（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统信道估计算法的研究.pdf

摘要 在未来的宽带无线通信系统中，存在着两个严峻的挑战：无线信道的多径衰 落和频谱效率。无线信道对于可靠的视频传输具有很大的局限性。传播损耗，时 变特性，噪声，频率选择性衰落等因素会在高速数据传输时带来很高的误码率， 以至于不能提供可靠的业务质量。因此，解决视频等高速率数据业务通过无线信 道的鲁棒传输成为一个紧迫的问题。 m i m o o f d m 技术将o f d m 技术与空时编码技术有机的结合在一起，能够大 幅度的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。 本文在分析移动无线通信衰落特性的基础上，阐述了m i m o o f d m 系统的基 本原理，着重分析了采用空时分组码( s t b c ) 的m i m o o f d m 系统，并围绕该系统 中的一项关键技术一信道估计进行了深入探讨。着重研究了基于训练序列和基于 导频符号的两类信道估计方法，相应的给出了几种算法和它们的改进算法。重点 研究了时域估计算法中使用m 序列的方法，并提出了一种使用多相序列的改进算 法，使用m a t l a b 进行了计算机仿真验证。最后提出了在m i m o o f d m 系统中有待 深入研究的内容。 关键词：多输入多输出空时编码正交频分复用信道估计多相序列 a b s t r a c t t h e r ea r et w os e r i o u sc h a l l e n g e si nt h ef u t u r eb 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 n s y s t e m s ：m u l t i - p a t hf a d i n gi n t h ew i r e l e s sc h a n n e la n ds p e c t r a le f f i c i e n c y w i r e l e s s c h a n n e li sag r e a tl i m i t a t i o nf o rr e l i a b l ev i d e ot r a n s m i s s i o n t h et r a n s m i s s i o nl o s s ， t i m e - v a r y i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，n o i s e ，i n t e r f e r e n c ea n dt h ef r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n g c a u s e dw i l lb r i n gt o oh i 曲a ne r r o rr a t et op r o v i d ear e l i a b l es e r v i c eq u a l i t yd u r i n g h i g h - s p e e dd a t at r a n s m i s s i o n t h u s i tb e c o m e sap r e s s i n gp r o b l e mt os o l v er o b u s t t r a n s m i s s i o nf o rv i d e ob u s i n e s so v e rw i r e l e s sc h a n n e l s a sac o m b i n a t i o no fo f d mw i t hs p a c e - t i m ec o d i n gt e c h n i q u e ，m i m o o f d mh a s r 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 sr e c e n t l y , w h i c hc a nn o to n l ye f f e c t i v e l ye 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 ga n di n t e r f e r 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 fm i m o - o f d ms y s t e mb a s e do nt h e i n t r o d u c t i o no ff a d i n gc h a n n e l s w em a i n l ya n a l y s i st h es t b c o f d ms y s t e m ，f o c u s i n g o nt h ek e yt e c h n i q u eo fc h a n n e le s t i m a t i o ni nt h i ss