（通信与信息系统专业论文）正交频分复用无线通信系统中信道估计与信号检测方法研究.pdf

东南大学博士学位论文 摘要 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 ) 技术具备频谱 利用率高、带宽扩展性强等一系列特点，是下一代移动通信( b e y o n d 3 “g e n e r a t i o n - - b 3 g ) 系统有竞争力的候选方案。b 3 g 系统高数据传输速率、高传输质量和高移动性的要求对 信道估计与信号检测技术提出了非常严格的要求，而相对复杂多变的传播环境则使o f d m 系统的信道估计技术面临更大的挑战。针对上述问题，本论文重点研究了o f d m 系统的 导频辅助信道估计和信号检测技术。 论文首先分析了o f d m 信号在宽带无线传输中所经历的时频选择性衰落特性，在此 基础上设计了b 3 g - - o f d m 系统室内和室外传播环境的导频模式，并据此导频模式给出 了基于二阶维纳滤波法的最小均方误差( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r - - m m s e ) 信道估计 器和基于二阶高斯内插法的最大似然( m a x i m u ml i k e l i h o o d - - m l ) 信道估计器的设计方 法，比较分析了二者在不同传播环境中的性能差异。 论文提出一种参数化信道估计方法。该方法利用稀疏信道的路径到达时间差较大的特 点，建立一个参考信号，通过匹配追踪算法计算参考信号与离散信道冲击响应的最大相关 值，据此最大相关值相继估计出路径到达时刻、路径增益、路径数目等一系列参数。信道 路径数目通常远远小于离散信道采样点的数目，噪声则在所有采样点之间均匀分布，该参 数化信道估计方法能够将信道信息从噪声空间中提取出来，改善信道估计精度。虽然该参 数化信道估计方法的性能分析和论证是在信道具有稀疏性的前提下进行的，仿真结果表 明，对于某些稀疏性不太明显的信道，该方法也能提供相当大的性能增益。 论文提出降低导频功率以提高系统效率的低功率导频设计方案，同时为了避免由于导 频功率降低而带来的估计性能损失，采用了迭代信道估计与信号检测技术。由于数据的平 均发射功率大于导频，因此迭代检测能够改善信道估计质量。为了遏制导频功率过小时容 易发生的错误传播，在对紧接着导频符号的数据符号做信道估计的时候，采用了一种简单 的加权平均，同时利用导频信息和数据信息进行信道估计，这在一定程度上可以减小错误 传播的危害。 在导频总功率和数据总功率确定的条件下，论文以平均信道容量为准则，研究了子载 波在导频和数据之间的分配问题，给出了插入导频o f d m 系统信道容量的上界与下界， 通过使下界最大化的方法得到了平均信道容量准则下的子载波最优分配方案。 论文研究了空频分组编码一o f d m ( s p a c ef r e q u e n c y b l o c kc o d e do f d m s f b c o f d m ) 系统基于e m 算法的迭代接收技术，得到了m l 准则下的硬判决迭代接收 机和最大后验概率( m a x i m u map o s t e r i o r i m a p ) 准则下的软判决迭代接收机在 摘要 s f b c o f d m 系统中的简化实现形式，并通过仿真分析了系统的误码性能、频谱效率和算 法的收敛特性。 关键词：正交频分复用，衰落信道，信道估计、信号检测、e m 算法、空频分组编码一o f d m 东南大学博士学位论文 a b s t r a c t t h eb a n d w i d t h e f f i c i e n c y a n d e x p a n d a b i l i t y l e a d s o r t h o g o n a l 疔e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) t o b ea p o t e n t i a lc a n d i d a t ef o rb e y o n d3 “g e n e r a t i o n ( b 3 g ) s y s t e m s t h e r e q u i r e m e n t sf o rb 3 gs y s t e m ss u c ha sh i g hd a t ar a t e ，h i g hq u a l i t ya n dh i 曲m o b i l i t ym a k e c h a n n e le s t i m a t i o na n d s i g n a l d e t e c t i o n t e c h n i q u e s m o r e s t r i c t ，w h i l et h ec o m p l i c a t e d t r a n s m i s s i o ne n v i r o n m e n tg i v e sr i s et ot h ed