（通信与信息系统专业论文）ofdm系统盲信道估计算法研究.pdf

0 f d m 幕航盲信道估”算* 研究 摘要 随着对高速、多媒体数据业务的需求日益增长，未来无线移动通信系统越来 越需要解决高速数据传输及频带利用率的问题。由于信号从发射天线经过无线信 道到达接收天线，会发生多径衰落和时变性。t 一方面，信道的多径传播会引起信 号在时间上展宽并导致频率选择性衰落。另一方面，信道的时变特性导致的 d o p p l e r 效应会引起信号频谱的展宽。正交频分复用( o f d m ) 技术是一种多载 波技术，它可以有效抑制码间干扰和提高频带利用率，将会成为下一代移动通信 的核心技术。而多输入多输出( m i m o ) 技术充分开发空间资源，利用多个天线 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，成倍地提高系统容 量，在近些年引起了各个无线通信研究机构和各大公司的关注。两者相结合的 m i m o o f d m 系统更是表现出良好的性能，m i m o o f d m 系统不仅能够有效提 高无线通信系统的传输速率和容量，而且还抵抗多径衰落和码问干扰。然而，任 何技术都有不足之处，o f d m 、m i m o 也不例外。特别是当m i m o o f d m 与空 时编码( b l a s t 或者s t c 技术) 联合使用时，随着天线数目的增加，信道状态 信息的准确获取对于通信系统的性能有着越来越重要的作用。而且 m i m o o f d m 系统的要比单入单出( s i s o ) 的o f d m 系统更为复杂，信道估计 方法的好坏就决定了接收机的性能。因此信道估计是o f d m 、m i m o o f d m 通 信系统中的关键技术之一。目前，在众多的信道估计算法中，盲方法从根本上避 免了训练序列的使用，可以自启动收敛并防止失锁情况。而且当它与训练序列联 合使用时( 即半盲方法) ，可以提供比单独使用训练序列时更好的系统性能，克 服了传统方法的缺点，从而可以很好地应用于通信系统中。 本论文的主要贡献及创新点包括以下几个方面： ( 1 )本文阐述了o f d m 技术的主要原理，并且基于衰落信道分析了m i m o 技术的基本理论与m i m o o f d m 系统的结构体系。 ( 2 ) 针对单信道的o f d m 系统，提出了一种基于子空间分解技术的盲信道 估计算法该算法的优点是：对信道参数不敏感，具有较低的计算复杂度 而且适用于不同类型的信号星座。 ( 3 1 针对信道的时变性，研究了z p o f d m 通信系统的盲自适应信道估计问 题。利用特征子空间更新的随机梯度法和r e a y l e i g h 商迭代技术，提出 了一种新的完全自适应予空间算法。该算法与基于导频的方法相比，具 有更高的频带利用率。算法分为两个步骤：信号、噪声子空间的自适应 更新和信道冲激响应变化的追踪。在第一步中，可以利用许多低复杂度 第1 页 o f d m 秉蛾1 r 信道估计算法镕 的自适应子空间更新算法来追踪子空削；在第二步中，基于r e a y l e i g h 商迭代的的方法可以递归地估计出信道参数。该算法对信道参数不敏 感，而且适用于不同类型的信号星座，具有较好的通用性。因为算法中 没有使用奇异值分解( s v d ) ，所以算法有较底的运算复杂度，适合适 时的信号处理。 ( 4 )利用循环前缀( c p ) 所产生的特殊相关性特点，我们提出了一种新的适 用于m i m o o f d m 系统的具有低复杂度的半盲信道估计算法，该算法 不需要精确的信道阶数( 只需一个上界) ，它只需利用输出信号的部分 二阶统计信息就可以精确的估计信道为一个模糊矩阵，并且利用少量的 导频信号就能精确估计出这个模糊矩阵。这简化了基于s o s 的 m 1 m o o f d m 信道可辨识条件。因此，算法对于信道阶数的超定具有良 好的鲁棒性，只要求m i m o 信道是不可约的并且在子信道中没有公共零 点。 关键词：f 交频分复用，多入多出，码间干扰，子空间方法 盲信道估计，自适应信号处理 第1 i 页 海太掌_ 士掌论文 o f d m 幕航。1 t 垃估计算法研究 a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y , h i g hq u a l i t yw i r e l e s sm u l t i m e d i as e r v i c e s s e r v i c e sa r en e c e s s a r yf o rt h ef u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n d u et ot h ei n c r e a s ei n r i c hm e d i ac o n t e n t ，t h ed e m a n df o rh i g h e ra c c e s ss p e e d si su n a v o i d a b l eb u t h i g hd a t a r a t ew i r e l e s ss y s t e m sw i t hv e r ys m a l ls y m b o lp e r i o d s u s u a l l yf a c eu n a c c e p t a b l e i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) o r i g i n a t e df r o mm u l t i p a t hp r o p a g a t i o na n dt h e i r i n h e r e n td e l a ys p r e a d 