（信号与信息处理专业论文）中继增强型通信系统中的信道估计技术研究.pdf

摘要 在未来无线通信系统中，中继技术是有效提升无线通信系统整体性能的关键技术之一，而信道 估计技术不论是在基于中继站的o f d m 系统还是m i m o 系统中都有着重要的意义，如为了实现协 作处理的预编码，接收信号相干解调等都必须获得准确的信道状态信息。本论文首先总体地研究分 析了中继增强型通信系统中的信道估计技术和传统信道估计的不同点，然后分类研究分析了d f 中 继通信系统中的信道估计技术，单天线a f 中继通信系统中的信道估计技术，最后提出了多天线a f 中继通信系统中的信道估计方法。论文主要工作如下： l 、研究了移动通信信道模型，包括信道统计特性，常用信道模型，以及一般t d l 模型和m i m o 简单信道模型的仿真实现方法，然后详细论述了8 0 2 1 6 j 标准中中继相关的帧结构。 2 、研究分析了d f 中继增强型通信系统中的信道估计方法。第一是考虑中继站引入的延时因素 时导频辅助l m m s e 信道估计算法的改进，第二是多中继站分布式通信系统中基于训练序列符号的 m l 信道估计算法。重点在于带有所有中继站功率限制条件的训练序列优化设计问题从误符号率 和误比特率性能指标分析了算法性能。 3 、研究分析了单天线a f 中继增强型通信系统中的信道估计方法。第一是中继站的移动性和增 益可变性对系统性能的影响及相应导频辅助的l m m s e 信道估计算法的公式推导。第二是单中继站 协作通信系统中两种估计策略即直接估计两跳等价信道的c - c e 和分别估计两跳信道的d - c e 之间的 性能比较，以及d c e 策略中用于后向信道估计值反馈的g l a 量化比特数的取值分析。第三是多中 继站分布式通信系统中采用直接两跳信道估计策略的基于训练符号的信道估计器的设计及其训练序 列优化设计问题。分别研究分析了l s 和m m s e 信道估计算法中优化对应训练序列以及预编码矩阵 的凸优化过程及其解形式，通过仿真给出了性能分析。 4 、提出了多天线a f 中继增强型通信系统中的信道估计方法，研究分析了中继站采用s t b c 编 码的信号传输过程及l m m s e 算法的公式推导，并给出了仿真结果和性能分析。 关键词：放大中继，解码中继正交频分复用，多输入多输出，信道估计，导频序列，最小二乘估 计，最小均方误差估计，最大似然估计，空时编码，等价两跳信道估计分别两跳信道估计 i l l a b s t r a c t r e l a y i n gt e c h n o l o g yi si d e n t i f i e da so n eo fk e yt e c h n o l o g i e sf o ri m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e m i nt h ef u t u r ew i r e l e s sn e t w o r k s b e f o r ee n j o y i n ga l lt h eb e n e f i t sb r o u g h tb yt h er e l a yn e t w o r k a na c c u r a t e c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o ni sr e q u i r e da tt h ed e s t i n a t i o no ra tb o t hr e l a ya n dd e s t i n a t i o n s on om a t t e ri n r e l a yb a s e do f d mc o m m u n i c a t i o ns y s t e mo rm i m oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m , c h a n n e le s t i m a t i o np l a y sa n i m p o r t a n tr o l ef o rc o o p e r a t i v ep r e c o d i n go rc o h e r e n td e m o d u l a t i o ne t c o p e r a t i o n s i nt h i st h e s i s w ef n s t a n a l y s e t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nc h a n n e le s t i m a t i o nf o rr e l a yn e t w o r k sa n dt h et r a d i t i o n a lc h a n n e i e s t i m a t i o na p p r o a c hb e t w e e nt h ei n d i v i d u a lt r a n s m i t t e r sa n dr e c e i v e r s a n dt h e na c c o r d m gt ot h a t w e s e p a r a t e l ys t u d yt h ed fb a s e dt r a n s m i t i o nr e l a t e dc h a n n e le s t i m a t i o n c