（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统信道估计技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 捅斐 正交频分复用( o f d m ) 技术和多入多出( m i m o ) 技术作为提高数据传输速 率的重要手段受到人们越来越多的关注。对于m i m o o f d m 系统，准确的信道 状态信息( c s i ) 是保证信息可靠接收的保证。信道估计技术对同步、子载波分配 等都有不同程度的影响。因此，准确的估计信道状态信息，是m i m o o f d m 系 统的关键问题之一。 信道估计算法分为导频辅助信道估计算法和盲信道估计算法两种。本文主 要针对m i m o o f d m 系统的导频辅助信道估计技术进行研究。 论文第一部分主要讨论了基于导频符号辅助调制( p s a m ) 方法的 s i s o o f d m 信道估计技术。通过分析块状导频及梳状导频两种导频分布图案， 论文针对块状导频，仿真讨论了l s 、m m s e 两种估计算法，最后针对梳状导频， 比较了线性内插、高斯内插和c u b i c s p l i n e 三种内插算法，并在m a t l a b 平台上给 出了基于块状导频和基于梳状导频的s i s o o f d m 信道估计算法的仿真分析结 果。研究表明，当信噪比增大后，c u b i c s p l i n e 内插法性能明显优于线性内插和 高斯内插。 论文的第二部分围绕基于梳状导频符号的m i m o o f d m 信道估计算法展 开。首先对基于导频位置处的信道估计算法进行研究，并针对l m m s e 计算量 大复杂度高的缺点，将基于奇异值s v d 分解的算法应用于此以降低运算复杂 度。基于导频位置处信道估计算法，论文分析了基于插值的数据位置处信道估 计算法，讨论了线性内插、高斯内插、c u b i c s p l i n e 内插和基于d f t 的信道估计 算法。在此基础上，论文对于基于d f t 的传统信道估计算法进行了改进，通过 在时域忽略次要采样来消除噪声干扰，从而提高了信道估计精度。最后，论文 基于m a t l a b 仿真环境对基于导频符号的m i m o o f d m 信道估计算法进行了仿 真实现。 关键词：m i m o ；o f d m ；信道估计；导频 a b st r a c t o n h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x ( o f d m )a n dm u l t i p l e i n p u t m u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) a r ew i d e l yr e c o g n i z e da sar e v o l u t i o n a 秽t e c h n 0 1 0 9 yf o r p r o v l d m gh i g h e rd a t ar a t ei 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 o b v i o u s l y , a c c u r a t ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o ni se s s e n t i a lt o r e l i a b l ei n f o r m a t i o n r e c o v e r y c h a n n e le s t i m a t i o n t e c h n i q u e h a sd i f f e r e n t l e v e l so f i m p a c tt o s y n c h r o n i z a t i o na n ds u b - c a r r i e ra l l o c a t i o n t h e r e f o r e ，t h ea c c u r a t ee s t i m a t i o no f t h e c n a l l n e ls t a t ei n f o r m a t i o ni so n eo ft h ek e yi s s u e sf o rm i m o o f d m s y s t e m t l l e r e a r em a i n l yt w oc h a n n e le s t i m a t i o n m e t h o d s ：p i l o t - a i d e dc h a n n e le s t i m a t i o na n d b l i n d c h a n n e le s t i m a t i o n t h i st h e s i sm a i n l yc o n c e r n so n l yw i t ht h e p i l o t a i d e dc h a n n e l e s t i m a t i o nt e c h n i q u e sf o rm i m o o