（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统中编码技术的研究.pdf

武汉理t j 入学硕士学位论文 摘要 正交频分复用( o f d m ) 是种多载波传输技术常用于抗频率选择性衰落或 窄带干扰。但是为了进一步增加系统的容量，提高系统传输速率，单纯使用 o f d m 技术的宽带无线通信手段需要大量增加子载波的数量，而这种方法会大 幅增加系统的复杂度，并大量占用系统带宽，势必很难适应目前带宽和功率有 限的无线局域网应用环境。而m i m o 技术能在不增加带宽的情况下成倍提高通 信系统的容量和频谱利用率，因此将m i m o 与o f d m 相结合可以实现在频率选 择性衰落信道中提高频谱利用率，例如b l a s t o f d m 。但是，为了降低路径损 耗给n i m 0 0 f d m 系统带来的影响，提高接收的正确度，采用好的编码也是非常 重要的。 本文主要研究了未来无线通信应用的m 1 m 0 - 0 f d m 系统中的编码技术，具体 内容包括空频码、t u r b o 码和分层空时码三部分。并提出一个更为有效的t u l s t 方法。利用迭代均衡算法实现循环纠错，即使在高速移动的环境中也能抵抗快 速衰减。并且将m i m o o f d m 系统与空频分组码和t u l s t 进行级联，实现空间、 时间和频率的最优化组合。本文结构如下： 第一章简要回顾了无线局域网的发展以及o f d m 的基本原理。并介绍了本 文的各章节安排。 第二章首先介绍了移动通信中的无线移动信道的特点，及其造成的衰落效 应。其次，分析了m 1 m o o f d m 系统的原理框图，并建立m i m o o f d m 系统 模型。最后，我们指出m i m o 系统的改进方向是调制和纠错问题，从而引出本 文研究的方向。 第三章主要介绍了空频码的编码原理和解码算法通过建立s f b c o f d m 系统，分析了空频分组码的成对错误概率，并给出了获得最大分集的设计标准， 从而得出多径时延影响空频分组码的原因。 第四章简要的分析t u r b o 码译码特点和b l a s t 技术特点，建立了t u l s t 编码方式。并对t u l s t 码的设计和编译码算法进行了详细的分析。最后通过仿 真结果米验证t u l s t 编码方式。 第五章将s f b c o f d m 系统与t u l s t 编码进行级联，并通过性能分析和 仿真结果验证系统的可行性和有效性。 关键词：m i m o o f d m ，空频分组码，t u r b o 码，b l a s t ，t u l s t 武汉理j 一大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eo n 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 ) s y s t e mi sm u l t i c a r r i e r s y s t e m s a n du s u a l l yu s e dt oc o m b a tf r e q u e n c ys e l e c t i v e f a d i n g o rn a r r o w b a n d i n t e r f e r eb u ti no r d e rt oi n c r e a s et h es y s t e m a t i cc a p a c i t yf u r t h e r ，r a i s et h es y s t e m a t i c t r a n s f e rr a t e ，o n l yu s eo f d m t e c h n o l o g yb r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm e a n s t on e e dt oi n c r e a s et h e q u a n t i t yo f t h es u bs i g n a lc a r r i e rs i m p l yi nal a r g ea m o u n t ，a n d t h i sk i n do fm e t h o dw i l li n c r e a s es y s t e m a t i cc o m p l e x i t yb yaw i d em a r g i n ，a n dt a k e u pt h es y s t e m a t i cb a n d w i d t hi nal a r g ea m o u n t ，c e r t a i n l yw i l l b ev e r yd i f f i c u l tt o a d a p tt ot h el i m i t e db a n d w i d t h a n d p o w e r w i r e l e s sl a na tp r e s e n t b u tm u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) s y s t e m