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 ) i sa m u l t i c a r r i e r - b a s e dt e c h n i q u ef o rm i t i g a t i n gi s it oi m p r o v ec a p a c i t yi nt h ew i r e l e s s s y s t e mw i t hs p e c t r a le f f i c i e n c y ( b p s a t z ) ，i tw i l lb eap r o m i s i n gt e c h n i q u ei nn e x t g e n e r a t i o n c o n u n u n i c a t i o n o nt h eo t h e rh a n d ，m u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ( m i m o ) s y s t e m sh a v er i s i n g a t t e n t i o no ft h ew i r e l e s sa c a d e m i cc o m m u n i t ya n d i n d u s t r yb e c a u s et h e i rp r o m i s et oi n c r e a s ec a p a c i t ya n dp e r f o r m a n c ew i t ha c c e p t a b l e b e rp r o p o r t i o n a l l yw i t ht h en u m b e ro fa n t e n n a s f u r t h e r m o r e ，ac o m b i n a t i o no f o f d mw i t hm i m ot e c h n i q u e m i m o - - o f d mh a sr e c e n t l ys h o w e de v e nh i g h e r p e r f o r m a n c e ，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 et r a n s m i s s i o nr a t ea n d c 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 tm u l t i p a t hf a d i n ga n d i n t e r f e r e n c e a l t h o u g ho f d mo rm i m o - o f d ms y s t e m sh a v es om a n ym e r i t s ，i ta l s o h a sd i s a d v a n t a g e sa sw e l la so t h e rt e c h n o l o g i e s e s p e c i a l l yw h e nm i m o o f d mi s i m p l e m e n t e di nc o n j u n c t i o nw i t l le i t h e rb l a s t o rs t c t h ec h m m e ls t a t ei n f o r m a t i o n b e c o m e sm o r ei m p o r t a n ta st h en u m b e ro fa n t e n n a si n c r e a s e s f u m l e m o r e m i m o c h a n n e le s t i m a t i o na p p r o a c h e sa r em o r ec o m p l e xt h a ns i s oc h a n n e l ，t h i sl e a d st ot h e c o m p l e x i t yo ft h er e c e i v e r t h e r e f o r e ，t h ec h a n n e li d e n t i f i c a t i o ni so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tt e c h n o l o g yi no f d ma n dm i m o o f d ms y s t e m s a m o n gt h em a n y c h a r m e le s t i m a t i o na l g o r i t h m s b l i n dm e t h o d st h a td on o tn e e dt h et r a n s m i s s i o no f t r a i n i n gs e q u e n c e sl u e a t t r a c t i v ei n b r o a d c a s t i n g o rm u l t i c a s t i n gs i n c et h e ya r e n o n i n t e r r u p t i v ew h e nt u n i n gi na n dw h e nt r a i n i n gs e q u e n c e sr i s es c a r c e m o r e o v e r ， w h e nt r a i n i n gi sn o ta c t i v ea n dt h e nt h et r a i n i n gs e q u e n c e