f d m s y s t e m p l r s t ，p i l o ts y m b o la s s i s t e d m o d u l a t i o n ( p s a m ) c h a r u l e le s t i m a t i o ni s 1 n v e s t l g a t e df o rs i s o - o f d ms y s t e m s ，m a i n l yf o c u s i n g o nt h eb l o c k t y p ea n d c o m b - t y p ec h a n n e le s t i m a t i o n ac o m p a r a t i v ea n a l y s i s o np o p u l a rp i l o ta s s i s t e d e s t l m a t i o n a l g o r i t h m si s p r o v i d e d ，i n c l u d i n gl s ，l m m s ep i l o te s t i m a t i o n a i g o r i t h m s ，f o l l o w e db yt h r e e i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m s ，i e 1 i n e a r i n t e r p 0 1 a t i o n u a u s s l o n i n t e r p o l a t i o na n dc u b i c s p l i n e i n t e r p o l a t i o n i ti ss h o w nb ym a t l a b s l m u i a t l o na n d a n a l y s i st h a t ，w i t ht h ei n c r e a s eo f s i g n a l t o n o i s er a t i o t h e c u b l c s p l i n ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mo u t p e r f o r m so t h e rt w oi n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m s n e x t ，c o m bp i l o ts y m b o la s s i s t e dm o d u l a t i o n ( p s a m ) c h a n n e le s t i m a t i o nf o r m m o o f d m s y s t e mi si n v e s t i g a t e d f o rt h ec h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mo f p i l o t l o c a t i o n , mo r d e rt or e d u c et h eh i g hc o m p l e x i t yo fl m m s e a l g o r i t h m ，as i m p l i f i e d m e t h o db a s e do nt h e s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o ni s g i v e n t h e nt h ec h a n n e l e s t l m a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h ei n t e r p o l a t i o no f t h ed a t al o c a t i o n ，i n c l u d i n gl i n e a r i n t e r p o l a t i o n ，g a u s s i o ni n t e r p o l a t i o n ，c u b i c s p l i n ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m sa n dd f t c n a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d ，i sd i s c u s s e d o n t h i sb a s i s ，b yn e g l e c t i n gs e c o n d a s a m p l i n gi nt h et i m e - d o m a i nt oe l i m i n a t en o i s ei n t e r f e r e n c e ，t h et r a d i t i o n a ld f t 西南交通大学硕士研究生学位论文第i 页 c h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o di s i m p r o v e d ，f o l l o w e db ym a t l a b b a s e dc o m p u t e r s i m u l a t i o na n dd i s c u s s i o n k e y w 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 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：爵蝴 日期： 认。