y s t e m a nr e s e a r c ho ft w ok i n d so f c h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o db a s e do nc o m b - t y p e - p i l o ta n db l o c k - t y p e - p i l o th a sb e e n t a k e ni n d e p t h s e v e r a lb a s i ca n di m p r o v e da l g o r i t h m sa r eg i v e nr e s p e c t i v e l y w e f o c u s e do nt h et i m e - d o m a i ne s t i m a t i o na l g o r i t h mu s i n gm s e q u e n c em e t h o d , a n dt h e np r e s e n t sa m u l t i p h a s es e q u e n c ea sa ni m p r o v e da l g o r i t h mw i ms i m u l a t i o n su s i n gm a t l a b a tt h el a s to f t h ep a p e r , w eh o l ds o m et ob er e s e a r c h i n g f i n a l l y , w ep u tf o r w a r dt h ec o n t e n t si nt h e m i m o 0 f d ms y s t e m st ob ei n - d e p t hs t u d i e d k e y w o r d s ：m u l t i p l ei n p u t a n dm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) s p a c e - t i m ec o d e 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 ) c h a n n e e le s t i m a t i o n m u l t i - p h a s es e q u e n c e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 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， 本人签名： 本人承担一切的法律责任。 日期五凸：厶c 西安电子科技大学 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 本人签名 导师签名 守此规定) 日期圣& ：厶 日期善珥啦 第一章绪论 第一章绪论 无线通信系统从其诞生以来。一直以人们的需要为目标快速发展。随着社会 的发展，传统的语音及低速率数据业务已经无法满足人们的需求，高速无线i n t e m e t 介入，多媒体传输等业务需要更高的传输速率。但是无线信道中的衰落、多径干 扰以及噪声使得在无线环境下实现可靠的高速通信面临着前所未有的挑战。目前 较一致的看法是，下一代的无线网络将是基于统一的i p v 6 包交换方式，向用户提 供的峰值速率超过1 0 0 m b i t s ，并能支持用户在各种无线通信网络中无缝的漫游。 为了支持更高的信息传输速率和更高的用户移动速度，更大的通信系统容量，在 下一代的无线通信中必须采用频谱效率更高，抗多径干扰能力更强的新型技术。 在当前能提供高速率传输的各种无线解决方案中，以多输入多输出( 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 ) 和正交频分复用( o f d m ，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 nm u l t i p l e x i n g ) 相结合的m i m o o f d m 技术为代表的新型技术是最有前途 的方案之一。 1 1 无线通信发展历史 第一代商用无线通信系统出现于2 0 世纪8 0 年代，主要包括模拟蜂窝和无线 电话系统。典型的模拟蜂窝系统有美国的a m p s ，英国的t a c s 和西德的c 4 5 0 等。这些系统的主要工作频段是8 0 0 m h z 和9 0 0 m h z 。但是第一代无线通信系统基 于模拟技术，其缺点是频谱利用率低，抗干扰能力差，系统保密性差，系统容量 小，不适合多媒体通信业务的需要，在日益激烈的市场竞争中被淘汰了。 随着数字通信技术的发展和用户对高质量无线通信的追求，从2 0 世纪8 0 年 代末开始，无线通信发展到了以数字通信技术为代表的第二代( 2 g ) 无线通信系 统。随着数字信号处理和大规模集成电路技术的发展，第二代无线通信系统在关 键的空中接口环节采用了这些技术，其中包括信源压缩编码，数字加密，信道编 码，数字调制等。