏差。o f d m 系统要求子载波之间正 交,收发双方的频率偏差会破坏子载波之间的正交性,它不仅降低了子载波上的信 号功率,更糟糕的是会导致i c i ,而对于单载波系统而言,相位噪声和频率偏移只 会使信噪比有所降低,并不会引入干扰。所以o f d m 系统对频率偏移和相位噪声更 敏感。 上面便是o f d m 系统存在的缺点,克服这些缺陷或者是尽量减小这些缺陷对系 统性能的影响就成为现在的研究热点。只有这些问题得到圆满的解决,o f d m 才能 更成熟地应用于未来的通信领域中。 2 2mlm o 技术 在无线信道中实现对多媒体业务的支持是通信系统发展的必然趋势,高速无线 数据接入业务与用户数量的迅速增长,要求更高速率、更大容量的无线链路支持, 而决定无线链路传输效能最根本的因素是信道容量。m i m o 系统在无线通信链路的 发射端和接收端都使用多个天线,在发送端将用户的数据信息分成多路并行信号并 采用空时编码技术分别由多个天线同时、同频段发送;接收端依靠空时解码与信号 处理算法来恢复发送信息,理论上可极大提高系统容量和数据传输速率,并能增强 通信系统的抗干扰、抗衰落能力。m i m o 技术被认为是最有可能应用到未来无线通 信的关键技术之一。 m i m o 系统是在无线通信链路的发射端和接收端都使用多个天线的系统结构, 以此在抑制多径衰落的同时提高系统信道容量,通过采用基于多信道的空间或极化 分集来实现分集增益。典型的m i m o 系统模型如图2 4 所示。 信道 矩阵 h 图2 4m i m o 系统模型 9 华北电力大学硕士学位论文 2 2 1mim 0 空时编码 所谓空时编码就是在空间域和时间域两维方向上对信号进行编码,空时编码能 够较为明显地增加无线链路可靠性并改善系统性能。空时编码大致上有三种方式: ( 1 ) 空时格码( s p a c e t i m e t r e l l i sc o d e ,s t r c ) :空时格码最早是由v t a r o k h 等人提出的,该空时编码系统中,在接收端译码采用维特比译码算法。空时格码设 计的子码在不损失带宽效率的前提下,可提供最大的编码增益和分集增益。最大分 集增益等于发射天线数。空时格码虽然能获得很大的编码增益和分集增益,但是由 于在接收端采用维特比译码,其译码复杂度随着天线数和网格码状态数的增加成指 数增加,因此在实际中应用有些困难。 ( 2 ) 空时分组码( s p a c e t i m eb l o c kc o d e ,s t b c ) :s t b c 编码最先是由 a l a m o u t i 引入的,采用了简单的两天线发送分集编码的方式。这种s t b c 编码最大 的优势在于,采用简单的最大似然译码准则,大大降低了译码复杂度,而且仍能获 得完全的天线增益。t a r o k h 等人进一步将两天线s t b c 编码推广到多天线的形式, 提出了广义正交设计准则。 ( 3 ) 分层空时码( l a y e r e ds p a c e t i m ec o d e ,l s t c ) :分层空时码最早是由贝 尔实验室提出的一种m i m o 系统的空时编码技术,即b l a s t ( b e l l l a b sl a y e r e d s p a c e t i m e ,贝尔实验室分层空时) 结构。b l a s t 可分为两种结构:对角结构 ( d b l a s t ) 和垂直结构( v - b l a s t ) 。b l a s t 的实现比较简单,将调制符号流进 行串并转换即分层后,送往各自对应的天线即完成了编码过程,另外其解码也不太 复杂,但缺点是分集增益差。因此如何提高b l a s t 的性能就是v - b l a s t 走向实用 化的一个关键,现在比较有效的方法包括b l a s t 与m l 的结合、b l a s t 与分集空 时码的结合、球形译码和m o n t ec a r l o 方法等。 2 2 2 m 0 技术的优缺点 m i m o 是能够把有效性和可靠性都发挥到极致的技术,达到极致的有效性可以 通过分层空时复用( l s t ) 来实现,但同时引入增强的空时干扰,导致可靠性下降, 另外,达到极致的可靠性可以通过空时编码( s t c ) 来实现,但同时利用冗余导致 有效性下降。 m i m o 技术的优点可以通过下面三个增益来概括: ( 1 ) 阵列增益。阵列增益是指由于接收机通过对接收信号的相干合并而获得 的平均s n r 的提高。在发射机不知道信道信息的情况下,m i m o 系统可以获得的阵 列增益与接收天线数成正比。