8 1o c 7 指导老师签名 日期：8 ， 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： l 、研究了基于导频位置处的m i m o o f d m 信道估计算法，针对l m m s e 计算量大复杂度高的缺点，将基于奇异值s v d 分解的简化算法应用于 此以降低运算复杂度，仿真结果表明s v d 简化算法的性能和l m m s e 信道估计算法几乎一样，但运算复杂度得到较大降低。 2 、通过研究基于插值的数据位置处m i m o o f d m 信道估计算法，将忽略 时域次要采样的方法应用于此以改进d f t 估计算法的性能，仿真结果 表明改进后算法的性能略有提高。 3 、针对梳状导频，仿真和分析比较了线性内插、高斯内插和c u b i c s p l i n e 三种内插算法。研究表明，当信噪比增大后，c u b i c s p l i n e 内插法性能明 显优于线性内插和高斯内插。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 无线通信技术，以在无线信道环境中可靠有效地传输数据为目标。由于日 新月异的通信业务对数据传输速率和应用环境的要求迅速提升，使得无线通信 面临频谱资源严重不足和必须适应更加恶劣的信道环境两大问题。 为了更好地解决这些问题，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 ，多输入 多输出) 与o f d m ( 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 ，正交频分复用) 应运而生，并且迅速成为广受关注的焦点。m i m o 充分利用各发送接收天线之 间的空间散射信道，在原有带宽和功率条件下成倍地提高系统传输速率。可以 通过空时编码获得分集增益，提高可靠性，也可以通过空间复用获得成倍增长 的信道容量。o f d m 作为一种多载波调制技术，通过把高速数据流分成多条并 行低速数据流，可以在高速数据传输中有效地抵抗多径信道频率选择性衰落的 影响。相互正交的子载波也提高了频谱利用率，具有频谱效率高、带宽扩展性 强、抗多径衰落并且保持较高的传输速率的潜力和优势。同时由于它采用了离 散傅立叶变换，大大降低了接收机的实现复杂度。 1 1 引言 随着第三代移动通信系统的日益成熟，世界上已广泛开展对第四代移动通 信系统的开发研究 1 】【2 1 。o f d m 技术具有较高的频谱效率和抗多径干扰的特点， 是当今宽带无线移动通信的宠儿。m i m o 技术可以在不增加宝贵频带的基础上， 通过在发射端和接收端增加天线数目，提供空间分集或者复用，提升系统的吞 吐量，提高系统的功率效率和改善系统的b e r 性能。 m i m o 和o f d m 技术的结合目前被广泛认为是提高频谱效率和提升系统 吞吐量的最有效手段，是第四代无线移动通信系统物理层的关键技术，是当今 研究的热点【3 】【4 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 研究背景与m lm 0 - 0 f d m 发展现状 1 2 10 f d m 技术 无线通信系统数据传输速率的提高，导致每个码元的传输周期缩短，从而 使多径延时引起的码间串扰更加严重，检测性能随之下降。o f d m 采用并行传 输技术将高速数据分成多个并行的低速数据，在相同时间内同时传输多个码元， 在总数据传输速率不变的条件下，每个码元的传输周期大大增长。o f d m 已成 为下一代无线移动通信系统的主要空中接口技术。 o f d m 技术【3 j 的应用最早起源于2 0 世纪5 0 年代中期，已有近4 0 年的历 史，最初主要用于军用无线通信系统。在6 0 年代就已经形成了使用并行数据传 输和频分复用的概念。1 9 7 0 年1 月首次公开发表了有关o f d m 的专利。2 0 世 纪9 0 年代，随着数字信号处理技术的发展，o f d m 系统在发射端和接收端分 别采用i f f t 和f f t 来实现，使得系统复杂度大大降低，该技术开始广泛应用。 现在，作为多载波调制技术( m c m ) 之一的o f d m 已被广泛应用于下一 代移动通信( 4 g ) 的多种无线系统和传输标准中【5 】，如数字广播系统d a b ，数 字视频广播d v b t ，以及i e e e 的一系列标准包括无线局域网标准 i e e e 8 0 2 1l a g ，无线城域网标准i e e e 8 0 2 1 6 系列等。基于o f d m 的多址接入 技术o f d m a ，可以为每个用户分配信道条件较好的子信道进行数据传输，不 同于o f d m 技术在整个频带内发送，从而保证了各个子载波都被对应信道条件 较优的用户使用，获得了频率上的多用户分集增益。 