i f f i c u l t yo fc h a n n e le s t i m a t i o n i nt h i st h e s i s ，w e f o c u so nc h a n n e le s t i m a t i o na n d s i g n a ld e t e c t i o nt e c h n i q u e s t h e t i m e - b e q u e n c yf a d i n g t h eo f d m s i g n a lu n d e r g o e s i nb r o a d b a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n si s a n a l y z e d ，a n dt h ep i l o tp a t t e r n so fi n d o o ra n do u t d o o re n v i r o n m e n tf o r b 3 g - o f d m s y s t e ma r ed e s i g n e d a n dt h e nas e c o n do r d e rw i e n e rf i l t e r , w h i c hi sa l lm m s e f i l t e r ，a n das e c o n do r d e rg a u s s i a ni n t e r p e l a t i o nf i l t e r ，w h i c hi sa nm lf i l t e r , i sd e s i g n e df o r c h a n n e le s t i m a t i o n f i n a l l yt h e i rp e r f o r m a n c ef o rm a t c ha n dm i s m a t c hc a s e si sc o m p a r e da n d a n a l y z e d a p a r a m e t e r i z e dc h a n n e le s t i m a t o ri sp r o p o s e d t h i sm e t h o di sm o r es u i t a b l ef o rs p a r s e m u l f i p a t hc h a n n e l ，s i n c ef o rt h i sk i n do fc h a n n e l ，t h et i m ei n t e r v a lo ft w oa d j a c e n ti m p u l s e si s l a r g ee n o u g h f i r s t l ya r e f e r e n c es i g n a li sd e s i g n e d ，a n dt h e nt h em a x i m u m c o r r e l a t i o nb e t w e e n t h ed i s c r e t ec h a n n e li m p u l s ea n dt h er e f e r e n c es i g n a li sc a l c u l a t e dw i t hm a t c h i n g p u r s u i t t h e c h a n n e lp a r a m e t e r ss u c ha sp a t hd e l a y ，p a t hc o m p l e x g a i na n dp a t hn u m b e rc a l lb ee s t i m a t e d s i n c et h ep a t hn u m b e ro fs p a r s ec h a n n e li s u s u a l l ym u c hs m a l l e rt h a nt h ed i s c r e t ec h a n n e l i m p u l s er e s p o n s e ，t h ep r o p o s e dm e t h o dc a n e x t r a c tc h a n n e li n f o r m a t i o nf r o mi t sn o i s ev e r s i o n ， a n di m p r o v ec h a n n e le s t i m a t i o na c c u r a c y a l t h o u g ht h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i si sb a s e do nt h e s p a r s ea s s u m p t i o n ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e ds c h e m ei sa l s os u