h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n o l o g yi n s i n g l ea n t e n n aa fr e l a yn e t w o r k s a tl a s tw ep r o p o s ec h a r m e le s t i m a t i o nt e c h n o l o g yi na fr e l a yn e t w o r k s w h e r er e l a yi sp a c k e dw i t hm u l t i p l ea n t e n n a s t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s 1 c h a n n e lm o d e l sf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r ef i r s ts t u d i e d ，i n c l u d i n gc h a n n e ls t a t i s t i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，o r d i n a r yc h a n n e lm o d e l sa n dt h er e a l i z a t i o nm e t h o df o rt d lc h a n n e lm o d e la n df r e q u e n c y f i a tm i m oc h a n n e lm o d e l a n dt h er e l a yr e l a t e df r a m es t r u c t u r ei nt h es p e c i f i c a t i o no f8 0 2 1 6 js t a n d a r di s d e t a i l e d l yd e s c r i b e dl a t e r 2 c h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u e si nd fr e l a yb a s e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e r n sa r es t u d i e d f i r s t u 订m s ec h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u ef o ra l lo f d mc o o p e r a t i v es y s t e mi ss t u i d e db yt a k i n gi n t oa c c o u t t h ee 妇f e c to fp r o p a g a t i o nd e l a y sd u et or e l a y i n g s e c o n d t r a i n i n gb a s e dc h a n n e le s t i m a t i o nf o rr e l a y n e t w o r k st h a te m p l o yt h ed e c o d e a n d f o r w a r ds c h e m ei ss t u d y e d s i n c em u l t i p l er e l a yn o d e sa r e g e o g r a p h i c a l l yd i s t r i b u t e do v e rt h es e r v i c er e g i o nc h a n n e le s t i m a t i o ni sd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lw a yi n t i l a te a c hr e l a yh a si t so w ni n d i v i d u a lp o w e rc o n s t r a i n t m lc h a n n e le s t i m a t i o na n dt h ec l o s e df o r i l l s o l u t i o n so ft h eo p t i m a lt r a i n i n ga sw e l la st h eo p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o nw h i e hf o l l o w sam u l t i 1 e v e l w a t e r f i l l i n gs t r u c t u r ea r ed e r i v e d f i n a l l ys i m u l a t i o nr e s u l t sa r ed i s p l a y e dt ov a l i d a t et h ep r o p o s e ds t u d i e s 3 。