1 2 2 m 0 技术 m i m o r 6 1 无线通信技术的概念非常简单，任何一个无线通信系统，只要其发 射端和接收端均采用了多个天线或者天线阵列，就构成了一个无线m i m o 系统。 m i m o 无线通信技术采用空时处理技术进行信号处理，在多径环境下，无线 m i m o 系统可以极大地提高频谱利用率3 1 | ，增加系统的数据传输速率。m i m o 技术作为提高数据传输速率的重要手段得到人们越来越多的关注，已经被认为 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 是新一代无线宽带通信系统的革命技术。 m i m o 技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益口1 ，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，而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。m i m o 技术的空间复用就是在接收端和发射端使用多副天线，充分利用空间传播中的 多径矢量，在同一频带上使用多个数据通道( m i m 子信道) 发射信号，从而使得 容量随着天线数量的增加而呈线性增加。这种信道容量的增加不需要占用额外 的带宽，也不需要消耗额外的发射功率，因此是提高信道和系统容量的一种非 常有效的手段。 目前主要的m i m o 系统可以分为两种【8 】【9 1 ，一种以获取空间分集( s p a c e d i v e r s i t y ) 增益为主要目的，在各支路发送相关的编码数据，同时在接收机上 实现合并接收，从而克服无线信道衰落影响。例如空时块状码s t b c 系统和空 时格状码s t t c 系统；另一种以空间复用的方式( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 来提高系统容量，例如贝尔实验室的空间分层传输系统，包括d b l a s t 和 v - b l a s t 系统。 1 2 3mim o - o f d m 技术 面对未来无线通信的两个严峻挑战频谱效率与多径衰落，m i m o 与 o f d m 提供了可能的解决方案：m i m o 借助多根发射与接收天线所提供的多重 空间自由度以改善通信质量，可以通过各个发送天线间的联合编码获得分集增 益，从而提高可靠性，也可以通过空间复用获得成倍增长的信道容量；o f d m 则具有频谱效率高、带宽扩展性强、抗多径衰落并且保持较高的传输速率的潜 力和优势，同时由于它采用了离散傅立叶变换，大大降低了接收机的实现复杂 度。 实际应用中，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 需要增加载波的数量，造成系统复杂度的增加和系统带宽的增大，这对 于当今带宽受限和功率受限的许多系统( 如无线局域网系统) 就不太适合了。 而m m o 系统虽然在一定程度上可以抗多径衰落，但是对于频率选择性衰落， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 m i m o 系统依然是无能为力。将m i m o 和o f d m 技术结合起来，可以很好的 解决上述问题【3 2 】：利用o f d m 技术把频率选择性衰落信道转变成多个子载波的 平衰落信道：利用m i m o 技术在不增加带宽条件下成倍地提高通信系统的容量 和频谱利用率。m i m o o f d m 已逐渐为中短距离无线通信系统所采用，包括 i e e e 8 0 2 1 i n 无线局域网( w l a n ) 、i e e e 8 0 2 1 6 e w i m a x 等。 1 3 m o - o f d m 信道估计技术研究意义及研究现状 1 3 1 研究意义 为了使发送数据经过衰落的信道后，在接收端被正确地接收，数据所经历 的信道衰落影响应被合理地补偿，必须要对信道的状态进行估计。信道估计技 术作为获得信道衰落信息的方法，是提高无线数据传输接收性能的关键技术之 一。信道估计技术同时可以提供多用户检测以及空时码解码、最大比空时合并 等技术所需的关键信息。尤其在无线数据的分组通信中，需要获得每个数据包 历经的信道状态，这使得信道估计成为必不可少的技术。 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。而准确的信道估计是保证m i m o o f d m 系统传输质量，发挥 其优越性的关键u 。 m i m o o f d m 的信道估计技术面临两个问题【l 。其一，导频信息的插入间 隔和优化设计。其二，选取复杂度较低且性能良好的估计算法。 1 3 2 研究现状 目前，信道估计方法主要有两大类：基于导频辅助的估计和盲估计。 