sc o u l di m p r o v et h ec a p a c i t yo f t h ec o m m u n i c a t i o n s y s t e ma n ds p e c t r a lu t i l i z a t i o nr a t i oa td o u b l ei nc a s eo f n o ti n c r e a s i n gb a n d w i d t h t h e r e f o r e ，c o m b i n gt h e s et e c h n i q u e st of o r mam i m o o f d m s y s t e mi sap r o m i s i n g s c h e m ef o ra c h i e v i n gh i g hd a t ar a t e sf o rt h ef u t u r eb r o a d b a n dw i r e l e s sn e t w o r k si n f r e q u e n c y s e l e c t e d c h a n n e l ，e x a m p l e b e l l l a b s l a y e r e ds p a c et i m ef b l a s t ) o f d m s y s t e m b u t ，i ti sa l s oi m p o r t a n tf o rm i m o o f d ms y s t e m s t oa d o p tt h eg o o d c o d i n gt od e c r e a s eb a de f f e c to f m i m o o f d m s y s t e m sc o m i n g f r o m p a t hw a s t ea n d i m p r o v ea c c u r a c yo f r e c e i v es i g n a l s t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h ec o d et e c h n o l o g yo fm i m o o f d m s y s t e mu s e di n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，s u c ha s ，s p a c ef r e q u e n c yc o d i n g ，t u r b oc o d i n ga n db l a s t c o d i n g a n dp u tf o r w a r dam o r ee f f e c t i v et u l s ts c h e m e i tt a k e si t e r a t i v ed e t e c t i o n a n dd e c o d i n ga l g o r i t h mt or e a l i z ec i r c u l a t i o nc o r r e c te r r o ra n dc a l lr e s i s ta n dd e c r e a s e f a s tf a d i n gi nt h eh i g h s p e e dm o b i l ee n v i r o n m e n t a tl a s tw ec o m b i n em i m o o f d m s y s t e mw i t hs p a c ef r e q u e n c yb l o c kc o d ea n dt u l s tc o d e t or e a l i z et h em o s t o p t i r a i z a t i o nc o m b i n a t i o no fs p c e ，l i m ea n df r e q u e n c y t h es t r u c t u r eo ft h i sp a p e ri s a sf o i l o w s ： c h a p t e ro n er e v i e w e dt h ed e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sl a na n db a s i cp r i n c i p l e o fo f d m b r i e f l y a n dt h e n r e c o m m e n d e d e v e r yc h a p t e ra r r a n g eo f t h i sp a p e r c h a p e rt w oi n t r o d u c e d t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ew i r e l e s sm o b i l ec h a n n e li n m o b i l ec o m m u n i c a t i o na tf i r s t ，a n dt h ef a d i n ge f f e c tc