此外，在多址方式上，采用了更高效，灵活的时分多址技术 ( t d m a ) 和码分多址技术( c d m a ) 。在业务上。除了移动电话外，还支持最大 速率不超过9 6 k b p s 的窄带数据传输。 伴随着计算机的大量应用和网络技术和的不断进步，数据传输业务在现代通 信业务的比例逐年上升。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，以至于憧憬个人通信( 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 ) 机器所提供的多媒体业务即将走进人们的生活。 从目前的发展来看，3 g 无线通信系统并没有实现所有无线网络的统一以及不同无 m i m o o f d m 系统信道估计算法的研究 线网络之间的无缝漫游，根据网络结构和传输速率，3 g 无线网络可以分为3 g 蜂 窝网络和由各种w l a n 和w l p n 系统组成的宽带接入系统。3 g 通过复杂的多址 接入技术，如c d m a 或者扩展的t d m a ，这一阶段的系统有望达到超过1 0 倍与 第一代移动通信系统的容量。但是由于3 g 系统的核心网还没有完全脱离2 g 系统 的核心网结构，所以普遍认为3 g 系统仅仅是一个从窄带向未来移动通信系统过渡 的阶段。 根据无线通信系统1 0 年发展一次的特点，2 0 世纪9 0 年代末来自i t u r 推出 的3 g 移动通信标准之后，各个国家和地区为了在下一代无线通信系统的标准中占 有一席之地，纷纷启动了新一代无线通信系统的技术和标准化研究工作。有关新 一代无线通信系统的名称目前尚不统一，这些名称有4 g ，b e y o n d 3 g ， b e y o n d l m t - 2 0 0 0 等多种，我们通称为4 g 无线通信系统。 1 2 技术现状与发展趋势 目前全球范围内正在进行4 g 系统的研究和标准化工作，9 0 年代早期欧洲就 开始4 g 移动通信的研究。我国在0 2 年3 月宣布启动对4 g 的研究工作。按照目 前的研究成果和专家的预测，4 g 系统将会在2 0 1 0 年投入商业运营，最高下行速 率将达到1 0 0 m b p s 。4 g 系统同3 g 等已有的数字移动通信系统相比，4 g 系统的数 据流率会更高，服务质量会进一步增强，频谱利用率，安全性，智能性，传输质 量，灵活性等都会得到明显的提高。4 g 系统应能支持多种业务，4 g 系统应能体 现移动与无线接入网和i p 网络不断融合的发展趋势，因此4 g 系统应该是一个全 i p 的网络。 近1 0 年来，蜂窝通信和无线局域网对容量的需求呈爆炸性的增长，尤其是互 联网的无线接入和多媒体应用对信息吞吐量的增长的需求，已超过现今技术所能 支持的数据速率的几个数量级。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 ) 被认为是实现高速无线通信的可靠技术手段。m i m o 系统利用多根发射天 线和多根接收天线进行无线传输，由于存在分集增益和复用增益，可以在不占用 额外带宽的情况下，成倍的增加系统容量，极大地提高了频谱利用率。飞速发展 的集成电路带来的运算能力也使的m i m o 系统及其相关信号处理算法的实现成为 可能。 为实现任何人能在任何时间，地点进行高速的无线多媒体通信，要求未来无 线通信系统提供1 0 0 m b i t s ( 移动用户) 1 g b i t s ( 固定无线接入) 的数据传输速率。 实现这一目标的关键在于物理层高速无线传输技术的研究。 一方面，必须开辟新的频带( 更高的频率) 和带宽，并采用更为先进的宽带信号 处理技术。这些技术包括自适应均衡、自适应编码调制技术、联合发送与联合检 第一章绪论 测技术、r a k e 接收、跳频技术等。 另一方面，当前的2 g 3 g 系统的频谱效率仍然不高( c d m a z 0 0 0 ，8 0 2 1 1 等无 线系统的频谱效率在l 至2 7 b p s h z 之间) ，要提高通信速率就必须加大发射功率或 者增大带宽，但是频带资源是非再生资源，且电池和辐射的限制使通信速率的提 高面临挑战。因此，必须寻找提高频谱效率的解决方案。在这一领域，较引人注 意的有m i m o 和o f d m 技术。m i m o 技术通过空间复用，使频谱效率得以成倍提 高，而o f d m 技术则通过正交调制，实现了高效率的多载波通信，并大大简化了 宽带系统中接收机的复杂度。m i m o 和o f d m 以及二者的结合，引起了广泛关注， 并被认为是未来无线通信系统最佳能采用的候选技术。 m i m o o f d m 技术可以通过在o f d m 传输系统中采用阵列天线实现空间分 集，提高信号品质，联合o f d m 和m i m o 而得到的一种新技术思路。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。 m i m o o f d m 技术优势在于其优秀的自适应性。