i t a b l et os o m e n o n - s p a r s ec h a n n e l a l o w p i l o t p o w e rs c h e m ei sp r o p o s e dt oi n c r e a s es y s t e mp o w e r e f f i c i e n c y , a n di no r d e rt o a v o i dt h eb i t e r r o r - r a t e ( b e r ) p e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n ，j o i n tc h a n n e le s t i m a t i o na n ds i g n a l d e t e c t i o ni sa p p l i e d s i n c et h ed a t ap o w e ri sl a r g e rt h a nt h ep i l o tp o w e r , i t e r a t i v ed e t e c t i o nc a n i m p r o v eb e rp e r f o r m a n c e as i m p l ew e i g h t e da v e r a g ee s t i m a t ei s a p p l i e di nc a s et h ee r r o r p r o p a g a t i o np e r v a d e s c o n d i t i o n e do nf i x e dt o t a l p i l o tp o w e ra n df i x e dt o t a l d a t ap o w e r , t h ea l l o t m e n to f s u b c a r r i e r sb e t w e e np i l o t sa n dd a t ai s i n v e s t i g a t e db a s e do na v e r a g ec h a n n e lc a p a c i t y t h e u p p e r a n dl o w e rb o u n do ft r a i n i n g - b a s e d a v e r a g ec h a n n e lc a p a c i t ya r eo b t a i n e d ，a n dt h e i i i 一 垒! ! 翌! ! o p t i m u ma l l o t m e n to fp i l o ta n dd a t ai so b t a i n e db ym a x i m i z i n gt h el o w e rb o u n do fa v e r a g e c h a n n e lc a p a c i t y i t e r a t i v e j o i n t c h a n n e le s t i m a t i o na n d s i g n a l d e t e c t i o nf o r s p a c ef r e q u e n c y b l o c k c o d e d _ o f d m ( s f b c - o f d m ) s y s t e mv i a t h ee ma l g o r i t h m i s i n v e s t i g a t e d s i m p l i f i e d r e c e i v e r sf o rs f b c - o f d m s y s t e m b a s e do nm a x i m u m l i k e l i h o o d ( m l ) c r i t e r i o na n dm a x i m u m 。p o s t e r i o r i ( m a p ) c r i t e r i o na r ed e r i v e d t h eb e r p e r f o r m a n c e ，c o n v e r g e n c ep r o p e r t ya n d b a n d w i d t h e f f i c i e n c ya r ea n a l y z e d k e yw o r d s ：o f d m ，f a d i n gc h a n n e l ，c h a n n e l e s t i m a t i o n ，s i g n a ld e t e c t i o n ，e ma l g o r i t h m ， s f b c o f d m i v 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：趋丞日期：丝竖坚子f 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：蕴遨导师签名 j f d 东南大学博士学位论文 符号 矩阵或矢量的共轭转置 矩阵或矢量的转置 标量的共轭 线性卷积 不小于z 的最小整数 不大于x 的最大整数 标量x 的绝对值 矢量x 或者矩阵x 的f r o b e n i u s 范数 统计平均 嫡 矩阵a 第行第n 列对应的元素 矩阵a 的迹 矩阵a 的行列式 矢量x 的第个元素 n n 单位矩阵 m x n 零矩阵 n 对角阵，其第行m 列的元素 d 。