c h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u e si ns i n g l ea n t e n n a 吣r e l a yb a s e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r es t u d i e d f i r s t ，b a s e du p o nr e l a ym o b i l i t ya n dr e l a yg a i n ，a p p r o p r i a t ec h a n n e lm o d e l sa r es e l e c t e da n dp i l o ts y m b o l a i d e dl m m s ec h a n n e le s t i m a t o ri sd e s i g n e d s e c o n d t w od i f f e r e n tp i l o t s y b o m l a s s i s t e dc h a n n e l e s t i m a t i o nm e t h o d sa r cc o m p a r e d i nt h ef i r s te s t i m a t i o nm e t h o dn a m e l yc - c e t h ec a s c a d e dc h a n n e l c o n s i s t i n go fs o u r c e - t o r e l a ya n dr e l a y t o - d e s t i n a t i o nl i n k si se s t i m a t e da tt h ed e s t i n a t i o nt e r m i n a lw h i l ei n t h es e c o n dm e t h o dd - c e 。t h et w ol i n k sa r ec a r r i e do u ta tt h er e l a ya n dd e s t i n a t i o nt e r m i n a l s ，r e s p e c t i v e l y a n dt h ep e r f o r m a n c ew i t ht h ed i f f e r e n tn u m b e ro fe m p l o y e dq u a n t i z a t i o nb i t si nd c ei sa n a l y s i s e d t h j r d t r a i n i n gb a s e de h a n n e le s t i m a t i o ns c h e m et h a td i r e c t l ye s t i m a t e st h eo v e r a l lc h a n n e l sf r o mt h es o u r c et ot h e d e s t i n a t i o nf o rr e l a yn e t w o r k st h a te m p l o yt h ea m p l i f y - a n d f o r w a r ds c h e m ei ss t u d y e d s i n c em u l t i p l er e l a y n o d e s 锄七g e o g r a p h i c a u yd i s t r i b u t e do v e rt h es e r v i c er e g i o n c h a r m e le s t i m a t i o ni s d i f f e r e n tf r o mt h e t r a d i t i o n a lw a yi nt h a te a c hr e l a yh a si t so w ni n d i v i d u a lp o w e rc o n s t r a i n t b e s i d e s ar e l a ym u s tl i n e a r l y p r e c o d ei t sr e c e i v e dt r a i n i n gs e q u e n c eb yas o p h i s t i c a t e d l yd e s i g n e dm a t r i xi no r d e rt om i n i m i z et h e c h a n n e le s t i m a t i o ne r r o r b o t ht h el sa n dm m s ee s t i m a t o ra r es t u d i e d t h ec o r r e s p o n d i n go p t i m a lt r a i n i n g s e q u e n c e sa sw e l la st h eo p t i m a lp r e c o d i n gm a t r i c e sa r ed e r i v e df r o ma ne f f i c i e n tc o n v e xo p t i m i z a t i o n p r o c e s s f i n a l l ys i m u l a t i o nr e s u l t sa r ed i s p l a y e dt ov a l i d a t et h ep r o p o s e ds t u d i e s 4 c h a n n e le s t i m a t i o na p p r o a c hf o rm u l t i p l ea n t e n n aa fr e l a yb a s