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 复用增益。在采用空间复用方案的m i m o 系统中,可以获得复用增益, 即信道容量成倍增加。信道容量的增加与m i n ( n r r ) 成正比,其中坼和帐分别为 发射天线数和接收天线数。 ( 3 ) 分集增益。在采用空间分集方案的m i m o 系统中,可以获得分集增益, 即可靠性性能的改善。分集增益用独立衰落支路数来描述,即分集指数。 m l m o 技术的缺点具体表现在: ( 1 ) 空间相关。空间特性是维系m i m o 性能的关键,无论从有效性的并行子 信道和可靠性的分集指数都和空间独立性有关,空间相关导致的低秩和低分集指数 都极大影响着m i m o 的信道容量和误码性能。 ( 2 ) 空间干扰。这是空时复用最直接的影响,在没有空间分集可利用的系统 中恢复各发射天线等功率的信号必定造成的判决性能的下降,因此,接收端的干扰 消除算法能够保证系统性能的关键。 2 3mlm 0 - 0 f d m 系统 2 3 1 m 0 - 0 f d m 系统概述 最初的m i m o 系统特性及实现方案的研究均是针对窄带系统,但是未来无线通 信系统是宽带系统,面临可能导致破坏性结果的码间干扰问题。因此,在宽带应用 中必须寻找具有优化的性能、复杂度折中的信号处理方案以发挥m i m o 提高频谱效 率的潜力。 目前宽带m i m o 系统方案可分为两类:空时均衡m i m o 系统和o f d m 调制 m i m o 系统【3 3 1 。前者主要借助于空时m i m o 均衡,将宽带频率选择性衰落信道恢复 成平坦衰落信道,从而使窄带m i m o 方案下的系统设计得以延伸至宽带应用。典型 的m i m o 均衡方法有线性m i m o 均衡、m i m o 判决反馈均衡以及更为复杂的空时 t u r b o 均衡等。一般,m i m o 均衡器复杂度较高。 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,受到了广泛的重视。大量研究人员认为m i m o 和o f d m 技术将成为4 g 的核心技术,窄带m i m o 系统中的基本概念和结论可以进 一步推广到m i m o o f d m 系统中。 m i m o 和o f d m 技术能够解决带宽效率和多径衰落。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,减少了多径衰落的影响。而m i m o 技术能 够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流,在不增加系统带宽的情况下 增加频谱效率,有效地提高了系统的传输速率。这样,将m i m o 和o f d m 两种技 1 1 华北电力大学硕士学位论文 术相结合,就能达到两种效果:一种是实现很高的传输速率,另一种是通过分集实 现很强的可靠性。 理论上来说,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被消除。因此如果没有 功率和带宽的限制,可以用o f d m 技术实现任何传输速率。而其他技术不具备这种 特性,采用其他技术,当数据传输速率增加到某一数值时信道的频率选择性衰落会 占据主导地位,此时无论怎样增加发射功率也得不到改善,这正是o f d m 技术适用 于高速无线局域网的原因。而m i m o 系统虽然在一定程度上可以利用传播中的多径 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。而m i m o 和o f d m 技术的结合可以很好地解决以上的问题。 利用o f d m 技术把频率选择性深衰落信道转变成多个子载波的平坦衰落信道; 利用m i m o 技术在不增加带宽的条件下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。 研究表明,在衰落信道环境下,o f d m 系统非常适合适应m i m o 技术来提高容量。 2 3 2 m o - o f d m 系统的关键技术 。 m i m o o f d m 系统中的几项关键技术包括【”】: ( 1 ) 空时或空频编解码 在m i m o 系统中,空时频编解码是核心技术之一。只有通过空时频编解码才能 够恢复从各个接收天线上得到的叠加信号,从而实现空间复用来增大数据传输率或 者空间分集所织姬的系统可靠性。对于m i m o o f d m 系统来说,因为o f d m 系统 存在频率分集,所以还可以进行空频编解码。