基于导频的信道估计一直是研究的热点，8 0 2 1 l a 、d v b 等协议都规定了专 门的导频符号，基于此的估计算法如最4 - 乘法( l s ，l e a s ts q u a r e s ) 、最小均方 误差法( m m s e ，m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ) 、最大似然法( m l ，m a x i m u m 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 l i k e l i h o o d ) 等都得到了广泛的研究。在基于导频符号的信道估计算法中，导频插 入方案可分为三类：块状导频分布、梳状导频分布和二维散布导频分布 删，基 于块状导频的插入方式，又称之为基于训练序列【4 5 】的辅助信道估计方法。 在对训练序列的研究上，y el i 等人验证了使用空时编码发射分集的o f d m 系统，采用适合的信道估计，将为移动无线信道提供很高的数据传输率。后又 提出基于m i m o o f d m 的增强型信道估计算法、简化信道估计算法以及最优训 练序列设计。国内近两年也广泛开展了对于空时分组训练序列的研究m n 知。， 目前也有研究将隐序列作为训练序列进行m i m o o f d m 的信道估计。 在m i m o o f d m 系统中，采用梳状导频的传统信道估计技术在子载波边 缘会产生相当大的均方误差( m s e ) 。对此，在m i m o 系统中需要对梳状导频进 行改进：文献 4 9 提出了一种循环的梳状导频结构。文献 5 0 针对信道冲激响 应最大抽头数大于每个o f d m 符号中导频数，提出结合前后梳状导频序列，证 明比块状导频序列有更小的均方误差。 另一种方法，即盲信道估计，不借助导频符号，不占用频谱资源，仅仅利 用所接收到的信息序列即可对信道做出估计。该方法主要应用接收信号的高阶 统计量进行信号处理来获取信道信息，需要很大的样本集，收敛速率慢，计算 量也很大，不利于实时通信。m i m o o f d m 的信道盲估计算法绝大部分都基于 其二阶统计量，包括子空间分解的方法，最 b - - 乘法以及线性预测法等，其中 尤以子空间分解法最为突出。目前有不少研究将盲估计与m i m o o f d m 系统的 一些其它技术结合起来，比如将盲信道估计与空时分组码( s t b c ) 相结合，将 盲信道估计与信号检测结合，进行联合迭代等。 1 4 本文主要研究内容与章节安排 本文围绕m i m o o f d m 系统的信道估计技术展开分析研究，采用理论分析 与计算机仿真相结合的方式，从理论和实践两方面验证所做工作的正确性和可 行性。论文的结构安排如下： 第一章主要介绍论文的研究背景，o f d m 、m i m o 的技术背景与发展现状， 及信道估计技术概况。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章主要讨论无线信道的传播特性。 第三章主要研究基于导频符号辅助调制( p s 枷) 方法的s i s o o f d m 信道 估计技术，针对块状导频及梳状导频两种导频分布图案，介绍了l s 、m m s e 两种估计准则和线性内插、高斯内插、c u b i c s p l i n e 内插三种差值算法，并在 m a t l a b 平台上进行仿真实现。 第四章主要研究基于梳状导频符号的m i m o o f d m 的信道估计算法。首先 对基于导频位置处的信道估计算法进行研究，介绍了l s 、l m m s e 和针对 l m m s e 改进的s v d 算法；然后分析基于插值的数据位置处的信道估计算法， 介绍了线性内插、高斯内插、c u b i c s p l i n e 内插和基于d f t 的信道估计算法，在 此基础上，对于基于d f t 的传统信道估计算法进行了改进，通过在时域忽略次 要采样来消除噪声干扰，从而提高了信道估计精度。最后在m a t l a b 仿真平台上 进行了仿真实现。 第五章总结了本文的工作，就本文的主要贡献以及在未来需要进一步深入 研究的内容进行了归纳。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章无线衰落信道 无线电波在空间传播时，会经历反射、衍射和散射等，到达接收端的是多 路信号的叠加。由于无线信道的复杂性和不可预见性，在接收端必须通过信道 估计来恢复发送数据。认识无线信道，正确建立无线信道模型是开展信道估计 研究的首要环节。本章对无线信道模型和两个最主要的影响因素进行了介绍。 2 1 无线移动信道模型 无线信道传播中信号强度的变化受三个因素的影响【1 2 】： l 、路径传播衰落，或称自由空间传播损耗与弥散，是电磁波在空间传播中 随着传播距离的变化造成的强度变化，用id - - b 表示，其中ldi 表示移动台与基 站的距离，刀一般为3 4 ； 2 、大尺度衰落，或称阴影衰落，是由于传播环境中的地形起伏，建筑物及 其它障碍物对电波遮蔽所引起的衰落，用s ( d ) 表示： 3 、小尺度衰落，或称多径衰落，是由于移动传播环境的多径传输而引起的 衰落，主要由多径复杂程度、移动台速度、接收机周围物体的运动速度以及信 号带宽来决定，用r ( d ) 表示。 