sb e c o m ea v a i l a b l e ，t h i s a l l o w st h eu s eo fs e m i - b l i n da p p r o a c h e s ，w h i c hc a np r o v i d eb e t t e rp e r f o r m a n c et h a n w i t h o n l yt r a i n i n g s o t h i sa p p r o a c hc a nb ea p p l i e dt oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m p e r f e c t l y t h em a i nw o r k so ft h ed i s s e r t a t i o nc a nb es u m m a r i z e db sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ep r i n c i p l e so fo f d ms y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h ea p p l i c a t i o no fm i m o t e c h n o l o g y i no f d ms y s t e m sa n dm i m o o f d ms y s t e m sf r a m e w o r k b a s e do i lt 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 sa r ea n a l y s e d ( 2 ) ab l i n ds u b s p a c e c h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h m b a s e do n s u b s p a c e d e c o m p o s i t i o ni sp r o p o s e df o rz p o f d ms y s t e m s t h ea d v a n t a g eo ft h e 第页 * - 半日e _ 士掌m ro f d m 最蟪 r 信垃估计算 蠹- 哥f 究 p r o p o s e da l g o r i t h mi st h a tt h ea l g o r i t h mi sn o ts e n s i t i v et ot h ep a r a m e t e ro f t h ec h a n n e lh a sl o wc o m p l e x i t y m o r e o v e r ，i tc a nb ea p p l i e dt oa r b i t r m y s i g n a lc o n s t e l l a t i o n s ( 3 ) t h ep r o b l e mo fc h a n n e l st i m e v a r i a n c ef o rz p - o f d ms y s t e mi ss t u d i e d b a s e do nr a y l e i g hq u o t i e n ti t e r a t i o nm e t h o d ，an e wa d a p t i v eb l i n ds u b s p a c e c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e df o ro f d ms y s t e m s c o m p a r e d w i t ht r a i n i n gd a t ao rp i l o ta p p r o a c h e s ，i ti sm o r eb a n d w i d t he f f i c i e n tt o i m p l e m e n tb l i n dc h a n n e le s t i m a t i o na p p r o a c h t h i sa l g o r i t h mn e e d st w o s t e p s ，i n c l u d i n gt h ea d a p t i v eu p d a t eo ft h eo r t h o n o r m a ls i g n a la n dn o i s e s u b s p a c e sa n dt r a c k i n go ft h ec h a n n e lr e s p o n s ec h a n g e i nt h ef i r s ts t e p ，w e c a nc o m p u t et h es u b s p a c ea d a p t i v e l yw i t hl o wc o m p l e x i t yb ym a n y s u b s p a c et r a c k i n gm e t h o d s i nt h es e c o n ds t e p ，t h ec h a n n e li d e n t i f i c a t i o n b a s e do n r a y l e i g hq u o t i e n t i t e r a t i o nm e t h o dc a l lb er e c u r s i v e l y i m p l e m e n t e dw i t hr e d u c e dc o m p u t a t i o n si na l lo b v i o u sm a n