a u s e d s e c o n d l y , a n a l y s et h e i i 武汉理 | 大学硕士学位论文 p r i n c i p l e b l o c k d i a g r a m o fm 1 m o - - o f d m s y s t e m a n ds e t u p m i m o - - o f d m s y s t e m a t i cm o d e l f i n a l l y ，w ep o i n to u tt h ei m p r o v e m e n td i r e c t i o no fm i m os y s t e m i s m o d u l a t i n ga n de r r o r c o r r e c t i n gq u e s t i o n ，t h e nd r a wt h ed i r e c t i o n i nw h i c ht h i s p a p e r s t u d i e s c h a p t e rt h e r em a i n l yi n t r o d u c e ds p a c ef r e q u e n c yc o d ep r i n c i p l ea n dd e c o d e d a l g o r i t h m s ，a n da n a l y s e dt h ep e r o f s p a c ef r e q u e n c y b l o c kc o d ea n dp r o v i d e dd e s i g n s t a n d a r d sa b o u th o wt oo b s t a i nt h e l a r g e s t d i v i s i o n g a i nt h r o u g hs e t t i n gu p s f b c o f d m s y s t e mt h u sw e d r a wt h er e a s o nw h ys p a c ef r e q u e n c yb l o c kc o d ec a n b ee f f e c tb ym u l t i p a t h d e l a y c h a p t e rf o u r , b r i e fa n a l y s i sd e c o d ec h a r a c t e r i s t i co ft u r b oc o d ea n db l a s t c o d i n gt e c h n o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c ，a n dh a v es e tu pt u l s tc o d em e t h o d a n dh a s c a m e do nd e t a i l e da n a l y s i st ot h ed e s i g no ft u l s tc o d ea n dt h ec o d i n ga n dd e c o d i n g a l g o r i t h m v e r i t yt u l s t c o d em e t h o d t h r o u g ht h e a r t i f i c i a lr e s u l tf i n a l l y c h a p t e rf i v e ，c a r r y o ns f b c o f d m s y s t e r ma n dt u l s tc o d eo n e g r a d eo f a n t i t h e t i c a l c o u p l e t s ，a n dv e r i f ys y s t e m a t i cf e a s i b i l i t y a n d v a l i d i t yt h r o u l 曲t h e a n a l y s i so fp e r f o r m a n c e a n da r t i f i c i a lr e s u l t k e y w o r d s ：m i m o o f d m ，s p a c e f r e q u e n c y b l o c k c o d e ( s f b c ) ，t u r b o c o d i n g b l a s t ，t u l s t c o d i n g 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 无线局域网技术是计算机网络技术与无线通信技术相结合的产物，目前流 行的无线局域网技术主要有美国电气和电子工程师协会( m e e ) 推出的8 0 2 1 1 标准，欧洲电信标准化协会( e t s i ) 制定的h i p e r l a n 标准以及蓝牙技术，红外 系统技术和h o m e r f 技术【1 1 。其中，8 0 2 1 1 作为第一个在国际上被广泛认可的标 准，主要用于解决办公室局域网和校园网中设备的无线接入。但是随着社会需 求的不断增长，已有的技术产品能够提供的服务种类，传输速率等还远远不能 满足人们的需求。