在m i m o o f d m 系统中，我们可 以对不同的子信道采用不同传输方案，根据每个子信道的信噪比设置一套传输方 案，自适应地分配各个子载波发送的比特和功率，同时可以对单个子信道功率实 现最优化分配。 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 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。 信道估计一般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。虽然上述的方法在o f d m 系统中都能实现，并能取得较好的性能，但 是并不都适用于m i m o o f d m 系统，因为此时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，若采用上述算法估计信道，对于某个特定的发射接 收天线对，来自于其他天线的信号即为干扰，信号噪声功率比常常在0 d b 以上， 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。 1 3 本文研究内容以及章节安排 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，采取了理论分 析和计算机仿真相结合的方法，在理论和实践方面求证研究的正确性和可行性。 主要进行了以下几个方面的工作。 1 较为全面的分析了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，基于o f d m 的空间复用和空时编码o f d m ，然后分别 m i m o o f d m 系统信道估计算法的研究 讨论它们的基本原理，重点研究了s t b c o f d m 的系统结构及性能特点。并通过 仿真显示了该系统良好的抗衰落特性。 2 针对采用突发传输方式的m i m o o f d m 系统，深入研究基于梳状导频的信 道估计方法，依次分析了l s ，m m s e 估计方法，在此基础上分别给出它们的简化 算法和改进算法，进一步提高估计精度，同时降低复杂度，并结合计算机仿真分 析比较了算法的有效性和可行性。 3 在基于训练序列进行信道估计的基础上，本文接着又研究了基于导频符号 的信道估计方法，讨论了导频形式的选择准则，依次分析了线性多项式插值滤波 法，l m m s e 法，基于s v d 分解l m m s e 的方法，还有基于导频符号的l s 时域 信道估计的改进算法，并结合计算机仿真验证了算法的有效性和可行性，并对这 些的算法的性能进行了比较。 本论文共分为六章，其结构安排如下： 第一章，简明扼要的介绍了无线通信技术的发展与特点以及信道估计技术的 研究背景与重要意义。 第二章，分析了移动无线信道的衰落特性。 第三章，以m i m o o f d m 为核心，阐述了o f d m 原理，m i m o 原理以及 m i m o o f d m 原理，重点分析了s t b c o f d m 的工作原理及性能特点。 第四章，以4 发4 收的m i m o o f d m 系统模型为例，研究了基于梳状导频的 信道估计方法，包括l s 以及l m m s e 估计方法。并对这些算法进行了计算机仿真 验证，分析了有效性，并对性能进行了比较。 第五章，研究了基于训练序列的信道估计算法，对基于频域和时域的训练序 列的信道估计算法进行了分析与改进，并通过计算机仿真进行验证和性能比较。 第六章，总结全文内容，指出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。 第二章无线信道模型 第二章无线信道模型 无线信道是移动通信传输的媒介，是任何一个移动通信系统不可或缺的组成 部分。移动通信系统中所采用的各类新技术都是针对信道的特点，以解决通信的 有效性、可靠性及安全性为目标而设计的。分析移动信道本身的特性既是研究和 开发移动通信技术的前提，也是各类移动通信新技术和新算法产生和发展的源泉。 因此，本章首先介绍无线信道的物理特性和统计特性，然后在此基础上进步给 出无线信道的建模。这些内容是后续各章论述的预备知识。 2 1 无线信道的物理特性 无线通信系统的性能在很大程度上受限于无线信道的特性。因此分析和了解 其物理特性，给出合适的数学模型是研究无线通信系统的首要问题。 无线电波在空间传输时，会遇到各种建筑物、树木、植被，还由于地形起伏 等原因，引起能量的吸收，并造成电波的穿透、反射、散射和绕射等。无线电波 在空间传播时的损耗可以归纳为三类： 路径传播损耗：它是指电波在空间传播时所产生的能量损耗，它反映了传播 在宏观大范围( 即公里量级) 的空间距离上的无线电波在接收端接收信号电平平均 值的变化趋势。 阴影衰落：它是由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡而产生的 损耗。建筑物及山丘等障碍物对无线电波的影响很类似于对光波产生的阴影效应， 因此称之为阴影衰落。它反映了中等范围内几百波长量级接收电平的均值变化而 产生的损耗，一般遵从对数正态分布，其变化率较慢。 