e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi s p r o p o s e d l m m s ec h a n n e le s t i m a t i o na n dt h et r a n s m i t i o np r o c e s sw h e r er e l a yt r a n s m i t t e ra n t e n n a s 舡 c o m b i n e dw i t hs t b ca r ed e s i g n e da n dd e r i v e d f i n a l l ys i m u l a t i o nr e s u l t sa r ed i s p l a y e dt ov a l i d a t et h e p r o p o s e ds t u d i e s k e y w o r d s ：a m p l i f y a n d f o r w a r dr e l a y , d e c o d e - a n d f o r w a r dr e l a y ，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 ，m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，p i l o ts e q u e n c e ， 、l e a s t s q u a r e ，m i n i m a lm e a ns q u a r ee r r o r , m a x i m a ll i k e l i h o o d ，s p a c e - t i m e b l o c k c o d e ， c a s c a d e d c h a n n e l - e s t i m a t i o n ( c c e ) ，d i s i n t e g r a t e d c h a n n e l e s t i m a t i o n ( d - c e ) i v 图表目录 图1 1 中继增强型蜂窝网1 图2 1 等效低通信道响应c ( r ；t ) 示意图。l o 图2 2 统( 矽；岔) 与c a r ；a t ) 转换关系示意图1 l 图2 3j a k e s 功率谱1 3 图2 4 频率选择信道的抽头延时线模型1 4 图2 5 衰落仿真器滤波器实现法15 图2 - 6m i m o 频率平坦型衰落信道模型18 图2 7 多谱勒频率对频率平坦慢变信道的影响1 9 图2 8 频率选择性慢变信道时频响应v - = 3 k m h 2 1 图2 - 9 频率选择性慢变信道时频响应v = 1 0 k m h 21 图2 1 0 频率选择性慢变信道时频响应v = 3 0 k m h 2 2 图2 1 1 频率选择性慢变信道时频响应v = 1 2 0 k m h 2 2 图2 1 2 8 0 2 1 6 e 中t d d 方式下o f d m 帧结构2 6 图2 1 3 透明中继帧结构2 7 图2 1 4 非透明中继帧结构2 8 图3 1o f d m 发射机框图。3 2 图3 2l m m s ev s l s - l i n e a r 误符号率性能比较3 5 图3 3l m m s ev s l s l i n e a r 误比特率性能比较3 6 图3 4b s m s 链路延时估计值v s 实际延时值3 6 图3 5i 述m s 链路延时估计值v s 实际延时值3 7 图3 - 6d f 多中继站分布式网络3 7 图3 7 多级加权注水结构4 2 图3 8 训练序列和功率分配不同使用策略之间的性能比较，m = n = 4 4 4 图3 - 9 训练序列和功率分配不同使用策略之间的性能比较，m = 4 ，n = 8 一4 4 图3 1 0m l 信道估计b e r 曲线。4 5 图4 1 固定中继站，= 5 5 2 图4 2 移动中继站，= 5 。5 3 图4 3 导频插入周期的影响5 3 图4 - 4 中继站靠近信源= 3 0 d b 5 6 图4 5 中继站处于信源和用户中间g r d = 0 d b ”5 6 图4 - 6 中继站靠近用户= - 3 0 d b _ 5 7 图4 7c c e 方法中中继站位置不同时的性能比较5 8 图4 8d c e 方法中中继站位置不同时性能比较5 8 v i i 图4 - 9 基于a f 多中继的网络传输模型5 9 图4 1 0 中继端使用预编码和不使用预编码性能比较6 7 图4 1 1 优化训练序列v s 随机训练序列性能比较。6 8 图4 1 2l s 估计：优化训练序列v s 随机序列性能比较。6 9 图4 1 3m m s e 估计：优化训练序列v s 随机序列性能比较6 9 图4 1 4l s 信道估计v s m m s e 信道估计7 0 图4 1 5l s 信道估计训练符号长度n = 4 和n - - 8 误比特率性能比较7 1 图5 1 多天线中继传输网络模型7 3 图5 2a f 中继站处理框图7 4 图5 3a f 中继采用两根发射天线和单根发射天线误符号率性能比较8 3 图5 4 a f 中继采用两根发射天线和单根发射天线误比特率性能比较8 3 图5 5l s 和l m m s e 信道估计误符号率性能比较8 4 图5 - 6l s 和l m m s e 信道估计误比特率性能比较8 4 表2 1i t u 主要信道模型及参数。1 7 表2 2 玎u 信道模型的相对功率( d b l 。