这就需要人们能够发展一种速率更高，支持的业务种类更多 的w l a n 技术，i e e e 8 0 2 1 1 a 能够提供的传输速率高达5 4 m b p s ，其中最重要的 一点就是采用了正交频分复用( o f d m ) 技术【2 l 。正交频分复用( 0 f d m ) 是一 种多载波传输技术常用于抗频率选择性衰落或窄带干扰。由于o f d m 对多径时 延具有较强的鲁棒行，且频谱利用率较高，因而在无线时变信道中比单载波系 统更能实现高速数据的传输。下面简单介绍一些相关的背景知识。 1 1 无线局域网的发展 1 1 1 i e e e 8 0 2 1 1 系列标准 无线局域网( w l a n ) 以其可移动性、使用灵活、维护方便、易于扩展和 良好的性价比等优势，近年来发展十分迅速，在医院、商店、工厂和学校等不 适合网络分布的场合得到了广泛的应用。 为了让各种w l a n 技术能够被更好的接受和使用，这些技术必须要建立一 种业界标准，以确保各厂商生产的设备能够具有兼容性与稳定性。这些标准是 由i e e e ( 电器电子工程师协会，t h ei n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s e n g i n e e r s ) 所制定的，最早的标准e e e s 0 21 1 是在1 9 9 7 年提出的，初期的标准 制定了在r f 射频频段2 4 g h z 上的运用，并且提供了1 m b p s 、2 m b p s 和许多基 础信号传输方式与服务的传输速率规格1 2 “。目前1 m b p s 和2 m b p s 的w l a n 技 术和产品己相当成熟，整个系统的实现成本也正逐步下降。但与以太网( 1 0 m b p s ) 相比，w l a n 较慢的数据传输速率成了进一步发展的瓶颈。为此，i e e e 接着在 武汉理工大学硕士学位论文 1 9 9 9 年9 月又相继推出了新的高速标准：一种是采用c c k ( 互补编码键控) 技 术，支持11 m b p s 速率的i e e e 8 0 21 1 b ；另一种是采用o f d m 技术作为物理层技 术，支持6 m b p s 到5 4 m b p s 的1 e e e 8 0 2 1 l a l 3 6 1 。后来于2 0 0 3 年6 月中旬正式通 过了相当于前二者的混合标准8 0 2 1 l g 。i e e e 8 0 21 1 9 标准方案在确保兼容现有 使用24 g h z 频带的i e e e 8 0 21 1 b 的同时，实现了5 4 m b p s 的数据传输速率，使 得w l a n 的发展速度又向前迈进了一大步。i e e e 8 0 2 1 1 标准的异同点如表1 。 表1 ：i e e e 8 0 2 1 1 标准 8 0 2 1 l8 0 21 l b8 0 2 1 1 a 8 0 2 i l g 标准定1 9 9 71 9 9 91 9 9 92 0 0 3 制时间 ( 年) 频率2 ，4 - 2 4 8 3 5 g h z2 4 24 8 3 5 g h z5 1 5 - 5 2 5 g h z2 ，4 - 2 ，4 8 3 5 g 也 5 2 5 5 3 5 g h z 5 7 2 5 5 8 2 5 弛 速率 1 、2 m b p s 1 1 、55 m b p s5 4 、4 8 、3 6 、2 4 、 一2 0 m b p s 1 8 、1 2 、9 、6 m b p s 距离1 0 0 m10 0 m 3 0 0 m1 0 0 m 至几千米1 5 0 m 业务数据数据、图像语音、数据、图语音、数据、图 像像 物理层红外线、直接序高速直接序列正交频分复用直接序列扩频 传输方列扩频、调频扩扩频( o f d m ) 扩频 a频 优点成本低，己得到数据传输快，频数据传输快，可 普及段干扰小与8 0 2 1 l b 兼容 1 1 2i e e e 8 0 2 1 l a 协议 8 0 2 1 1 a 代表了新一代w l a n ，尽管8 0 2l l a 和8 0 2 1 1 b 产品非常相似，但 是8 0 2 1 l a 在整个覆盖范围内提供了更高的速度。其速率最高可以达到5 4 m b p s ， 比任何其他w l a n 解决方案都更快。另外，8 0 21 1 a 工作在5 g h z 频带，该频带 的使用者较少，因此，干涉和信号争用情况也较少。8 0 2 1l a 是非常可靠和有效 的方法，可以满足高带宽应用支持大量用户的需要一8 个不重叠信道使部署的 武汉理工大学硕士学位论文 可扩展性和灵活性更高。因此，可以将8 个a p ( a c c e s sp o i n t ) 编成一组，提供 高达4 3 2 m b p s 的共享吞吐量来支持同一地区的多个用户。另外，为了提供更高 的安全性，8 0 2 1 1 a 提供了w e p 2 ，该技术与w e p 类似，但却采用1 2 8 位加密密 匙，从而提供更高的安全。这为没有部署无线局域网的用户、期待增加或扩展 现有无线局域网的用户提供了最有价值的高性能网络选择，因此8 0 2 1 l a 将得到 广泛采用眺”。 