在三种衰落的影响下，接收信号功率可表示为： p ( d ) = ldr s ( d ) r ( d ) ( 2 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 2 无线信道的传播情况 2 2 1 多径延时 由于多径延时，发射端发送一个窄脉冲信号，在接收端将收到多个窄脉冲， 每一个窄脉冲的衰落和时延都是不同的，如图2 2 ( a ) 所示。这样就造成了信 道的时间弥散性，一个符号的波形会扩展到其它符号中，造成符号间干扰( i s i ， i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 。为了避免产生i s i ，应该使得符号宽度远远大于最大 时延扩展。对应一个发送脉冲信号，接收端接收到的信号情况如图2 1 所示， 其中乙。，为最大时延扩展。 霸 图2 1 多径衰落对接收信号的影响 在频域内，将最大时延扩展的倒数定义为相干带宽： ( 衄) 。亡 ( 2 2 ) 从频域的角度观察，多径信号的时延扩展可以导致频率选择性衰落，即针 对信号中不同的频率成分，无线传输信道会呈现出不同的随机响应，由于不同 的频率分量衰落不一致，所以经衰落后，信号波形会发生畸变。由此可见，当 信号的频率较高，信号带宽超过无线信道的相干带宽时，信号中各频率分量通 过无线信道发生的变化是不一样的，引起信号波形的失真，造成符号间干扰， 形成频率选择性衰落；而当信号传输速率较低，信号带宽小于相干带宽时，信 号通过无线信道时，各频率分量都收到相同的衰落，则衰落波形不会发生失真， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 没有产生符号间干扰，认为信号只是经历了平坦衰落，即非频率选择性衰落。 2 2 2 多普勒频移 信道的时变性是指信道的传递函数是随时间变化的，即在不同时刻发送相 同的信号，在接收端接收到的信号可能是不同的。时变性在移动通信系统中的 具体体现之一就是多普勒频移。即当移动台在运动中进行通信时，接收信号的 频率会发生变化。则单一频率信号经过时变衰落信道之后会呈现为具有一定带 宽和频率包络的信号，如图2 2 ( b ) 所示。这也被称为信道的频率弥散性。 教避攘教 ，。，。口口田目墨 ，。， 0羹口目 川，墨陆 图2 - 2 ( a ) 多径造成的信道时变性( b ) 多普勒频移造成的信道频率弥散性 多普勒效应所引起的附加频率偏移称为多普勒频移，可以用下式表示： 石：v c o s 秒= 堕c o s 目= 厶c o s l 9 ( 2 3 ) i ,c 其中z 表示载波频率，c 表示光速，厶表示最大多普勒频移，v 表示移动 台的行进速度，秒表示移动台行进方向与入射波方向夹角。从公式中可以看到， 多普勒频移与载波频率以及移动台行进速度成正比。当移动台向入射波方向移 动时，多普勒频移为正，即移动台接收到的信号频率会增加；如果背向入射方 向运动，则多普勒频移为负，即移动台接收到的信号频率会减小。由于存在多 普勒频移，单一频率信号以频率厶到达接收端的时候，其频谱不再是位于频率 轴f o 处的单一频率信号，而是分布在( 五一厶，五+ 厶) 内存在一定宽度的频谱。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 在时域内，将多普勒频移的倒数定义为相干时间，即： ( 丁) 。寺 ( 2 - 4 ) 相干时间是信道冲击响应维持不变的时间间隔的统计平均值。即在一段时 间间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。如果符号宽度大于信道相干时 间，信号波形可能会发生变化，造成信号畸变，产生时间选择性衰落，或称快 衰落；如果符号宽度小于相干时间，则认为是非时间选择性衰落，或称慢衰落。 2 3 无线衰落信道的统计模型 由于多径效应和多普勒效应，发送信号经过无线信道后，接收信号的包络 将呈现随机性。研究表明，在没有直达路径的情况下( n l o s ) 信道接收信号的 包络服从瑞利分布，在有直达路径的情况下( l o s ) 服从莱斯分布。 2 3 1 瑞利衰落 在移动无线信道中，r a y l e i g h 分布是常见的用于描述平坦衰落信号或独立 多径分量接收包络统计时变特性的一种分布类型引。在典型的陆地移动无线信 道中，假设直射波被阻断，且移动单元只能接收到反射波。根据中心极限定理， 当反射波较大时，接收信号的两个正交分量是均值为零、方差为盯2 的互不相关 高斯随机过程。因此任意时刻的接收信号包络服从瑞利概率分布，相位服从 0 ，2 r e 的均匀分布，瑞利分布的概率密度函数( p d f ) 为： p c 口，= 事e x p 一言a 21 三0 0 , r 0 口8 ， 【0 ， o 式中，参数a 为直射波的最高幅值；j o 表示修正的零阶第一类贝塞尔函数。 显然，若在多径中不存在直射路径( 即a = o ) ，则r i c i a n 分布退化为r a y l e i g h 分 布。一般r i c i a n 分布常用参数k 表示，其中k 表示强支配路径信号能量与多径 分量信号能量之比，通常以d b 方式来表示，即 k = 1 0 1 0 9 1 0 专( 招) ( 2 - 9 ) 参数k 叫做r i c i a n 衰落因子，它确定了r i c i a n 信道特性，当a 专o ，k 专0 ， 即强支配路径幅度变小直到消失时，r i c i a n 分布也就趋近于r a y l e i g h 。 