多径衰落损耗：它主要是由于多径传播过程中不同路径信号对消而产生的损 耗，它反映微观小范围内几十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，接受 信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征，其衰落特性一般服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布 或莱斯( r i c i a n ) 分布。 由于路径传播损耗，阴影衰落和多径衰落的影响，接收信号要比发射信号弱 得多。对快速移动的用户而言，平均路径损失变化很慢，信号的变化主要表现为 衰落。阴影衰落常被称为长期衰落，主要来自建筑物和其他障碍物的阴影效应。 多径衰落常被称为短期衰落，由移动用户附近的多径叠加产生。 传播损耗和阴影衰落主要影响到小区的覆盖，而多径衰落则影响信号的传输 质量，必须采用抗多径衰落技术来减少其影响。下面对多径衰落信道进行进一步 的讨论。 移动通信的接受信号，往往不是单一路径的信号，而是由许多路径来的众多 6 m i m o o f d m 系统信道估计算法的研究 反射，绕射和透射电波的合成，由于不同路径的信号有不同的传播时延，因此信 号的相位也就不同，多以，叠加之后的接收信号幅度有是因同相叠加而增强，有 时因反相叠加而减弱。这使得接收信号的幅度出现急剧变化，这就是所谓的多径 衰落。一般来说，多径衰落主要表现出三类特性：一是时延扩展特性，又称频率 选择性；二是随机时便特性，又称时间选择性，或多普勒扩展特性；三是角度扩 展特性，又称空间选择性。所谓选择性是指在不同的时间、不同的频率和不同的 空间其衰落特性是不一样的。 ( 1 ) 时延扩展特性 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展。在发射端发送一个极窄的脉 冲信号t s ( t ) ，由于不同的路径的传播距离不一样，信号沿各自路径到达移动台的时 间就不同，接收信号，( ，) 由不同时延的脉冲组成，可表示为： r ( t ) = a ，( t ) t s t f ，( f ) 】 ( 2 _ 1 ) l 这里，a ，( ，) 是第i 条路径的接收信号衰减因子，它是t 的函数，代表了前述信 道的时变特性。f ，( f ) 是第i 条路径的时延，最后一个可分辨的时延信号与第一个时 延信号到达时间之差定义为时延扩展，记做f 。 ( 2 ) 时变特性 在无线通信中，收发端任意一端的运动都会引起传输介质的变化，随着接收 到的各径信号幅度、相位在变化，同时多径的数目和时延也是变化的。这种时变 特性是随机的，因此必须用统计的方法来表征。多普勒频移是描述信道多径衰落 时变特性的重要参数。 移动台在运动过程中通信时，接收信号频率会发生变化，所导致的附加频移 称为多普勒频移，表示为：f = c o s ( 9 ) ，其中v 是移动台或反射物体的运动速度， a 是载波波长，p 是入射电波与移动台运动方向的夹角。f o = v a , 是啪最大值， 称为最大多普勒频移。 ( 3 ) 角度扩展与相干距离 角度扩展包括接收端的角度扩展和发射端的角度扩展。接收端的角度扩展是 指多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽。同样，发射端的角度扩展指的是由 多径的反射和散射引起的发射角展宽。由于角度扩展，接收信号产生空间选择性 衰落，也就是说，接收信号幅值与天线的空间位置有关。空间选择性衰落用相干 距离来描述。相干距离定义为两根天线上的信道响应保持强相关的最大空间距离。 相干距离越短，角度扩展越大；反之，相干距离越长，则角度扩展越小。 第二章无线信道模型 2 2 无线信道的统计特性 e a b e l l o 于1 9 6 3 年提出的广义平稳非相关散射( w i d e s e n s es t a t i o n r y u n c o r r e l a t e ds c a t t e r i n g ：w s s u s ) 信道能准确的反映无线信道的时间一频率选择特 性，且该信道的分析与数学建模都较简单，因此目前大多数信道特的分析和建模 的出发点都是w s s u s 信道。在w s s u s 假设下，信道冲激响应h ( r ，) 的自相关函 数为： 乜( ，f 2 ；f ，f + f ) = e h ( f l ；f ) 厅( j r 2 ；f + 址) ) = 兄( ；出) 6 ( q z 2 ) 全兄( r ；，)( 2 - 2 ) r h ( r ；a t ) 称为平均功率输出，是延时r 和观测时间差出的函数。当a t = 0 时 瓦( f ) 全民( r ；o ) 称为时延功率谱。为了定量分析时间色散与频率选择性的关系，对 咒0 ) 做傅里叶变换，得到频率相关函数。定义信道相干带宽瓦，并假设相干带 宽范围内信道的频率响应基本保持不变，如果传输的信号带宽大于信道的相干带 宽瓦，信号将受到频率选择性衰落。令瓦1 r 一是一种比较常见的相干带宽瓦 与信道最大时延f 一的关系表达式。