1 2i e e e 8 0 2 1 l a 中o f d m 技术的基本理论 o f d m 是一种新的高效的多载波调制技术，它能够有效地对抗多径传播， 使受到干扰的信号能够可靠地接收，由于现代数字信号处理技术( d s p ) 和超大 规模集成电路地迅速发展，最初实现o f d m 技术的障碍，如庞大的复数运算和 高速存储器等已经不复存在，同时快速傅立叶算法也避免了并行数据传输所需 的正弦波发生器组和相关解调器组，使该技术的实现费用更趋实际。因此，这 一项技术在近几年得到广泛的普及。 1 2 1o f d m 的基本原理 o f d m ( o r t h o g o t m 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 ) 正交频分复用，是多 载波调制技术应用于无线传播环境中的典型代表。其基本思想是将信号流划分 为多路子数据流，再去并行调制多路载波。其子载波的频谱虽然重叠但保持了 良好的正交性，故称为正交频分复用。它是频谱利用率最高的一种频分复用方 式。 设o f d m 信号发射周期为t ，子载波数为n ，令厶= 五+ k v ( k = o ，l ， 2 ，n - 1 ) ，正为高频载波，4 厂为子载波之间的频率间隙，各子载波间满足正交 性，即： p 和2 订m = ：震 ( 1 - z ) 可以证明，只要当选择载波之间的频率间隔彭，使矽= 圭，即可使各载波 在整个o f d m 信号的符号周期内满足正交性。当所有载波组合在一起时，总的 频谱非常接近于矩形频谱，频带利用率理论上可以达到s h a n n o n 信息论极限。 武汉理工大学硕士学位论文 这一点同单载波比具有明显的优越性。在实际应用中，由于难以设计适当的奈 奎斯特滤波器，单载波系统的带宽利用率很少超过8 0 ，而o f d m 系统可能实 现近1 0 0 的频谱利用率”。 1 2 2o f d m 的实现 o f d m 的调制信号可以表示为： i t 4 - 1 d ( f ) = d ( n ) e x p ( j 2 月f t ) f e o ，刀 ( 1 2 ) n = o 这里d ( n ) 是第n 个调制码元，是码元周期t 加保护间隔艿( t = 占+ 正) 。各子 载波的频率为 工= ，o + 詈( 1 3 ) j 这里兀为最低子载波频率。由于一个o f d m 符号是将m 个串并变换之后并行传 播出去，所以o f d m 码元周期是原始数据周期的m 倍，即正= m t 。，当不考虑 保护间隔时，则由( 1 - 2 ，1 - 3 ) 式得到： d ( f ) - 【荟烈e x p ( j 薏) 】2 虬坝f ) 牡靠 ( 1 - 4 ) 式中x ( t ) 为复等效基带信号 猁= - 善z a ( , o e x p ( j 暑n t ) ( 1 5 ) p ) = e - 等 ( 1 5 对x ( t ) 进行抽样，其抽样速率为，即t + = k t ，则有： j x g ) = 篁n = o d ( n ) e x p ( j - 等n k ) 。j | 一1 ) ( w ) 从上式可以看出：x ( k ) = x ( t ，) 恰好是d ( n ) 的反离散傅立叶变换。所以o f d m 调制可以采用f t 来实现，相应的接收端解调则可用f f t 来完成。 o f d m 的原理框图如图1 1 ： 4 武汉理工大学硕士学位论文 寸叵卜鹰砰。叵p 壁歼雯船 古 丁 图1 - 1o f d m 原理框图 以上框图中的编码和解码实际上是映射和解映射的过程，可以采用b p s k ， q p s k ，8 p s k ，1 6 q a m ，6 4 q a m 等，并以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡 为原则，通过选择满足一定误码率的最佳调制方式可以获得最大的频谱效率。 1 2 3o f d m 存在的问题和解决方法 在无线环境中，信号的传输都会经过多条路径到达接收端，o f d m 技术可 以有效地对付多径衰落，有利于移动接收。但是单纯的使用o f d m 技术很难适 应目前带宽和功率有限的无线局域网应用环境，且无法提高频谱使用效率。而 m i m o 却可以不增加带宽的情况下成倍提高通信系统的容量和频谱利用率，因 此将m i m o 技术与o f d m 技术相结合可以实现在频率选择性衰落信道中提高频 谱利用率，例如b l a s t o f d m 。但是b l a s t - - o f d m 系统在高速的移动环境 中，或者快衰落信道中性能会受到很大的制约。本文的重点就是提出一个更为 有效的t u l s t 方法。利用迭代均衡算法实现循环纠错，即使在高速移动的环境 中也能抵抗快速衰减。并且将m i m o o f d m 系统与空频分组码和t u l s t 进行级 联，实现空间、时间和频率的最优化组合。 1 3 论文各章节安排 前面介绍了本课题相关的一些背景知识，以及提出该课题的原因。为了增 强o f d m 系统在无线环境中抗多径的能力，可以将o f d m 技术和m i m o 技术 相结合，构成m i m o o f d m 系统。而m i m o o f d m 系统中合理的选择编码技 术是提高无线通信系统进行高速率数据传输性能的关键点之一。