n e r n l en e w a l g o r i t h mi sn o ts e n s i t i v et ot h ep a r a m e t e ro ft h ec h a n n e l f u r t h e r m o r e ，i t c a nb ea p p l i e dt o a r b i t r a r ys i g n a lc o n s t e l l a t i o n s ，w h i c hl e a d st om o r e c o n v e n i e n ti m p l e m e n t a t i o n b e c a u s es v di sn o tr e q u i r e di nt h ea l g o r i t h m ， t h en e wa l g o r i t h mh a sl o wc o m p l e x i t y a sar e s u l t ，r e a l t i m ep r o c e s s i o ni s p o s s i b l e ( 4 ) t a k i n gt h ea d v a n t a g eo ft h es p e c i a lc o r r e l a t i o np r o p e r t yg e n e r a t e db yt h e c y c l i cp r e f x ，w ed e v e l o pan e ws e m i - b 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 m 谢t 1 1l o w e rc o m p l e x i t yf o rm i m o o f d ms y s t e m s t h ep r o p o s e dm e t h o dn o l o n g e rn e e d sp r e c i s eo r d e ri n f o r m a t i o n ( o n l yu p p e rb o n d sf o rt h eo r d e r sa r e r e q u i r e d ) a n di t c a l la c c u r a t e l ye s t i m a t et h ec h a n n e l ss u b j e c tt oas c a l a r m a t r i xa m b i g u i t ym a t r i xb yu s i n go n l yo n ep i l o to f d mb l o c ki ft h en u m b e r o fu s e r si ss m a l l e rt h a nt h el e n g t ho fa no f d mb l o c k i ng e n e r a l ，w h e nt h e t o t a ln u m b e ro fs y m b o l si nt h et r a n s m i t t e dp i l o to f d mb l o c k si sl a r g e rt h a n t h en u m b e ro fu s e r s ，t h ea m b i g u i t ym a t r i xc a l lb er e s o l v e d t h i sr e s u l to n l y r e q u i r e st h a tt h em i m oc h a n n e lb e i r r e d u c i b l ea n dt h i si sad i r e c t g e n e r a l i z a t i o no ft h es i m oi d e n t i f i a b i l i t yc o n d i t i o no fn oc o m m o nz e r o s a m o n gs u b c h a n n e l s k e yw o r d s ：o f d m ，m i m o ，i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) ，s u b s p a c em e t h o d ， b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o n ，a d a p t i v es i g n a lp r o c e s s i n g 第1 v 页 0 f d m 系筑冒* 道估* 算* 研究 s a a i a 7 一， 数学符号声明 在没有特别声明时，文中孝且体字母表示列向量或矩阵 矩阵a 的逆阵 矩阵a 的转置 矩阵a 的共扼转置 矩阵a 的迹 n 阶单位阵 全零向量或全零矩阵 矩阵的行列式、实数的绝对值、复数的横 向量或矩阵的2 一范数 随机变量的数学期望 矩阵的k r o n e c k e r 积 对角矩阵 小于等于n 的最大整数 栅 吲、 m “o刚。螈m 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究1 ： 作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研 究所做的任何贡献已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盟日期：2 堕呈：乏 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盟导师签名：二主殳日期：! ! ：2 ：乡 o f d mj ：艇t 信域估计算法研究 第一章绪论 近年来，无线和移动通信技术取得了飞速发展，特别是随着数字通信技术的诞 生与应用，移动通信技术发生了巨大的变革。