2 4 m 0 信道特性 多入多出( 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 ) 技术是无线移动通信领 域的重大突破。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和 频谱利用率，能满足新一代移动通信系统的高传输速率的要求，是新一代移动 通信系统必须采用的关键技术之一。 m i m o 系统即多输入多输出系统，就是在无线信道中利用多个天线收发来 抑制信道的衰落。对于无线信道而言，由于地形、天气等因素造成电磁波多路 径传播，产生多径衰落，引起码间干扰，会大大降低系统的性能，这是无线信 道相对于有线信道一个先天的缺陷，然而对于m i m o 系统而言，多径可以作为 一个有利因素加以利用。m i m o 系统在发射端和接收端均采用多天线( 或阵列 天线) 和多通道，m i m o 的多入多出是针对多径无线信道来说的。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 f ) 敲霭孝蝶俘 y ( f ) 图2 4m i m o 信道示意图 图2 4 给出了一个典型的m i m o 信道示意图。 图中 x ( f ) = _ ( f ) ，x 2 ( f ) ，x 坼( f ) 7 表示发送信号，毛( f ) 表示第i 根发送天线上的信 号，y ( f ) = 少l ( f ) ，y 2 ( f ) ，少( f ) 7 表示接收信号，乃( f ) 表示第根接受天线 上的信号。由此得到发送端到接收端的无线信道： 式中珥= 1 心。为第，个路径的信道转移矩阵。 i - 1 , = 啊l 2 啊r 7 l 2 2 儿一h 2 坼 h n r ：j ? h n r ：j i h nr n ：j v ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 7 表示第f 根发送天线到第根接收天线间第，个路径的信道增益，表 示天线对间信道可分辨径的数目。因此： y ( f ) = p ( f 沁( f v ) d r ( 2 _ 1 2 ) 、 乃 一r 一一 万h h = 、 f ，l 一， h 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 总的信道转移矩阵可以表示为： h 像引 协 上 其中乃= g a o - z - , ) 为第i 根发送天线到第根接收天线间的信道增益。 由式2 1 3 可以，着出，接收信号是所有发送信号在接受天线上响应的和，要从这 些信号中恢复出原来得信号，我们就要知道天线阵列之间的相关性与各个天线 之间的信道响应。本文在后续章节中应用的是非相关m i m o 信道，这是最理想 的情况。 2 5 本章小结 认识了解信道的传播特性是信道估计的基础。本章首先介绍了无线信道的 各种衰落，给出无线信道模型，然后重点讨论了两大影响因素多径延时和 多普勒频移，及其造成的频率选择性衰落和时间选择性衰落，然后简单介绍了 衰落信道的统计模型一瑞利衰落和莱斯衰落，最后介绍了m i m o 信道的特性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第3 章s is o - o f d m 系统的信道估计 o f d m 系统的信道估计是m i m o o f d m 系统的信道估计技术的一个特例，相 当于s l s o o f d m 系统的信道估计技术。对o f d m 系统的信道估计技术的研究将 对m i m o o f d m 系统的信道估计技术起着指导性的作用。 3 1 o f d m 系统 3 1 1 系统结构 o f d m 技术的基本思想【l3 】是在频域范围内将信道划分为个等宽的并行 子信道从而把高速传输的数据变为条低速传输的数据流，然后再线性调制到 等频率间隔的一组总数为且两两正交的子载波上。从时域上看，这些子载波 之间是彼此正交的。从频域上看，相当于一组总数为的s i n c 函数的叠加，这 些s i n c 函数主瓣峰值之间的间距等于子载波的带宽，该函数以子载波间隔为周 期周期性地出现零值，这样恰好在其它子载波的峰值位置处贡献为零，各子载 波之间完全正交。与以往的单载波传输技术相比，o f d m 具有较高的频谱利用 率。 图3 1o f d m 系统模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 基于f f r 的o f d m 系统框图如图 考虑有n 个子载波的o f d m 系统， 3 1 所示。 在发送端，发送信息经过一定的编码、 调制映射等处理，生成数据符号 x ( 尼) ) ， x ( 后) ) 经过串并转换、i f f t 变换后 得到时域信号 x ( 甩) ) 。 一l x ( 以) = i f f t x ( k ) ) = x ( k ) e x p ( j 2 x n k n ) ，0 n n - 1 ( 3 - 1 ) 七= o 在 x ( 跑) 之前加入循环前缀后，信号发送到信道之中；接收端，接收信号 可以表示为： y ( ，z ) = x ( 刀) ，i ( 玎) + w ( ，1 ) ，0 n n - 1 ( 3 2 ) h ( n ) ：艺秽等邺万( 卜t ) ，l ：0 1 ，一，一l ( 3 - 3 ) 其中，h ( n ) 为信道脉冲响应，c o ( n ) 为加性高斯白噪声，厂为传播路径数，h i 、 厶和t 分别为第i 径的复脉冲响应、多普勒频移和延时。 