因此，本文研 武汉理1 大学硕士学位论文 究的主要内容就是m i m 0 0 i 一 d m 系统中的编码技术，包括空频码( 主要是空频分 组码) 、t l l r b oe - 3 f u 分层卒时码等。水文的后续章节安排如下： 第二章，m i m o o i ：d m 系统分析研究：首先简要介绍移动通信中的无线移 动信道的特点，最显著的就足多径传播与衰落及其造成的衰落效应分类。其次， 分析了m i m o o f d m 系统的原理框图。而且当m i m o o f d m 系统在高速的移 动环境下多普勒频移对误码率的影响更为显著。因此，在建立m i m o o f d m 系 统模型时，我们还考虑了多普勒扩展的统计特性。最后，我们指出m i m o 系统 的改进方向是调制问题和纠错问题，从而引出本文研究的方向。 第三章，s f b c 。o f d m 系统研究，本章首先提出了m i m o o f d m 中最主要 的两种编码，空时编码技术和空频编码技术，因为它们都将分集技术与编码技 术相结合，不仅提高了多径衰落信道的通信质量和数量，还获得了更高的分集 增益。但是大多数文献都只研究了s t b c o f d m 系统性能，很少采用空频编码， 也很少关注多径时延对空频编码的影响。本章主要介绍了空频码的编码原理和 解码算法，通过建立s f b c o f d m 系统，分析了空频分组码的成对错误概率， 并给出了获得最大分集的设计标准，从而得出多径时延影响空频分组码的原因。 第四章，t l 曲。一b l a s t 系统研究，通过简要的分析t u r b o 码译码特点和 b l a s t 技术特点，讨论将b l a s t 技术与t u r b o 编码技术相结合，建立n l l s t 编码方式。并对t u l s t 码的设计和编译码算法进行了详细的分析。其中译码算 法采用基于m m s e 检测算法和并行干扰抵消的s i s o 检测器，以及基于m a p 算 法的s i s o 译码器。并且两者之间采用交织器和解交织器进行连接。检测器输出 的软信息作为先验信息，经过解交织后，送入到译码器中。而译码器输出外部 信息经过交织器后反馈到检测器作为其输入，完成一次迭代译码。当完成多次 迭代后，各译码器进行硬判决并输出用户信息序列的估计值。并通过仿真结果 验证t u l s t 编码方式的有效性。 第五章，空频t u l s t 系统研究，根据前面几章的分析，本章将s f b c0 f d m 系统与t u l s t 编码进行级联。通过对级联系统的性能分析和仿真验证，得出系 统即使是在频率选择性信道内也能获得极高的空间增益和频率增益，提高信道 的容量，而且通过使用迭代均衡算法实现循环纠错，以便在高速移动的环境中 能够抵抗快速衰落。 武汉理_ f 大学硕l 一学位沦文 第2 章m i m o o f d m 系统分析研究 在上一章绪论中简要的介绍了无线局域网，无线信道中的多径传播与衰落， 以及o f d g 系统的基本原理。o f d m 能够有效地对抗多径传播，使受到干扰的信号 能够可靠地接收。o f d m 码率低，又加入了时问保护间隔，具有极强的抗多径干 扰能力。其多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰。然而，对 于高速无线通信，单纯的o f d m 系统对抗无线环境中的多径衰落是不够的，必须 和m i m o 技术结合起来，才能更好地发挥其功效。m i m o 可以不增加带宽的情况下 成倍提高通信系统的容量和频谱利用率，因此将m i m o 技术与o f d m 技术相结合 是未来的宽带无线接入领域中必然采用的技术和关键的技术之一。 2 1 无线信道中多径传播与衰落 在建筑密集的城市地区，由于接收天线一般都不可能高于建筑物，因此收发 天线之问没有直线上的电磁波的传播，能量的传播主要依靠信号的反射、衍射 和散射。这三种传播机制会产生大量的传播路径，同个天线会接收到很多来 自不同方向、不同能量损失、不同相位的电磁波，这些电磁波叠加在一起，就 构成了接收信号，这种现象称为多径传播。即使是在间距很小的两个接受点， 多径传播的电磁波的相位差异也会很大，叠加信号的功率差别也非常大1 4 2 j 。而 对于一个接收端来说，由于环境的变化，或者发射机的移动，所接收到的信号 能量会起伏不定，呈现明显的随机波动现象，这就称为衰落。在移动接收中， 散射体的运动和接收机的运动对接收信号的影响是一致的。如果接收机和附近 的散射体始终保持一致，则所接收到的信号包络保持不变；如果二者存在相对 运动，则接收到的信号包络有起伏变化1 4 j 。 2 1 1 多径传播和影响衰落因素 天线信道中多径传播会造成衰落效应，衰落效应主要表现为三个方面： 短距离或者短时间中信号功率快速变化。 武汉理工大学硕士学位论文 不同多径信号的d o p p l e r 的频偏不同，会产生随机调频现象。 多径传播时延会造成时延扩展。 多径信号的振幅、相位和入射角都是随机分布的，即使接收天线处于静止状 态，由于信道中障碍物的运用仍然会造成信号参数的随机分布现象。无线信道 中很多的因素会影响衰落，其中包括： ( 1 ) 多径传播：无线信道中移动的反射体、散射体以及接收天线组成了一 个不断变化的传播环境，引起接收信号在幅度、相位和到达时间上的变化。