( h ) 】= h k 矢量，其第m 个元素f d i a g ( x ) l = x 】。 x 月 ，a d x 。m h h州堋小蚍k 啪 蚓 w ； z = v m o d x r ” c “ s g n ( x ) 盘 - ) ，( ) 功率归一化的点d f t矩阵， r k = ( 1 届) e x p ( 一j 2 z m n ) 点d f t 矩阵的前( l + 1 ) 行组成的子矩阵。 v 嗡 = e x p ( 一j 2 z m n n ) ，0 m 0 。 实数矢量集合，集合中每个样本为m 维实数矢量。 复数矢量集合，集合中每个样本为m 维复数矢量。 f 一1z 0 取实部 取虚部 一v i i i 东南大学博士学位论文 a d s l b e r c p c s i d a b d v b d f t d n r d p r f d m 缩略词 a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e s异步数据用户链路 b i te r r o rr a t e 误码率 c y c l i c p r e f i x 循环前缀 c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n 信道状态信息 d i g i t a l a u d i o b r o a d c a s t i n g v i d e o b r o a d c a s t i n g d i s c r e t ef o u r i e rt r a u s f o 肌 d a t a - t o - n o i s ep o w e rr a t i o d i g i t a l 数字音频视频广播 d a t a - t o p i l o tp o w e rr a t i o f 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 h i p e r l a n 2 h i g h p e r f o r m a n c el a n t y p e2 i b i i c i i d f l i s i l m m s e m a p m i m o m l m m a c m m s e m s e i n t e r - b l o c ki n t e r f e r e n c e i n t e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c e i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e 离散傅立叶变换 数据一噪声功率比 数据一导频功率比 频分复用 块间干扰 载波间干扰 离散傅立叶反变换 码间干扰 l i n e a rm i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o r线性最小均方误差 m a x i m u map o s t e r i o r i 晟大后验概率 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 m a x i m u ml i k e l i h o o d 最大似然 m u l t i m e d i am o b i l e c o m m u n i c a t i o n s m i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o r m e a n s q u a r ee r r o r i x a c c e s s 多媒体移动接入通信 最小均方误差 均方误差 缩略词 o f d m p n r m s s i s 0 s n r s s v h d s l w e r w l a n w s s u s 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 正交频分复用 m u l t i p l e x i n g p i l o t t o - n o i s ep o w e rr a t i o 导频一噪声功率比 r o o t - m e a n s q u a r e均方根 s o f t i ns o m o u t 软输入软输出 s i g n a l t o - n o i s ep o w e rr a t i o信号与噪声功率比 s p r e a ds p e c t r u m扩频 v e r y - h i g h s p e e dd i g i t a l l i n e s w o r de r r o rr a t e s u b s c r i b e r 甚高速数据用户链路 误字率 w i r e l e s sl o c a l a c c e s sn e t w o r k 无线局域网 w i d e s e n s e s t a t i o n a r yu n c o r r e l a t e d 广义平稳不相干散射 s c a t t e r i n g x 东南大学博士学位论文 第一章绪论 近二十年来，无线通信技术经历了一个飞速发展的过程。