现代无线移动通信已从模拟通信发胜 到了数字移动通信阶段，并且正朝着个人通信这更高级阶段发展。未来移动通信 的目标是，能在任何时间、任何地点，向任何人提供快速可靠的通信服务。 随着各式各样的无线和数据业务如：蜂窝移动通信、因特网和多媒体业务的发 展，世界范围内无线通信的容量需求在迅速增长。然而可利用的无线频谱是有限的， 因此频谱资源变得越来越紧张，如何更高效地利用有限的通信资源成为无线通信新 技术发展的焦点所在。近年来，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 n m u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 【1 】、多天线( 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 tm i m o ) 2 技术由于能够在不需要额外的功率和带宽的前提下较大幅度地提高谱效率、抵抗多 径衰落、抑制干扰和噪声，被视为未来无线移动通信系统的关键技术之一。本论文 主要研究了o f d m 技术和基于此技术的m i m o 系统的信道估计问题。 本章首先介绍了现代移动通信的发展状况，然后讨论未来通信系统的特征和发 展方向，最后介绍了本论文章节安排。 1 1 无线移动通信的发展现状 无线通信的开端可以追溯到公元1 9 0 1 年。当年意大利科学家列莫马可尼实现 了人类历史上首次无线电通信。基于发明无线电报及其对无线通信的发展所作出的 贡献，1 9 0 9 年3 5 岁的马可尼荣获了诺贝尔物理学奖。 1 9 4 8 年，香农( c e s h a n n o n ) 在前人研究成果的基础上发表了那篇划时代的 论文a m a t h e m a t i c a lt h e o r yo f c o m m u n i c a t i o n ) ) 3 】。该文中的一个著名公式 为： p c = 1 0 9 2 ( 1 + 赢) 6 j 龇- 1 ) 其中，c 是信道容量，p 是发射信号的平均功率，矿是信道的带宽，o 是白噪声 的单边功率谱密度。 以前，移动通信领域的发展是缓慢的，它和技术的进步紧密相连，向所有人提 供无线通信的能力一直没有被人们构想出来。宣到六、七十年代美国贝尔实验室提 出了蜂窝的概念，特别是2 0 世纪7 0 年代末成功的研制出先进的移动电话系统 ( a m p s ) ，在全球范围内移动通信才得到了空前的发展，并逐步成为最具发展潜 力的产业之一。随着移动用户数的增加和人们物质生活水平的提高，传统的移动通 第1 页 o f d m 瓜m 盲琏估* 算浩* 信话音业务很难满足用户越来越高的要求。计算机和网络技术的进步，使移动通信 与网络的联系更加紧密。向用户提供种类更多、速度更快、质量更好的服务，己成 为未来移动通信系统的发展目标和方向：在任何地点，任何时间能够同任何人方便 地进行话音、数据、图像、视频等各种信息的通信是人类的美好愿望【4 。 第一代蜂窝移动通信系统( 1 g ) 是基于模拟通信技术的，模拟调频( f m ) 加 i 二频分多址接入( f d m a ) 是它的技术要点。第一代蜂窝移动通信系统存在频带利 用率低、保密性差、终端体积大等缺点。 随着数字化技术的不断发展，以g s m 和l s 9 5c d m a 为代表的第：二代移动通 信系统( 2 g ) 取代了只能提供模拟话音业务的帮一代移动通信。第二代移动通信 采用了一系列的数字信号处理技术，包括信源压缩编码、数字加密、信道编码、数 字调制等；此外，采用了更加灵活、高效的时分多址( t d m a ) 和码分多址接入 ( c d m a ) 技术；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。 第二代移动通信系统主要是为支持话音和低速率的数据业务而设计的，难以满 足用户只益增长的需求。第三代移动通信系统能够提供无线i n t e m e t 业务和多媒体 业务，概括地讲，有以下特点： 占用更高的频段( 2 g h z ) 和更大的带宽( 5 m h z ) ； 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； 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 与第二代移动通信网兼容；具有更高的频谱利用率及更高的系统容量。 目前，i t u 通过的3 种主流无线传输方案有欧 ! 和日本提如的w c d m a 、北美 提出的c d m a 2 0 0 0 和中国的t d s c d m a 。i n t c m e t 业务的日益普及，促使移动通信 技术向全i p 方向发展 5 】。目前3 g p p 和3 g p p 2 等标准化组织制定了基于全i p 的第 三代移动通信增强型体制标准。比如3 g p p 2 提出了能够支持高速分组业务( 峰值速 率为4 至5 m b p s ) 的e d m a 2 0 0 0 1 x ，e v 标准，3 g p p 也制定了称为h s p d a 的增强性 第三代移动通信标准，其分组业务峰值传输速率达到8 m b p s 以上。 但是在宽带业务需求不断增长的情况下，尽管第三代移动通信系统( 3 g ) 能提供 m b p s 量级的传输速率，仍然与宽带业务的发展需求相比还相差甚远，远远不能满 足未来个人通信的要求。具有高数据率、高频谱利用率、低发射功率、灵活业务支 撑能力的未来无线移动通信系统( 4 g ) 可将无线通信的传输容量和速率提高十倍 甚至数百倍。同时根据各种接入技术的特点，构建分层的无缝隙全覆盖整合系统， 形成“通用无线电环境”少，并实现各系统之间的互通，将是通往未来无线与移动通 信系统的必然途径。 