随 机分布的幅度和相位使信号功率产生波动而引起衰落，也可能造成信号失真f 8 l 。 ( 2 ) 移动台的移动速度：接收天线和发射天线之间的相对运动会产生 d o p p l e r 频移，各个多径信号的d o p p l e r 频移一般都不一样。 ( 3 ) 信道中障碍物的移动速度：如果信道中有移动的物体，那么也同样会 造成多径信号的d o p p l e r 频移的差异。如果物体的移动速度大于接收天线的移 动速度，那么就要考虑这些移动物体的影响；如果小于，那么一般可以忽略不 计。 ( 4 ) 信号的带宽：如果信号的带宽大于多径信道的带宽( 多径信道可以看 成是一个时变系统，带宽可以用相干带宽表示) 接收信号就会失真，但是接收 信号的能量在很小的范围内变化也不大，即意昧着衰落现象并不严重剐”。 2 1 2 衰落类型 由于多径时延产生的衰落分为两类，一个是平坦衰落，一个是频率选择性 衰落。 ( 1 ) 平坦衰落 如果无线信道带宽大于发射信号带宽，并且信道频率响应的幅度近似为常 数，相位为线性，那么信道的频谱会保持不变，但是信道增益会随着时间变化 ( 由多径所造成) 。这种衰落称为平坦衰落，也是最常见的一种。 因而在平坦衰落信道中，信道的冲击响应可以近似的认为是一个占函数， 也就是说没有附加的延迟1 9 】o 其条件可以概括为： b ， 仃。 1 其中，b 。是信道的相关带宽，盯，是其时延扩展，b 。= = 1 ，眈和瓦分别是信号 1 5 的周期和频率。而由于信道增益的变化，接收信号的包络也将是一个随机变量， 武汉理工大学硕士学位论文 因此通常可用r a y l e i g h 分布来描述这种包络的变化。 ( 2 、频率选择性衰落 对应于平坦衰落，当信道的带宽小于信号的带宽时，那么信号中各个频率分量 的增益不同，信道波形失真，称为频率选择性衰落。当多径时延超过发送信号 的周期时，前一个信号就会落入后面的信号中，引起码间干扰( i s i ) 。一般解决 的方法有两个，一个是加宽传输频带，任何频谱中的陷落只引起一小部分信号 能量的丢失；另一个方法是把发射信号分为很多窄带的载波，就像 c o f d m o f d m ，因为原始的信号是宽带的，那么频谱中的陷落不可能出现在所 有的子载波频率上，因此只会引起一些载波的丢失，而不会引起整个信号的丢 失。而丢失载波的信息可以通过前向纠错编码恢复。因此，一般判断频率选择 性衰落的条件是： e b c ，t 。 t o ，b 。 b d 这里需要说明的是，快衰落与多径没有关系，它仅表示信道中运动物体的 变化所引起的信道响应的变化快慢。一个快衰落信道既可能是平坦衰落，也可 能是频率选择性衰落。平坦信道的冲击响应可以近似为6 函数，那么如果一个信 道是平坦快衰落信道，那么就表示此艿函数的变化率要大于发射信号的符号变化 率，一般来说，只有当数据率非常低的情况下才有可能发生快衰落。而且统计 表明，在障碍物均匀的城市街道或森林中，信号包络起伏变化近似于r a y l e i g h 分布，故多径快衰落又称为瑞利衰落。例如在郊区或非规则地形上，车速4 0 k m h ， 电波频率8 0 0 m h z 时，衰落速度达每秒3 0 一4 0 次。 ( 2 ) 慢衰落 在慢衰落信道中，信道的变化率要小于信号的符号变化率。也就是说，在 一个或者多个符号周期内信道是不变换的( 或者说变化得非常慢) ，是一个静态 的信道1 4 。相应的在频域中，信道的d o p p l e r 扩展要比基带信道的带宽小的多。 长期慢衰落服从对数正态分布，表示本地平均或对数正态衰落分量，它的幅度 是对数正态功率密度函数。慢衰落信道的条件是： t b d 显然，移动台的移动速度及基带信号发送速率，决定了信号是经历快衰落还是 慢衰落。 2 2m i m o o f d m 系统的基本原理 2 2 1m i m o 基本原理 m i m o ( m u l t i - i n p u tm u l t i o u t p u t ) 系统是一种将信号的空间域与时域处理相结 合的技术方案，空间域的处理实际上是利用了多径环境中的散射所产生的不同 子信号流的非相关性而在接收端对不同的信号流进行分离。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 通常多径会引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对m i m o 系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。m i m o 系统在通信接收、发 射双方都使用一组天线阵列，在发送端将一个用户的数据信息分成多路并行信 号，并分别由多个天线元同时、同频段发送；接收方为了分辨出不同的并行子 码流，必须使用数目不少于发送天线数目的天线组进行接收，并依靠特殊的编 码方式与信号处理过程实现子信号流的分离。最后将恢复出的子信号流合并成 原有的发送串行信号。由于m i m o 将信道视为若干并行的子信道，在不需要额 外带宽的情况下实现近距离的频谱资源重复利用，理论上可以极大的扩展频带 利用率，提高无线传输速率，同时还增强了通信系统的抗干扰、抗衰落性能f 4 ”。 