1 7 表2 3i t u 信道模型的相对延时( 眦1 1 7 表3 1p e d - a 模型相对功率和时延3 4 表3 2 系统参数3 4 表4 1 基于导频的信道估计中导频插入周期5 0 表5 1p e d - al o s 模型相对功率和时延( v - - 3 k m h ) 7 4 表5 2v c h - a 模型相对功率和时延( v = 3 ，3 0 ，1 2 0 k m h ) 。7 4 表5 3 系统参数8 2 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 幺塑丑 e l 期：型啦廿 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：丛凋导师签名： 日 期丛呷j ，仁 第l 绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 未来移动无线通信为了实现宽带、随时随地、以任何方式进行信息交流的目标要求具有高质 量、高可靠性、高传输速率的移动通信技术。近年米将中继( k c l a y ) 技术和协同( c o o p e r a t i o n ) 技术引入传统蜂窝网络已经成为一个热点研究方向u “。 现代无线小区网络并不仅仅为用户提供高质量的话音服务同时还提供数量庞大的数据传输服 务，倒如无线互联网、多媒体服务、文件传送和下载服务等。这些服务导致了对未米无线小区网络 的新需求更大的数据吞吐量和更高的数据速率范围。传统的无线小区网络在成本受限的情况_ 卜 并不能提供足够高的信号干扰噪声比以满足这些新的要求。解决以上矛盾的众多方法中多天线技 术确实可以提升发送容量从而提高整体数据吞吐量，分集技术采用s t c 空时编码也可以抗时间选择 性衰落从而增强传输可靠性。但实际中用户终端上安装多根天线受体积大小影响不可能实现这 时中继通信技术成为特别合适的选择。多跳中维链路因为能够有效改善无线通信链路的信道质量， 有利于系统容量的提高以及网络覆盖面的拓宽等优点而逐渐受到通信界的肯定和关注。 中继蜂窝两中移动台通过两种方式到达基站，一种是传统蜂窝网中的直接连接方式：另一种 是移动台和中继站连接通过中继站的转接到达基站从而产生一种以基站控制为主、中继站控制 为辅的新型阿络的拓扑结构，如图1 - 1 所示。图中m r b s 表示支持多跳中继功能的基站b s 本篇 论文里为方便叙述直接用b s 表示。中继增强型蜂窝厨不同于传统蜂窝阿的地方有两点，第一是引 中继节点带来的性能改善是拓宽了网络的覆盖面增强了无线通信系统的鲁棒性，针对远近效 应、基站突发式瘫痪等情况都属于很好的解决措施。整个网络架构是以基站控制器为中心、多中继、 多用户环绕的三个主要部分组成：第二是协作通信，主要牵扯到三个层面：( 1 ) 基站控制器控制的多 基站悱作，主要解决小区间干扰使信干噪比丈为降低而严重制约m i m 0 技术有效实现的问题，范分利 用空问复用和空分多址；( 2 ) 基站控制的中继站问协作，主要解扶小区覆盖问题提高系统吞吐量， 部分降低基站工作负荷同时在小区拥挤或基站损毁时，可通过相邻小区间中继站的自组织多跳连 接到相邻基站选到小区间流量平衡毗及损毁情况下两络连通的目的：( 3 ) 中继站控制的多用户协作， 主要获得协作分集，提高用户端谡码性能。 囝1 1 中继增强型蜂窝网 东南大学硕士学位论文 无论基站、中继站和用户是否配置多天线阵列，因为转发信号的中继站起到构成虚拟天线阵列 的作用概念上形成虚拟m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) ，自然而然地进一步结合相关技术 提高系统性能。m i m o 系统中不论是发送端的预编码还是接收端信号相干检测都需要信道状态信息， 信道估计的准确性将直接影响系统的整体性能。即便不是m i m o 系统，只存在基站中继一用户链路 的情况下，用户端为了对接收信号进行相干解调仍然需要对信道参数进行估计。众所周知，对于宽带 移动通信系统来说，由无线信道的时延扩展和多谱勒扩展所引发的频率选择性和时间选择性衰落恶化了 通信系统的性能，因此将具有良好的抗频率选择性衰落性能的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 n m u l t i p l e x i n g ) 技术融入中继技术、m i m o 技术就成为一种很自然的想法。o f d m 是一种高效多载波传 输技术，它将高速串行数据流通过串并变换，转化为传输速率相对较低的数据流在一组子信道中传 输。由于o f d m 中各子载波相互正交，在频域上各子信道相互重叠，因而它能够提供比一般频分复 用系统高很多的频谱利用率。由于大部分干扰消除算法和解码算法都需要用到全部或部分信道信息，因 此精确的信道估计将极大的提高采用相干解调的o f d m 系统性能。所谓的信道估计，就是从接收数据中 将假定的某个信道模型的模型参数估计出来的过程。许多中继相关的文献表明，尽管中继技术优点很明 显，但大部分信息理论受限于一个理想假设，信道状态信息c s i 完全可获得。因此，实际系统中如 何估计信道是十分重要的课题。这也是本篇论文研究的主要目的。 1 2 参数估计方法概述 通信系统中的信道估计属于参数估计m 的一种应用，而一般的参数估计理论研究的是如何由一 组给定的观测样本数据获得有关随机变量和随机过程的一些重要特性和参数。 设口是要估计的参数x a ，也，h 是与目相关的可用样本，估计函数口= g ( 五，j c 2 ，h ) 称 为臼的一个估计子。