第2 页 o f d mj i 蟪盲信垃估计算法目r 第四代移动通信系统( 4 g ) 可称为宽带接入( b r o a d b a n d a c c e s s ) 和分稚式网 络，具有非对称的超过2 m b p s 的数据传输能力。它并没有脱离以往的通信技术， 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，第四代移动通信系统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 通信费用也要比日前低。其 主要的特征有： 通信速度更快 由于人们研究第四代移动通信系统的目的就是提高蜂窝电话和其它移动装置 无线访问i n t e m e t 的速率，因此第四代移动通信系统的特征莫过于它具有更快的无 线通信速度。专家预估，4 g 可以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。 网络频谱更宽 为了使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 0 网络的通信带宽大大高于3 g 网络的带宽。 据研究，每个4 g 信道将占用1 0 0 m h z 的频谱，相当于w - c d m a3 g 网络地2 0 倍。 智能性更高 第四代移动通信系统的智能性更高，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 手机可以实现难以想象的功能，例如，4 g 手机 将能根据环境、时间以及其它因素来适时提醒手机的主人。 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为“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，可以想象的是，眼镜、手表、化装盒、旅游鞋都有可能成为 4 g 终端。 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用户在投资最少的情况 下轻而易举地过渡到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3 g 平稳过渡等特点。 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，大量信息通 过宽频的信道传送出去，为此4 g 也称为“多媒体移动通信”。 通信费用更加便宜 由于4 g 通信不仅解决了与3 g 通信的兼容性问题，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，相对其它 笫3 页 o f d m 最兢t * 道估计算* 日r 通信技术来说，4 g 通信部署起来更加容易迅速的多。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。 从技术的角度来说，要达到上述要求，第四代移动通信应与i m t2 0 0 0 以及目 前制定之中的增强型3 g 标准有本质性的区别。这是由于第四代移动通信系统的峰 值传输速率应为3 g 系统的1 0 至5 0 倍，达到2 0 m b p s 至1 0 0 m b p s ，若简单地重复 使用3 g 相同的技术，则其发射功率则同样需要增加l o 至5 0 倍，从而会出现让人 无法忍受的电磁干扰问题。因此，要解决此问题，就必须开发与之配套的系列新 技术，比如高频传输、智能天线、多用户检测、新型i j l 向纠错技术和高级网络资源 分配技术等等6 8 1 。 1 2 本论文的研究意义 移动通信是一种特殊的无线通信，其特别之处在于：第一，传输链路中存在以 电磁波为载体的空中接口这一重要环节，即所谓的无线连接；第二，允许用户终端 在某一电磁波覆盖范围之内不间断通信并到处移动，也就是动中通。以上两个特点 决定了它特有的应用价值和特殊的技术难度。 在未来的宽带无线通信系统中，存在两个最严峻的挑战：多径衰落信道和带宽 效率。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 ) 通过将 频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦衰落信道，从而减少了多径衰落的影 响【9 1 0 】。而多输入多输出( 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 ) 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，有效地增加系统的传输速率 1 1 1 4 。o f d m 和m i m o 两者的结合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，达到很强的可靠性，而 这些不需要额外的功率和带宽。同时，在m i m o o f d m 系统中加入合适的数字信 号处理的算法能更好地增强系统的稳定性。这些都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 1 5 1 6 1 最具希望的解决方案之一，具有广阔的研究 和发展前景。 正交频分复用( o f d m ) 是一种瓶的高效的多载波调制技术，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，虽然总的信道非平坦，即 具有频率选择性，但是每个予信道是相对平坦的，从而大大减少了符号间干扰 ( i s i ) 。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。