目前m i m o 技术已经成为一项研究热点，2 0 0 2 年曾被美国 ( ( t e l e c o m m u n i c a t i o n s ) ) 评为十大热门通信技术之一。m i m o 技术的主要研究内 容就是发射与接收处理方案，其主要存在两种方案：空间复用和分集技术。空 间复用主要是指各种b l a s t 算法，而分集指空时编码，这两种方案的主要目标 都是使频带利用率最大化。如图2 一l 是m i m o 系统的原理框图 空时 空频 编码 c - ( k ) x - ( k ) 天 线 阵 c n ( k ) x m ( k ) 空时 空频 解码 图2 - 1 是m i m o 系统的原理框图 2 2 2m i m o o f d m 系统概念 m i m oo f d m 技术通过在o f d m 传输系统中采用阵列天线实现空间分集， 以提高信号质量，是o f d m 与m i m o 相结合而产成的一种新技术。它采用了时 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。m i m o o f d m 系统的框图如图2 - 2 。 武汉理1 7 大学硕士学位论文 图2 - 2 ：m i m o o f d m 系统框图 从图中可以看出，m i m o o f d m 系统有n 个发送天线、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变换分为多个分支，每个分支都进o f d m 处理，即 经过编码、交织、q p s k 映射、空时频编码器，插入导频信号、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，例如：去除循环前缀、f f t 变换、解码等等，同时进行信道估计、 定时、同步、m 1 m o 检测技术，来完全恢复原来的比特流f 1 “1 2 。 2 3m i m o o f d m 系统的信道模型 本文主要讨论的重点是无线局域网中的m i m o o f d m 系统，所以本节要 讨论的信道模型也是在这种环境中的信道模型。在通信系统仿真中，目前使用 的信道模型大致有两类1 2 】：一类是基于无线电磁波传播机理建立的确定性信道模 型，对信道描述比较准确，但实现较复杂；另一类是建立在大量测试数据基础 上的统计性信道模型，在这类模型中常用固定抽头系数的离散模型，比如3 抽 头、5 抽头的形式等【3 】。它实现简单，但反映了时延扩展特性。对真正的无线通 信系统而言，发送信号经过无线信道传播后，除产生时延扩展外，还受到多普 勒扩展的影响，用固定抽头系数的信道模型并不能全面反映无线信道的特点。 而且当m i m o o f d m 系统在高速的移动环境下多普勒频移对误码率的影响更为 ，心rb瞎卜u 川川? 加卵 h 阿 ，kf 入护隔 一插保问 蛩躺 l1 蛆射印映 h 织交 lh【 ll， 码鳊 叫h 并涣串转 j_-_j_【 l，卜fk 射 一陈映 暖 码解 日 串换并转 武汉理l 大学硕士学位论文 显著。因此，本丈在描述m i m o o f d m 系统时还考虑了多普勒扩展的统计特性。 假设m i m o + o f d m 系统有n t 个发送天线和n r 个接收天线，它将提供多个 空问信道，且，f 会全部同时遭受到衰落的影响。m i m o 和o f d m 技术在各自的 领域中都发挥了巨大的作用，将二者相结合并应用到下一代无线局域网中，已 成为无线通信的一个研究热点。 无线移动信道一般利用时变的信道冲激响应 ( r ；f ) 表示，s ( r ；厂d ) 是a ( f ；r ) 对 ，的傅立叶变换，即 5 ( f ；尼) = ih ( r ；t ) e 。w “d t( 2 - 1 ) 式中，f 表示时延，厶表示多普勒频移。通常，当信道不相关的传输路径条数 足够多时，尤线移动信道被看作一个高斯广义平稳非相关散射( g w s s u s ) 模型的 随机过程。于是，利用j ( f ；厶) 的二维自相关函数来描述该信道特性： r ，( f ，f ；厶，矗) = 研s ( f ；厂d ) s ( f ；尼) 】( 2 2 ) 式中，s + 表示s 的共轭。根据无线移动信道的广义平稳和非相关散射的特点，公 式( 2 - 2 ) 化简为： r ，( f ，f ；厶，厶) = j ( 厂d 一矗) j p f ) 只( f ；厂d )( 2 3 ) 式巾，只( ( 厶) 为散射函数，a ( f o 一矗) 和万0 一f ) 是冲激函数。这样，只( f ；厂d ) 完全表征了无线移动信道的特性，它提供了信道平均功率输出的度量。 由于具有时延扩展和多普勒扩展的信道冲激响应可以进一步表示为4 1 ： ) 。敷去“”砸训 ( 2 _ 4 ) 则信道可看作由l ，条不相关的路径组成，r a ( 0 = 2 石( 正+ ，d ) 。 第n 条路径的随机相位丸n h k o ，2n 】内的均匀分布；在g w s s u s 假设下，厂， 和r 的联合概率密度函数p ( r ；厶) 与e a r ；厶) 成正比。假设厶和r 相互独立，则 p ( r ；厶) 可表示成多普勒功率谱p ( 厶) 和时延功率谱p ( f ) 的乘