进入2 l 世纪之后，无线通 信尤其是移动通信技术更呈现出前所未有的发展态势。促使无线通信技术如此迅猛发展的 根本驱动力，是人们不受时间和地点等外在条件约束的自由通信的愿望。 1 1 引言 以北美的a m p s 和欧洲的t a c s 为代表的第一代移动通信( i g ) 系统形成于上世纪 八十年代初期，它以模拟制式为信号传输手段，所支持的业务仅限于话音业务。伴随着 v l s i 的出现和数字信号处理技术的发展，第二代数字移动通信( 2 g ) 系统于九十年代初 应运而生，实现了从模拟系统向数字系统的转变。2 g 系统包括欧洲的g s m 和美国的i s 一9 5 等，除话音业务以外。2 g 系统还能提供电传和低速数据传输等多项数字通信业务。做为 从2 g 向3 g 的过渡，以g p r s 、e d g e 为代表的2 5 代( 2 5 g ) 系统可以提供更为先进的 中等速率数据业务，如电路交换和分组交换。2 g 和2 5 g 系统是目前许多国家的主要移动 通信系统。 随着因特网的发展与普及，现有移动通信系统的数据传输速度、传输质量和业务范围 已经不能满足人们通信的需求，人们希望移动通信系统能和固定网一样提供将话音、图像、 数据等业务综合在一起的交互式多媒体业务，因此，与因特网技术相结合的各种宽带多媒 体通信业务，如高速因特网接入技术、高质量图像视频传输技术等是无线通信技术发展 的必然趋势，也是第三代移动通信( 3 g ) 系统的建设目标。i t u rt g 8 1 z 于1 9 9 6 年底确 定了i m t - 2 0 0 0 的基本框架，这是3 g 系统标准化的标志【1 】。 全球范围内移动用户数的迅猛增长和移动业务主体的快速转变，预示着手持移动终端 将逐步取代p c 成为人机接1 2 1 的主要设备。为高速业务和多媒体业务设计的3 g 系统在通 信的容量与质量等方面将远远不能满足要求，世界各国在推动3 g 系统产业化的同时，目 前已把研究重点转入超三代移动通信( b 3 g ) 系统的先期研究，目的是在概念和技术上寻 求创新和突破，使无线通信系统的容量和速率有数十倍甚至数百倍的提高 2 4 ，因此b 3 g 系统的发展面临着来自多方面的挑战。 b 3 g 系统面临的挑战之一便是支持高速分组数据传输的要求。为了达到数据速率为 数十兆b p s 甚至数百兆b p s 的全i p 高速分组数据传输的目的，b 3 g 系统需要的频带范围 相当宽，因此宽带传输也是b 3 g 系统的主要特点。传统的单载波t d m a 和c d m a 技术 无法直接扩展到宽带情况，多载波并行传输技术的抗衰落能力强、对窄带干扰和窄带噪声 不敏感、带宽扩展灵活和支持可变用户速率等一系列特点使其非常适合在宽带无线通信系 第一章绪论 统中应用，这就是以o f d m 为代表的多载波并行传输技术在沉寂数年之后于近期迅速发 展普及的原因 5 - - 1 1 。 分布式接入方式也是高速分组数据传输不可或缺的条件之一【1 2 ，1 3 ，m i m o 技术是 分布式接入方式的主要标志。传输信号由多个天线同时发送和接收，在没有任何频带效率 损失的同时。能提供有效的空间分集增益，提高数据传输速率，使信道容量显著增加 1 4 ， 1 5 1 。因此空时编码和空分复用等m i m o 技术一直是b 3 g 系统研究者们广泛关注的课题 1 6 2 0 。 总之，大容量、高性能和高灵活性的系统要求，意味着与3 g 系统相比，b 3 g 系统无 论是在网络结构、系统理论，还是在关键技术等方面都要有全面深入的更新和变革。宽带 高速数据传输是b 3 g 系统的根本要求，以o f d m 为代表的多载波技术和m i m o 技术则是 满足该要求的必要条件，因此本论文的研究工作以b 3 g 系统的关键技术o f d m 为中 心，结合空时编码等m i m o 方案，主要研究了o f d m 系统的信道估计与信号检测及其相 关技术，目的是在提高系统性能的同时，尽量减少系统效率尤其是频带效率的损失。 在介绍o f d m 技术的特点和信号传输原理之前，先对o f d m 技术的发展和应用做一 个简单的回顾。 1 2多载波及o f d m 技术的发展与应用 多载波技术的使用可以追溯到上个世纪中期，那时，许多低速率信号，如电报信号， 即是使用不同的载波频率在同一个宽带信道中并行传输 2 l 】。