y ( n ) 再经f f t 转换成频域数据r ( k ) 。整个过程可简化为： y ( 七) = x ( 尼) 日( 七) + 形( 尼) k = o ，1 ，n i ( 3 4 ) 其中，( 后) 为c o ( n ) 的傅利叶变换。 3 1 2o f d m 信道估计概述 研究表明引，如果在o f d m 系统中采用差分相移键控( d p s k ，d i f f e r e n t i a l p h a s es h i f tk e y i n g ) 就不需要进行信道估计，但是这会限制系统的传输速率并导 致大约3 d b 的信噪比损失。鉴于传输速率较高，所以在基于o f d m 的新一代无线 通信系统中要使用相干解调( c o h e r e n td e t e c t i o n ) 技术获得较高的性能。因此信道 估计成为完全实现o f d m 系统优良性能的关键技术之一。 根据利用的信道估计资源不同，o f d m 信道估计又可以分为三类：导频符 号辅助调制( p i l o ts y m b o la s s i s t e dm o d u l a t i o n ，p s a m ) 信道估计【3 4 】、基于判决 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 ( d e c i s i o nd i r e c t ，d d ) 和盲半盲信道估计。在上述三大类o f d m 信道估计方法 当中，目前使用比较多的是导频辅助信道估计，这类信道估计所利用的数学原 理比较成熟，易于工程实现。 导频符号辅助调制( p s a m ) 方法是一种利用导频信息来进行信道估计的 方法。这种方法是在发送端适当位置插入导频，接收端利用导频恢复出导频位 置的信道信息，然后利用某种处理手段如内插滤波变化等获得所有时段的信道 信息。这里涉及到三个主要问题：( 1 ) 发送端导频的选择与插入；( 2 ) 接收 端导频位置信道信息获取的方式；( 3 ) 通过导频位置获取的信道信息如何较好 的恢复出所有时刻信道的信息。 图3 - 2p s a m 实现框图 p s a m 信道估计方法主要依靠插入在数据流当中的导频信号来完成对信道 响应的估计，所以如何选择导频信号的设置方式对于信道估计的性能会有很大 的影响。这其中包括导频插入的密度( 即按多少的比例在数据流中插入导频符 号) 、导频图案( 即按怎样的规律插入导频符号) 等等。根据最优导频信号的设 计思想，在单天线条件下应该采用等功率和等间隔的导频符号。 关于导频的选择与插入这个问题有以下理论性结论【l5 】： ( 1 ) 导频数量：在无噪声的条件下，o f d m 系统中n 个子载波中任何l 个作为训练导频使用，可以完整的恢复信道信息； ( 2 ) 导频位置：在噪声是加性高斯白噪声( a w g n ) 条件下，当l 个导频 的位置为 印+ _ n ，f + 掣 - ，扛o ，l ，了n 一1 时，可以得到信道信息的 ll l j l m m s e 估计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 目前来说，常用的导频图案有以下两种： ( a ) 块状导频：导频在时域周期性的分配给o f d m 符号，见图3 3 。由于 训练符号包含了所有的导频，在频域上是连续估计的，所以在频域就无需插值。 ( b ) 梳状导频：导频在每个o f d m 块中是间隔分布的，见图3 3 。这种模 式在时域上是连续估计的，因为只有某些特定的子载波携带导频，其他的数据 子载波上的信道频域响应需要通过对相邻导频子载波上的信道响应插值而得 到。 嘲 毒 盘 。 昌 n w f i m e 块欲镣频图索 匐 童 雹 墨 覆 图3 - 3 导频图案 3 2o f d m 系统的块状导频信道估计 3 2 1 基本算法 t i m e 桅状蟹频瞪桀 采用块状导频分布的插入方案，导频在时域周期性地分配给o f d m 符号， 所有的子载波均携带导频信息。在接收到含有导频信息的o f d m 符号后，接收 端要依据某种准则来有效地从导频位置恢复出导频时刻信道信息日。常见准则 有最小二乘( l s ) 准则，最小均方误差( m m s e ) 【1 6 】 1 7 】准则。 o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 3 2 1 1 最小二乘( l s ) 准则估计 l s 估计就是在不考虑噪声的条件下，估计信道的冲击响应向量 二_ 拣，甜， 使如下定义的代价函数最小。 j = ( y a f ) ( 】，一灯五) ( 3 5 ) 其中y 是由一个o f d m 符号解调后的输出信号组成的向量。 r - r o ，x ，y 一。】r f 是傅里叶变换矩阵， 由 f = 暇o w ( n n 一1 ) o 蝶。1 ) w ( n n 一1 ) (