m i m o o f d m 系统具体采用空时还是 空频,或者空时频编码,要视实际应用的信道。 ( 2 ) 帧同步和载波频偏估计 对于任何突发模式的传送,帧同步都是必须的。在建立连接的时候,需要进行 能量检测,知道数据开始传输,并且要找到数据的到达时刻。接收天线f 上的接收 信号y f ( f ) 来自m 个发射天线,并且每个发射天线j 到接收天线f 的信号还都有l i | 径叠加,即y i ( t ) l 妇n r x l u 个信号叠加而成,这就给帧同步带来困难。在解决好帧同 步问题后,帧头还可以用作载波频偏估计。 ( 3 ) 采样时钟的同步和细载波频偏的纠正 o f d m 系统对采样同步的频差非常敏感,当收发端采样时钟存在频偏时,就会 引起i c i ,而且时钟频偏的累积还会导致符号边界的偏移,进而引起i s i 。 传统的o f d m 时钟同步的方法是在时域采用导频数据迟早相关方法来检测时 1 2 华北电力大学硕士学位论文 钟相偏的符号,然后以此控制d 转换的采样时钟频率,最终消除时钟的相偏和频 偏;或者在频域利用导频数据直接计算时钟相偏,然后以此控制内插环路来补偿时 钟的相偏和频偏。 但上面两种方法应用到m i m o o f d m 中时,由于信道中存在多径,它们的性能 会急剧恶化,存在一定局限。 载波频率会随着信道的变化发生微小的偏移,利用帧头作的载波频偏估计和实 际的载波频偏也存在一定的剩余误差( 称为残差) 。由于o f d m 系统对载波频率同 步的敏感性,在解调数据的过程中对微小载波频偏的继续估计和跟踪就很有必要, 而细载波频偏估计和跟踪同样受多天线和多径的影响而变得困难。 在这种多径的m i m o o f d m 系统中,可以采用直接估计采样频偏的方法,而不 去估计相位,并可以对纠正了采样频偏的信号进行细载波频偏估计,可以用锁相环 环路对两种偏差进行跟踪的方法。 ( 4 ) 信道估计 在m i m o o f d m 系统中,由于o f d m 是一个频分复用系统,信道由子信道组 成,因此信道估计要细分到子信道。在m i m o o f d m 系统中的信道估计不但重要, 同时也是技术上的一个难点。 m i m o o f d m 技术是联合o f d m 和m i m o 得到的一种新技术,它利用了时间、 频率和空间三种分集技术,使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。而且, 当信道情况好的时候,可以使用空间复用的编码方式,成倍地提高传输速率。m i m o 和o f d m 作为未来b 3 g 的核心技术,二者相结合在提高无线链路的传输速率和可 靠性方面具有巨大潜力。 2 4 无线衰落信道的传输特性 在复杂的移动无线通信环境中,电磁波传播的机制是多种多样的,但总体上可 以归结为反射、绕射和散射。当电磁波遇到比其波长大得多的物体时就会发生反射; 当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时会发生绕射;当无线电波遇 到粗糙表面时,反射能量散布于所有方向,这种现象称为散射。在城市的蜂窝无线 环境中,由于周围高大建筑物的遮挡,从发射机和接收机之间很少有可视路径传播 信号,到达接收机的信号都经历了各种障碍物的反射、绕射和散射。因此,接收信 号是由各种散射、反射和绕射信号组成,由于各个信号的传播路径和传播时间不同, 它们到达接收机的时间、幅度和相位也各不相同,这些信号的相互作用造成了瞬时 接收信号相位和幅度的随机波动,这也就是通常所说的多径衰落。多径衰落是移动 无线信道最基本的特性。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 文献1 3 5 中指出,陆地移动通信无线信号可以用三种传播机制来表征,三种传 播机制是根据距离尺度大小来区分的,大尺度的传播机制是用来描述区域均值,它 具有幂定律传播特征,既中值信号功率与距离长度增加的某次幂成反比变化;中尺 度的传播机制描述的是阴影衰落,它是重叠在大尺度传播特性的中值电平上的平均 功率变化,当用分贝表示时,这种变化趋向于正态( 高斯) 分布,通常称为对数正 态阴影;最后,小尺度上信号包络的变化是描述多径衰落的,它通常服从瑞利概率 密度函数,因而也称为瑞利衰落。图2 5 对移动无线信道的衰落特性进行了概括描 述。 图2 5 移动无线信道的衰落特性 2 4 1 大尺度衰落
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