在传统的多载波系统中，数 据频带被划分成多个互不交迭的子带，数据在不同的子带上并行传输，接收端利用带通滤 波器实现子带信号的分离。由于具有陡峭截止频率的带通滤波器难以实现，子带之间通常 要留有一定的保护频带，子带数目越多，保护频带占整个信号带宽的比例越大，这种低频 谱效率限制了传统多载波技术的发展，也促使人们去寻求提高频谱利用率的高效多载波传 输技术。 6 0 年代中期，r wc h a n g 提出了一种可以完全消除i c i 和i s i 的正交信号多载波传 输方案 6 】，b 。r s a l t z b e r g 随后对此方案做了性能分析，得出“子载波之间的i c i 是多载 波系统性能下降的主要原因”的结论，并以此结论为依据对c h a n g 的方案予以肯定 2 2 】。 c h a n g 的方案仅为o f d m 的雏形，多载波o f d m 技术真正的普及和推广要归功于s b w e i n s t e i n 等人于1 9 7 1 年发表的题为“d a t at r a n s m i s s i o nb yf 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 u s i n gt h ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ”的文章 1 0 】。该文章提出利用i d f t 和d f t 变换实现 子载波发送端的信号并行传输( 合并) 和接收端的信号分离，并将此合并和分离过程做为 调制和解调的一部分，这样就可以用一个模拟前端来代替传统多载波系统中各子载波分别 需要的多个模拟前端，并且d f t 可用f f t 快速算法来实现，大大减小了系统复杂度。伴 东南大学博士学位论文 随着v l s i 技术的发展，o f d m 技术于8 0 年代初期迎来了它的第一个发展高峰 2 3 ，2 4 1 。 近年来，随着高速数据传输需求的增大，o f d m 技术的应用日益广泛。由于它具有 很强的抗频率选择性衰落的能力，因此被采纳为欧洲d a b d v b 系统的标准 2 5 ，2 6 】，在 有线通信系统中，o f d m 技术被应用在v h d s l 和a d s l 系统中，并被冠名为离散多音频 ( d i s c r e t em u l t i t o n e - d m t ) 调制f 2 7 。移动w l a n 的标准i e e e 8 0 2 1 1 a 、m m a c 和 h i p e r l a n 2 也把o f d m 做为物理层的传输手段 z 8 ，2 9 】。由于o f d m 技术可以较好的 解决高速无线移动通信中的多径干扰和宽带传输等问题，它已经成为b 3 g 系统的候选方 案 3 0 ，3 1 1 。 1 3 o f d m 系统的特点及研究现状 做为多载波并行传输技术之一，o f d m 除了具备多载波系统共有的特点之外，还有 其独特的优点： 1 ) o f d m 系统是一种分块传输系统，通过在每个数据块的前端插入c p ，该系统可 以完全消除i s i 和i c i ，因此其信道均衡可以由单抽头均衡器完成，与具有多抽头 的单载波信道均衡器相比，其复杂性大大降低，与传统的无c p 多载波系统只能 部分的消除i s i 也有着本质区别8 。 2 ) o f d m 系统各子载波完全正交，因此，虽然各子载波的频谱相互交叠，接收端仍 可以将子载波完全分离，从而完美重现发送信号。与利用带通滤波器实现子载波 分离的传统多载波系统相比，o f d m 系统具有更高的频谱利用率 3 2 】。 3 ) o f d m 系统具有很强的抗窄带干扰的能力，因为此类干扰只会对部分而不是全部 子载波产生影响。 ”o f d m 系统的多载波调制与解调可以通过i d f t 和d f t 来实现，- 存在f f t 快速 算法，使o f d m 技术具有很强的可实现性。 上述特点使o f d m 技术成为宽带无线传输领域的研究热点，关于o f d m 系统的研究 包括信道估计和信号检测、最大信道容量比特分配( 注水问题) 、时频同步 3 3 ，3 4 、降 低峰均比 3 5 ，3 6 、自适应编码调制【3 7 ，3 8 】以及与m i m o 相结合的m i m o o f d m 技术 等许多方面。 “摘八c p 这一o f d m 关键技术正越来越多的被应用到其他单载波和多载波系统中，用来消除l s l l z h 。2 0 3 】 一3 一 第一章绪论 1 4o f d m 传输技术原理 l 4 1o f d m 基本原理 以s t 表示第k 个子载波上传输的经过p s k 或q a m 调制之后的信号，其符号持续时 间为r 4 ，信号的起始时刻为，对于含有c 个子载波的o f d m 系统，发送信号在个 符号持续时间t 内的复基带表达式为 砸) ：警1 舭i e x p k 下k ( ，f ， - t t s + t ( 1 4 ) i c ，2 1 每个子载波上的传输信号在一个符号持续时间r 内都恰好经历整数倍的符号周期，而 相邻予载波中心频率的间隔均为1 t ，这就形成了子载波相互正交的事实，接收端可以利 用此正交性，通过数学方法而不是带通滤波器完成子载波的分离( 解调) 。