估计误差为p = 0 一矽，常用的参数估计方法有m m s e ，l s ，m l 等等。下面一 一简单介绍原理及经典应用实例： 最小均方误差估计m m s e 目的是使得估计误差的均方期望值最小，即 m i n e ( 痧一口) 2 ) = c e ( 疹一9 ) 2 ( 五，而，h ，口) 血红，d x d 秒 ( 1 2 - 1 ) 为降低复杂度最常用的形式是线性最小均方误差估计l m m s e ，估计子为观测样本线性加权之 。 n 一 和参= 薯。下面的任务是确定加权系数w i ，w ，使均方误差e p 2 ) = e ( 参一日) 2 ) 最小。 i = 1 分别对每一系数，f = l ，n 求偏导置0 ，得到一组正交性方程 掣：e i o e 2 ) ：2 e e 罢) ：2 e e x ，) ：0 扣1 ( 1 - 2 2 ) d 岷 a m州 这就是正交性原理，要使均方误差最小，当且仅当估计误差正交于每一个给定的数据样本。 将( 1 2 2 ) 式改写为： e 甄 = e ( _ _ 一矽) 玉 = e m 一 一e 眠 j m e ( 一再) = e 钆) ，i = 1 ，n - i j - i j = t 令r 缸= 【 口 ， 口h ) 】r w = 【，】r ，r = e ( x ：c j ) ，则有r n w = r o i 。 最大似然估计m l 目的是最大化对数似然函数l = h a f ( x , ，x 2 ，hi 矽) ，一般是通过对参数目求偏导即o l o o ， 2 第1 苹绪论 若参数为矢量，则对每一元素分别求偏导置0 获得最优解。 假设通信系统中接收信号为：z = h s + w ，其中s 为发送信号，日为传输信道，w 是与s 相互 独立的加性高斯白噪声a w g n 。现通过观测接收信号x 估计信道h ，m a xl 等价于 1 1 m a x l ( x l h ) = f , ( x - h s ) 5 五芸严e x p 一( x - h s ) 日( x - h s ) - 最终m l 参数估计转化为 m i n ( x h s ) 月( x h s ) ) 。 最小二乘估计l s 目的是使得样本拟合误差的平方值最小，求解步骤同上，对参数求偏导等于0 解方程。 假设样本和估计参数的关系为工= a o + s ，其中a 为系数矩阵，拟合误差为 m i n ( x a 舀) r ( x a 舀) ：x r x 一0 r a r x x r a 0 + 0 r a r a 0 ( 1 2 3 ) 对( 1 2 - 3 ) 式关于否求偏导，并利用偏导公式掣：璺坚：6 和鱼垒：即+ a7 ) 工，最终得到 u x0 wo 一a r x 一( x r a ) r + a r a + ( a r a ) 7 否= o ja r a 0 = a r x 。 1 3o f d m 技术概述 1 3 1o f d m 的发展历程 o f d m 技术最早起源于2 0 世纪5 0 年代中期，但是c h a n g 等人1 5 】在1 9 6 6 年首次阐明了我们现 在称之为o f d m 的技术，他提出一种在线性带限信道上同时传输多路信号的方法，可以同时避免信 道间干扰i c i ( i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 和符号间干扰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 ) 。由c h a n g 提出的多信道传输系统与传统多载波传输技术的区别在于子载波的频谱可以相互叠加，其条件是它 们是相互正交的。 1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t t 6 】将离散傅里叶变换d f t ( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 应用于o f d m 系统调制和解调，而d f t 可由快速傅里叶变换f f r ( f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ) 高效地实现。这样系统 就无需用一组振荡器来产生多个子载波，而是通过基带处理实现频分复用从而大大地降低了调制 解调的复杂度。为了消除线性时不变信道的i c i 和i s i ，他们提出通过插入一段空白区作为保护间隔 来消除o f d m 块间干扰，但是这并不能保证信号经过弥散信道后各子载波仍保持正交性。 在o f d m 的发展过程中，另一个重要贡献应归功于p e l e d 和r u i z 7 1 。他们在1 9 8 0 年提出了循 环前缀c p ( c y c l i cp r e f i x ) 的概念，用于保持子载波的正交性。与通常在符号间插入空的保护间隔 的做法不同，他们提出在发射端做i f f t 之后将o f d m 符号的后一段样点值复制到该符号的前面作 为循环前缀，从而使得信道与传送符号之间的线性卷积等效为循环卷积，在接收端做f f t 之前先舍 弃循环前缀中的各样点。于是。当c p 长度大于信道的最大时延扩展时，可以消除前一个o f d m 块 的延迟分量对后一个o f d m 块造成的干扰。当然o f d m 系统中加入循环前缀，会带来发射功率和 传输速率的损失，因此在实际系统中可以根据信道特性选择c p 的长度。 