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 和d v b ，无线局域网i e e e 8 0 2 1 la 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。 第4 贞 0 f d m 系航冒* 道估”算* * 女 多输入多输出( m i m 0 ) 技术的核心是空时信号处理 1 7 】，也就是利用在空问中分 布的多个天线将时间域和空间域结合起来进行信号处理，不但可以成倍地提高衰落 信道下的系统容量，还可以将其与信道编码技术相结合，大大提高通信系统的性能， 其实质就是为系统提供空间复用增益和空间分集增益。目前针对m i m o 信道所进 行的研究也主要围绕这两个方面。空间复用技术可以大大提高信道容量，而空问分 集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。空时编码技术f 1 2 1 1 1 3 1 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 实际中，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o f d m 与空时编码相结合( 即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。m 1 m o 与o f d m 技术结合， 可以将无线通信的信号处理从时频分集扩展为时空频分集，进一步分割信道为空时 频币交的子信道，可以大大提高无线通信中的信道容量和传输速率，有效抵抗衰落、 抑制干扰和噪声。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。从而在朱来的宽带无线接入领域中采用 m i m o 一0 f d m 技术成为一种必然的发展趋势。o f d m 、m i m 0 技术作为第四代移 动通信系统( 4 g ) 的关键技术之一【1 5 1 6 】，正是本课题的研究主题。 在实际应用中，为了进一步提高系统的频谱效率，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o f d m 系统接收机设计的一项主要任务。 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、多址、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 l 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 g 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) 、正交频分复用( o f d m ) 技术、多输入多输出( 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 第5 页 o f d m 秉兢 r 信递估计算法研究 和应用，都离不丌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。本文将针对o f d m 系统中的信道估计问题进行研究。 有关无线通信系统中的信道估计通常可以分为基于导频符号的方法 1 8 1 9 1 、半 盲方法( 导频与盲相结合的方法) 【2 0 - 2 1 】和盲估计方法 2 2 2 6 z 类。本论文将研究 o f d m 通信系统的盲、半盲信道估计的方法。之所以研究盲、半盲方法，是因为其 具有一系列的优点。由于无线信道是一个时变的信道，当信道响应突然变化，自适 应均衡与信道估计方法必须重新发送训练序列，而训练序列的不断发送会造成频谱 资源的很大浪费。而盲、半盲方法优于基于导频或训练序列的自适应方法之处在于： 其不需要或只需少部分训练序列，且通信中断后能自动恢复正常工作，因此可以很 好地运用于多点通信系统和接受系统中的均衡和信道估计问题。此项技术的实际应 用，对于提高接受信号的质量、保证信息的准确可靠，具有十分重要的意义。 信道估计是通信领域的一个研究热点，它是进行相关检测，解调，均衡的基础。 在众多的信道估计算法中，盲信道估计算法有着诸多的优点不需要训练序列 或导频信号，能有效的利用频带资源，因此它受到了科研工作者们的关注。近年来， 己研究出的几种盲信道估计算法大致可分为以下三种：其中一些算法是基于输出数 据的循环平稳性的盲信道估计算法 2 3 2 4 ：另一些是基于自相关矩阵的子矩阵分解 的盲信道估计算法 2 7 2 8 】或基于最小输出能量( m o e ) 的盲信道估计算法【2 6 】。然而， 这些算法收敛过慢，计算复杂度高，这给实际应用带来了很大的困难，有待于进一 步的改善。 盲信道估计优于传统的信道估计之处在于：其不需要用训练序列，且通信中断 后能自动恢复正常工作，因此可以很好地运用于多点通信系统和接收系统中的信道 估计问题。此项技术的实际应用，对于提高接收信号的质量、保证信息的准确可靠， 具有十分重要的意义。 1 3 本论文的主要工作及章节安排 在o f d m 、m i m o o f d m 通信系统中，要能有效抑制信道带来的畸变并正确 获得发射端发送的数据，精确的信道估计和良好的均衡算法就成为系统的关键。 本文围绕o f d m 与m i m o o f d m 系统中的盲、半盲信道估计技术展开分析研 究，在讨论了o f d m 、m i m o 技术的基本理论和原理的基础上，将半盲、盲方法 和自适应、基于导频的信道估计等方法结合起来应用于o f d m 与m i m o - o f d m 系 第6 页 竺! 里坚墨苎! ! 兰苎堡苎兰! ! ! 生 和应用，都