以第m 个子载 波为例，接收端只需对接收信号在r 时间内做如下积分，即可得到第聊个子载波的解调 结果 心唧( 廊弘k 训弘 。 一) 1 折 子载波的相互正交性不仅使子载波完全分离的目标得以实现，还由于允许频谱交叠而 极大的提高了频谱效率，图1 1 为子载波数目为8 时，发送信号为矩形脉冲的o f d m 系 统的子载波频谱分布示意图。因为矩形脉冲的频谱呈s i n c 函数波形，带外谱衰减很慢， 实际系统中，为了加快带外谱的衰减，降低o f d m 系统对频偏的敏感性，还要通过各种 各样的发送信号脉冲成型技术来改善o f d m 系统的子载波频谱结构 3 9 ，4 0 。 在数字通信系统中，( 1 4 1 1 ) 和( 1 4 1 2 ) 可分别由i d f t 和d f t 变换来实现。一 个o f d m 符号持续时间内的发送信号序列可表示为 删) = 丙1n 白- i 耻，1 ( 伽瓦n k 拈呱c 一， ( 1 。m ) “只塑銮塑l 一个o ，f 2 m 符号持续时间瓦应包括原信号的符号持续时间r 与c p 占用的时间，即兀一r + 疋p 。此 处暂未考虑c p ，故令l 。= 0 ，瓦= l - - 4 一 缈笺竿 、劫：，仳、 。一 一 p 争争。h。 栏， 祖丁w， 啦 哏 咄 ，l，i 、k 飞，义 & ： 雠 p 。 ”、_ 厶i s i 对接收信号的影响可以通过如下表达式反映 r ( 月) = h o x ( n ) + h l x ( n 1 ) + i i ( n )( 1 4 2 1 ) 其中可( ) 是白高斯噪声矢量，h o 和h l 均为n x n 矩阵，h o 反应了当前段内信号的相互影 响，h l 则反应了前一段内的信号对当前段内信号的影响，h o 和h l 可具体表示为 h o = ( o ) ： 犯) ： _ 0 00 ( o ) 0 ) 0 0 ： 0 ( o ) ，h = 0 0 五( 1 ) ： ( 三) 0 0 ( 1 4 2 ，2 ) 犯o 厶 oo 堡蔓兰鱼一 分块传输是o f d m 技术中消除i s i 的关键技术之一，目前正被许多无线传输系统所 借鉴f 4 1 4 2 1 。事实上，o f d m 系统能够完全消除i s i 这一结论是针对式( 1 4 1 3 ) 中的 调制信号s ( 向来说的，对进入信道之前的信号x ( n ) 来说，只要多径信道存在，i s i 就不可 能消失分块传输技术所做的只不过是消除了信号x ( n ) 的“块问干扰”i b i 。 首先，将发送信号序列x ( h ) 分为长度为c 的小段，第 段由x ( h ) 表示，x ( n ) = b ( n u c ) ， 工f n n c + 1 ) ，工( n n c + n c 1 ) 】t i 由于i b i 的影响全部来自前一数据段x ( m 1 ) 的最后l 个符 号，因此在分段之后，从每段的尾部复制长度为三的一段 x ( n n c 一三) ，x ( n n c + n c 一1 ) n 三工，称为c p 或保护间隔。将c p 添加到x ( 哟的前端，形成长度为n s = 一e 的一段新 的数据，用i ( 口) 表示。图1 - 2 所示为添加c p 过程的示意图，该过程用数学形式可以表达 为i ( ”) = t c ，x ( ”) ，其中t c ，皇l l ；。心i r cl 。，称为c p 添加矩阵，i 厶c 是单位阵i c 的最后 云行。i ( h ) 称为一个完整的o f d m 数据块或符号块，简称o f d m 块。o f d m 系统的数据 就是以这种块为单位传输的，故称为分块传输。传输一个块所需要的时间称为一个o f d m 符号持续时间瓦，其中c p 的时间为疋，瓦= r + 疋，。 数据块夏( ”) 前后相继，串行经过多径信道到达接收端，接收端对接收数据也是以长度 。弋 囵 、一， ! ! 望堡- 图l 一2 添加c p 过程的不意图 为s 的块为单位进行处理。在去掉块前端的冗余c p 之后，块内剩余数据的i s i 均来自x ( ”) 内部，与x 一1 ) 再无关系，从而消除了i b i ，该过程的数学表达式为 r ( n ) = r c p ( 1 a o x ( n ) + i t i i 0 一1 ) ) + 亍i ( n ) = r c p i - i o i ；p x ( n ) + r c p l r i l i ；p x ( n 一1 ) + 丽( 胛) x o 蠢。m( 1 4 2 3 ) = r c p h o t c p x ( ) + 可( n ) = f i x ( n ) + 亍i ( h ) 复t c ，刿以，r c r 称c p 、删除矩阵，r 。，缸。心。ri 。 ， 由为一n c x n c 循环矩阵 h k = ( 一n ) m o d n c ) 。 查曼查兰墼堂垡! 