以缸为变量对兄( r ；a t ) 做傅里叶变换，将得到 信道的散射函数s ( f ；厂) ： s h ( r ；f ) = ir h ( r ；a t ) e 。2 吖汹d 址 ( 2 3 ) 信道的二阶统计特性可由散射函数完全描述。以r 为变量对瓯( f ；厂) 做傅里叶 变换，得到昂( f ；厂) = f s h ( r ；f ) e - j 2 n ( 6 f ) r d r ，令鲈= o ，得到信道的多普勒功率谱 ( 门，即品( 力会询；门。对岛( 厂) 做傅里叶反变换，即可得到信道的时域相 关函数，定义信道的相干时间咒，并假设信道在相干时间内基本保持不变。信道 的时延功率谱咒( f ) 和多普勒功率谱品( 厂) 分别反映了信道的时间色散与频率色 散，二者通常是相互独立的，前者主要取决与到达接收机的信号能量和到达时间 的分布，而后者则由发射机与接收机的相对运动状态以及无线电波的波长所决定。 2 3 m i m o 无线信道 在此，以基站和移动台作为发射端和接收端来分析。假定基站有坼跟天线， 移动台有心根天线。则在基站的天线阵列上的信号可以表示为： 工( f ) _ _ ( ，) ，而( f ) ，( 伽r ( 2 - 4 ) 式中，符号【】7 代表矢量或者矩阵的转置；t ( f ) 代表移动台的第i 根天线的信号。 同理在移动台天线阵列上的信号为： m i m o o f d m 系统信道估计算法的研究 以( f ) = m ( f ) ，y 2 ( t ) ，( r ) 7 ( 2 - 5 ) 式中，只( f ) 代表基站的第j 根天线端口的信号。 1 非频率选择性信道模型 在非频率选择性( 平坦) 衰落情况下，m i m o 信道模型性相对比较简单，由于 各对天线间的子信道可以等效成一个瑞利衰落的子信道。 此时，m i m o 信道模型中的各个子信道可以建立为： 嘭，( f ，f ) = 乃，( t ) 5 ( r 一) ( 2 6 ) 式中，f - 1 ，o o n r ；j f = 1 ，虬。 i h j , i ( f ) l 服从瑞利分布，m i m o 信道矩阵为日= ( 乃，) 。坼。则对应的m i m o 系 统模型为： y = - z + x ( 2 7 ) 式中，z 代表零均值高斯白噪声。 2 频率选择性信道模型 此时m i m o 信道的信道矩阵可以表示为 日( r ) = 日。6 ( f f ，) ( 2 - 8 ) i = i 式中，日( r ) 吒。r ，且 日： ( 2 9 ) 式中，日。代表一个复数矩阵，它描述了在时延f 时所考虑的两个天线阵列之 间的线性变换，巧，代表发射的第i 根天线到接收的第j 根天线的复传输系数。 上述m i m o 信道模型可以看成是单输入单输出信道标准模型的推广，主要的 差别是该信道模型的抽头系数不再是一个的标量，而是一个矩阵，矩阵的大小跟 m i m o 系统两端使用的天线数有关。 本章小结 9 一 本章小结 本章主要讨论了无线信道的衰落特性，包括衰落信道的动态特性，包络特性和 相位特性，指出了相关函数和功率谱函数之间的傅氏变换关系。并简单的介绍了 一下m i m o 信道的模型。对于系统设计者来说，要设计完好的通信系统，就必须 掌握好信道的衰落特性。本章的内容也为以下章节奠定了扎实的理论基础。 第三章m i m o o f d m 原理 第三章川m o - o f d m 原理 无线传输信道，尤其是移动环境中的无线传输信道是一个非常复杂的物理现 象。未来移动通信要在有限的频谱资源上支持高速率数据和多媒体业务的传输， 就必须采取频谱效率高的抗衰落技术来提高系统性能，o f d m 和m i m o 正是其中 的两种有效措施。而将两者结合构成的m i m o o f d m 系统，技术上相互补充，使 之成为实现无线信道高速数据传输最有希望的解决方案之一，具有广阔的发展前 景。 3 1o f d m 技术 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 ) 作为一种 特殊的多载波传输技术，基本原理是将总的信道带宽分成n 个带宽相等的子信道， 每个子信道上单独通过各自的子载波调制各自的信息符号，并且各符号具有相同 的符号间隔，相邻子信道载波间隔等于有用符号间隔的倒数，从而保证各个子信 道间频谱相互重叠正交，它具有较强的抗多径和频率选择性衰落的能力以及较高 的频谱利用率，因此得到了深入的研究。 o f d m 发展历史最早可以追溯到2 0 世纪6 0 年代中期，当时c h a n g t 9 j 【l o j 第一次 提出在线性带限信道实现无信道间干扰( i c i ) 和符号间干扰o s i ) 的并行多信道信息 传输原理。不久，s a l t z b e r g 1 1 】分析了该传输技术的性能，并得出如下的结论：由于 在并行传输系统中，子信道间干扰占支配地位，所以该系统的设计重点应放在减 少子信道间干扰而不是怎样优化各个子信道波形。本时期o f d m 技术被应用到多 种高频军事系统中【l 引，其中包括k i n - - e p l e x ，a n d e f t 以及k n t h r y n 等。