1 3 2o f d m 的优缺点 o f d m 技术8 叫的优点包括： o f d m 将频率选择性信道划分为一组平衰落的子信道并行传输数据，从而有效地减小了信道时 延扩展的影响，而且当循环前缀的长度大于信道最大时延扩展时，接收机中可以不采用均衡器 o f d m 的各子载波信道的频谱相互重叠，且每个子信道频域响应的峰值点恰为其它子信道频域 响应的零点，因而既保证了子载波的正交性。也充分利用了频谱资源。 3 东南大学硕士学位论文 可利用f f t i f i r r 快速高效的实现调制解调。 可以根据信道特性自适应地进行各子载波上的功率分配以及选择不同的调制方式，充分利用条 件好的子信道以提高系统性能。 然而，o f d m 技术也存在一些缺点： 与单载波系统相比，o f d m 对频率偏差更加敏感。无线信道的时变性造成的多谱勒频移，或者 发射机和接收机本地振荡器的频率偏差都会破坏子载波的正交性，从而导致i c i 。 o f d m 存在较高的峰值平均功率比，这是由于o f d m 的输出信号由多个子信道上的信号叠加而 成，当这些信号的相位一致时，输出信号的瞬时功率会远远大于平均功率。高峰均比对发射机内的 线性放大器提出了很高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号幅度的变化，就会造成信号波 形和频谱的畸变，因而破坏子载波的正交性。 1 3 3o f d m 的应用现状 目前，o f d m 技术已被众多无线传输标准采纳，比如数字音频广播d a b ( d i g i t a la u t o b r o a d c a s t i n g ) ，数字视频广播d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) ，无线局域网w l a n ( w i r e l e s sl o c a l a r e an e t w o r k ) i e e e8 0 2 1 1 吨和h i p e r l a n 2 。无线城域网w m a n ( w n e l e s sm e t r o p o l i t a na r e a n e t w o r k ) i e e e8 0 2 1 6 d 标准。此外，o f d m 也是未来移动通信系统的关键技术。可以预见，o f d m 技术具有广阔的发展前景。 1 4m i m o 技术概述 1 4 1m i m o 信道容量 信道容量是指信道能够支持的最大无差错传输速率，m i m o 系统在发送端和接收端之间建立了 多个空间子信道。t e l a t a r t l 0 1 和f o s c h i n i 1 1 1 都指出m i m o 信道的容量可以成倍线性增加。下面总结了 一些平衰落m i m o 信道容量的有关公式。 对于一个坼发虬收的m i m o 系统，则有如下传输关系： r = 肛+ n 4 舢 其中，r 为mx l 维的接收信号向量，h 为虬坼维的信道矩阵，s 为rx l 维的发射信号向量， 且其协方差矩阵r 。= e s s 满足t r ( r 。) = 坼，使得发射信号总功率为巨。式( 1 4 - i ) 中n 表示 方差为n 的白高斯噪声向量。因此，m i m o 信道容量为： c = 瓢 1 0 9 2 d e t ( v 矗腿。二h ) 4 其中，信道容量c 的单位是b i t s h z ，d e t ( 1 表示矩阵行列式。 如果发射端无法获知信道信息，只能假设各发射天线上的信号相互独立且能量相等，即r 。= i ， 则此时的信道容量为： c 札9 2 d c t ( i l + 击髓 4 引 若将m i m o 信道矩阵进行奇异值分解为：h = u d v ，则m i m o 信道容量可表示为： c - 驰( 击叫 4 钔 式中，r 表示信道矩阵h 的秩，而五，i = l ，2 ，r 则为h h 的非零特征值。可见m i m o 信道的容量 4 一一一 翌! 至堕堡 可以分解为，个s i s o 子信道的容量之和。若发射端已知信道信息，可以对各子信道进行功率分配， 使式( 1 4 2 ) 取得最大粤，即： c 一和( h 器叫 4 剐 式中，乃表示了各自信道上的功率分配- 且满足乃= 坼。最优的一组7 。应当满足： 以= 卜酱卜乩2 ， 4 旬 其中，为常数；( j ) + 的定义为： ( 工) + = 盂二三： c 4 7 ， 满足式( 1 4 6 ) 的最佳功率分配可由“注水算法”求得眨l 。 迭代实现时- 假设非零特征值五，i = 1 ，2 ，r 按降序排列。首先设置迭代次数p = l ，式( 1 4 - 6 ) 中的常数的计算公式为 p 2 南 噜7 酬 使用这个值，第i 个子信道分配功率计算表达式为 乃= 卜筹 ，f = 1 ，2 ，r 一川 如果存在信道分配的功率值为负，那么通过设置第，一p + l 子信道的功率为0 ，即舍弃这个信道 并且将迭代次数p 加1 ，循环迭代至所有分配信道功率值为非负时结束。 以上讨论了确定m i m o 信道的容量对于衰落m i m o 信道，其信道容量是一个随机变量，通常 用遍历容量( e r g o d i cc a p a c i t y ) 和中断容量( o u t r a g ec a p a c i t y ) 来描述。遍历容量是指随机m i m o 信 道容量的集总平均，故发射端未知信道信息时的遍历容量为： 拈e 9 2 ( 1 + 矗 ) n 4 固 而发射端已知信道信息时的遍历容量为： 良e g ：( h 器名” m 4 却 中断容量用于衡量某个信道容量取