堕一 h =( 1 - 4 2 4 ) 显然，添加保护间隔是消除i b i 的必要条件，但保护间隔的形式则未必要限制为c p ， 以全0 序列做为保护间隔，一样可以消除i b i 4 3 。添加c p 的目的是根据o f d m 系统d f t 调制的特点，利用循环矩阵的一个性质使o f d m 系统的信道均衡进一步简化，该性质表 述如下： 锺巫缝睦的盟鱼丝：对循环矩阵n 分别前乘和后乘矩阵f c 及其共轭转置f 要，将得 到一对角矩阵，其对角元素为离散信道冲击响应的j 点d f t 变换。该性质的表达式为 f c h 噬= d 坼( g ) ( 1 4 2 5 ) 其中g 又称为子载波增益矢量，它的第个元素对应o f d m 系统第t 个子载波的信 道增益 9 1 t = 圭h i - 0 ( f ) e x p 石熹) ( 1 4 - 2 6 ) 1 c 若以h 表示离散信道冲击响应矢量，h = 【h ( o ) ，h ( 1 ) ，h ( 工) 7 ，则h 与g 有如下关系 g = w 荒h ( 1 4 2 7 ) 将( 1 4 ，1 4 ) 和( 1 4 2 5 ) 代入( 1 4 2 3 ) ，稍加整理，即得到o f d m 系统在d f t 变 换之后的接收数据矢量y ( ) ， y ( 柙) = f k r ( n ) 。d 心( g ) s ( ) + i i ( ) ( 1 4 - 2 8 ) 2 d k ( g ) s ( n ) + t l ( ) 其中t l ( 月) 是经过交换后的噪声矢量，由于f n 。是功率归一化的满秩矩阵，因此t l ) 中元素 的统计特性与可( n ) 的完全相同，相互独立并且呈均值为0 方差为a ：的高斯分布。 ( 1 4 2 8 ) 给出了o f d m 系统的信号传输原理，文字描述为：o f d m 无线通信系统 可以等效为a r c 个并行的、具有不同增益的相互独立的高斯信道。显然在o f d m 系统中， 发送信号s ( 稿之间的i s i 已经完全消除。如未加特别说明，后文提到的o f d m 符号块均指 调制信号矢量s ( ”) 。图1 - 3 与图卜4 分别给出了o f d m 系统的数字基带系统框图及其等效 形式。 、 需要指出，如果在一个o f d m 符号持续时间瓦内信道矢量h 发生了变化，h 与2 便 )r j一郴 一； 一 一 旺 ； 晟 。 ；m 郴；o o； ；o 第一章绪论 不再有( 1 4 2 7 ) 所示的关系，这将导致子载波的正交性被破坏，( 1 4 2 8 ) 也不再成立。 因此，多数文献在分析o f d m 系统的性能之前，都要给出“在一个o f d m 符号持续时间 内信道保持不变”的假设，本论文后续章节的所有分析亦遵从此假设。事实上，在宽带无 线o f d m 通信系统中，只要恰当的选取子载波数目、保护间隔长度等参数，这种假设总 是成立的，这是由时频选择性衰落信道的特性决定的。 圈1 - 3o f d m 数字基带系统框图 g ( n ，0 )碱n ，o ) il t s ( n ，o ) 0 - 0 巾，0 ) lg ( 。，c _ 1 ) 壕。c 枷la 、，f n 7 c 。， l i l i d n ，n c - 1 ) o + 0 + 咖，n c 一1 ) 图1 - 4o f d m 系统等效的并行高斯信道示意图 1 5论文主要研究内容和贡献 本论文主要研究了o f d m 系统的信道估计和信号检测及其相关技术。众所周知，无 线信道是一种传输环境极为恶劣的通信信道，由无线信道的时间扩展和频率扩展所引发的 频率选择性衰落和时间选择性衰落是无线通信系统性能恶化的主要原因，b 3 g 系统工作 的射频频段为5 g h z 左右，并且系统的工作条件和信号传播环境更趋复杂多样，这导致信 号将经受非常严重的时间一频率选择性衰落。 信道估计是指接收机获知c s i 的方法和过程，准确的信道估计是克服高速数据传输的 瓶颈、提高数据传输速率和传输质量的关键。一般说来，信道估计方法分为两大类，一类 称为导频辅助信道估计，发送端首先发送部分接收机确知的信息( 又称为导频) 接收机 根据导频和相应的接收信号来判断c s i 4 4 4 6 ；另一类称为盲信道估计，此类信道估计无 需导频，接收机直接根据接收信号来判断c s i 4 7 4 9 。盲信道估计通常要利用大量的累积 数据来获取各类统计量，t 导致系统的时延和复杂度相当高，相比较而言，导频辅助信道估 计的复杂性和时延要小得多，具有很强的实用性，2 g 和3 g 系统的标准中均采用了导频 辅助信道估计方法 5 0 】。 东南大学博士学位论文 除了简单实用的优点，导频辅助信道估计方法也存在其固有的缺陷，导频的j 3 n x d 3 n 大 了系统开销，降低了频谱效率，如果说这些问题在包括3 g 系统在内的以前的移动通信系 统中并没有十分明显的暴露出来的话，以往系统中采用的的导频模式、信道估计方法和信 号检测技术己显然无法满足b 3 g 系统的高移动性、高传输质量和高频谱效率的要求。设 计更为合理有效的导频模式和信道估计以及信号