以 k n t h r y n 为例，其中的可变速率的数据调制解调器可以最多使用3 4 个并行低速 调相子信道，每个子信道之间的间隔为8 2 h z 。 1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 1 3 发现了通过d f t 和d f t 快速实现o f d m 的调 制和解调方法，为后来o f d m 广泛应用于通信领域开辟了道路。他们的工作重点 集中在如何快速有效地实现o f d m 的调制和解调，而不是纠缠于单个子信道的处 理，从而消除了以前并行系统需要子载波振荡器组这缺点。为了消除线性时不 变信道的i c i 和i s i ，他们在符号间插入升余弦波形的保护间隔。另外，他们还讨 论了o f d m 系统中的时不变线性信道影响及信道均衡。最后为了避免信道均衡， 他们又提出差分o f d m 系统，这也是最早的差分o f d m 。他们对于o f d m 技术发 展的贡献是不能低估的，但是并没有解决如何在多径信道中消除i s i 。 1 2 m i m o o f d m 系统信道估计算法的研究 p e l e d 和r u i z i l 4 】于1 9 8 0 年解决了上述问题。他们不是在符号间插入空的保护 间隔，而是插入o f d m 符号的周期扩展。当周期头长度大于信道冲激响应时，这 实际上是实现o f d m 符号和信道冲激响应之间的周期卷积，对应频域乘积。o f d m 子信道之间仍保持正交特性。尽管这会造成一定程度的能量损失，且能量损失正 比于周期头长度。但只要o f d m 系统实现良好同步，则周期头所带来的零符号间 干扰是值得为止付出这些额外功率的。 正是由于前人杰出贡献以及数字信号处理技术快速发展，到上世纪九十年代 中期o f d m 技术真正地引起学术界和工业界的重视。它具有对抗多径、频带利用 率高、很容易通过频域灌水手段最大化信道容量、均衡器为低复杂度的频域单抽 头均衡器等等诸多优点，使其同单载波调制( s c m ，s i n g l ec a r r i e rm o d u l a t i o n ) 相比 在宽带无线接入方面具有无与伦比的优越性。 自从上世纪9 0 年代中期以来，国内外对o f d m 技术的研究主要集中在如下几 个方向：信道估计和均衡技术，信道容量分析，降低峰值平均功率比，同步算法和 性能分析，包括同步误差分析、时间同步、频偏估计和i c l 分析等等。 目前，o f d m 及其相关技术仍然是国内外的研究热点之一，已经成功的运用 于接入网中的高速数字环路h d s l ，非对称数字环路a d s l ，高清晰度电视h d t v 的地面广播系统。在移动通信领域，o f d m 是第三代，第四代移动通信系统的核 心技术之一。当其同m i m o 技术结合，正成为下一代无线通信系统强有力竞争者。 3 1 1o f d m 基本原理 o f d m 的基本原理是将发送的数据流分散到许多个子载波上，使各个子载波 的信号速率大为降低，从而能够提高抗多径和衰落的能力。为了提高频谱利用率， o f d m 方式中各子载波频谱有1 2 的重叠，但保持相互正交，在接收端通过相关解 调技术分离出各个子载波，同时消除码间干扰的影响。 o f d m 信号可以用复数形式表示为 ，一l ( ，) = d m ( t ) e j - 。 ( 3 - 1 ) r a = o 式中： o j = q + m a c o ( 3 - 2 ) 为第m 个子载波角频率，丸( f ) 为第m 个子载波上的复数信号。d m ( f ) 在一个 符号周期c 上为常数，则有 屯( f ) = 吒 若对信号( f ) 进行采样，采样间隔为t ，则有 ( 3 3 ) 第三章m i m o o f d m 原理 m 一1m l 岛删( 七丁) = 屯p 7 玎= “p 胞”曲妒 ( 3 4 ) 假设一个符号周期z 内含有n 个采样点，即 i = n t ( 3 - 5 ) o f d m 信号的产生是首先在基带实现，然后通过上变频产生输出信号。因此， 基带处理时可令c o 。= 0 ，则式( 3 - 4 ) n 简化为 ( 七丁) = d r a e 加蛔圩 ( 3 - 6 ) 将上式与离散傅里叶变换( i d f t ) 形式 删= 薹g ( 畚2 腑 ( 3 - 7 ) 相比较可以看出，若将d r , ( f ) 看做频率采样信号， 信号。比较式( 3 6 ) 和式( 3 7 ) 可以看出，若令 = 击= 毒 则( k r ) 为对应的时域 ( 3 - 8 ) 则式( 3 6 ) 和式( 3 - 7 ) 相等。 1 由此可见，若选择载波频率间隔a f = ，则o f d m 信号不但保持各子载波相 j 互正交，而且可以用离散傅里叶变换( d f t ) 来表示。 在o f d m 系统中引入d f t 技术对并行数据进行调制和解调，其子带频谱是 兰! ! 坚函数，o f d m 信号频谱结构如图2 1 所示。o f d m 信号是通过基带处理来实 x 现的，不需要振荡器组，从而大大降低了o f d m 系统实现的复杂性。 (a)(b) 图3 1o f d m 信号频谱结构 ( a ) 单个o f d m 子带频谱；( b ) o f d m 信号频谱 1 4 m i m o o f d m 系统信道估计算法的研究 3 1 2o f d m 信号调制与解调 o f d m 信号的产生是基于快速离散傅里叶变换实现的，其产生原理如图2 2 所示。图中，输入信息速率为咫的二进制数据序列先进行串并变化。根据o f d m 符号间隔z ，将其分成c f = r 正个比特一组。这c f 个比特被分配到n 个子信道上， 经过编码后映射为n 个复数子符号置，其中子信道k 对应的子符号五代表良个 比特，而且 n - i q = 玩 ( 3 - 9 ) 串并八 编码a礤f t八 并串 d 哈 上 变换- - v 映射 - 7 叫变换变换 l p f 变 频 图3 - 2o f d m 信号产生原理图 在h e r m i t i a n 对称条件： j 丘= j 一七，0 k 2 一七( 3 1 0 ) 的约束下，2 n 点快速离散傅里叶反变换( i f f t ) 将频域内的n 个复数子符号五变 换成时域的2 n 个实数样值黾( 七= o ，1 ，2 n 一1 ) ，加上循环前缀 = 恐“( 七= 一1 ，- j ) 之后，这2 + ，个实数样值就构成了实际的o f d m 发送符 号。经过并串变换之后，通过时钟速率为z ：型害! 的d 爿转换器和低通滤波 5 器输出基带信号。最后经过上变频输出o f d m 信号。 o f d m 信号接收端的原理图如图2 3 所示，其处理过程与发送端相反。接收 端输入o f d m 信号首先经过下变频变换到基带，a d 转换，串并变换后的信号去 除循环前缀，再进行2 n 点快速离散傅里叶变换( f f t ) 得到一帧数据。为了对信 道失真进行校正，需要对数据进行单抽头或双抽头时域均衡。最后经过译码判决 和并串变换，恢复出发送的二进制数据序列。 第三章m i m o o f d m 原理 图3 3o f d m 信号接收原理图 由于o f d m 采用的基带调制为离散傅里叶反变换，可以认为数据的编码映射 是在频域进行的，经过i f f t 变换为时域信号发送出去。接收端通过f f t 恢复出频 域信号。 为了使信号在i f f t 、f f t 前后功率保持不变，d f t 和i d f t 应满足以下关系 硼) = 丽1n 刍- 1 砌) e x p ( _ ，等铣。七剑一1 ( 3 - 1 1 ) 砌) = 面1 刍n - 1 耶) e x 町等咄。力剑一l ( 3 - 1 2 ) 在o f d m 系统中，符号周期、载波间距和子载波数应根据实际应用条件合理 选择。符号周期的大小影响载波间距以及编码调制的延迟时间。若信号星座固定， 则符号周期越长，抗干扰能力越强，但是载波数量和f f t 的规模也越大。各子载 波间距的大小也受到载波偏移以及相位稳定度的影响。一般选定符号周期时应使 信道在一个符号周期内保持稳定。子载波的数量根据信道带宽、数据速率以及符 号周期来确定。o f d m 系统采用的调制方式应根据功率及频谱利用率的要求来选 择。常用的调制方式有q p s k 和1 6 q a m 方式。另外，不同的子信道还可以采用不 同的调制方式，特性较好的子信道可以采用频谱利用率高的调制方式，而衰落较 大的子信道应选用功率利用率较高的调制方式，这时o f d m 系统的优点之一。 3 1 3o f d m 系统性能 1 抗脉冲干扰 o f d m 系统抗脉冲抗脉冲干扰的能力比单载波系统强很多。这是因为对 o f d m 信号的解调是在一个很长的符号周期内积分，从而使脉冲噪声的影响得以 分散。事实上，对脉冲干扰有效地抑制作用是最初研究多载波系统的动机之一。 提交给c c i t t 的测试报告表明，能够引起多载波系统发生错误的脉冲噪声的门限 电平比单载波系统高l l d b 。 2 抗多径传播与衰落 o f d m 系统把信息分散到许多个子载波上，大大降低了各子载波的信号速率， 使符号周期比多径迟延长，从而能够减弱多径传播的影响。若再采用保护间隔和 1 6 m i m o o f d m 系统信道估计算法的研究 时域均衡等措施，可以有效降低符号间干扰。保护间隔原理如图2 4 所示。 第i 1 帧 第1 帧 第i + l 帧 钐钐 蟹芝 有效符号周期 自w h 目 间隔 闩从1 。引町刀 图3 4 保护间隔原理 3 频谱利用率 o f d m 信号由n 个信号叠加而成，每个信号频谱为坐函数并且与相邻信 号频谱有1 2 重叠，如图2 5 所示。 1 n t 图3 5o f d m 信号频谱结构 设信号采样频率为1 t ，则每个子载波信号的采样速率为上n t 。即载波间距为 而1 ，若将信号两侧的旁瓣忽略，则频谱宽度为 = ( 一1 ) 丽1 + 而2 = 而n + i ( 3 - 1 3 ) 第三章m i m o o f d m 原理 o f d m 的符号速率为 = 击= ；( 3 - 1 4 ) 比特速率与所采用的调制方式有关，若信号星座点数为m ，则比特率为 r = 亭l 0 9 2 m ( 3 - 1 5 ) 因此，