（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统信道估计算法的研究(2).pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 下一代移动通信系统( b 3 g 4 g ) 期望能提供更高的数据传输率、更好的 通信质量、支持更快的终端移动速度。正交频分复用( o f d m ) 技术通过将 频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，减小了多径衰落的影响； 而多输入多输出( 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 多路数据流，在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率，有效地提高了系统 的传输速率。m i m o o f d m 系统实现了o f d m 技术与m i m o 技术的有机结 合，能够大幅度提高通信系统的信道容量和传输速率，并能有效地克服多径 衰落的影响，抑制干扰和噪声，被普遍认为是b 3 g 4 g 物理层最有可能选用 的技术方案o 信道估计是m i m o o f d m 系统中的一个重要环节。本文在分析无线移动 信道衰落特性的基础上，阐述了m i m o o f d m 系统的基本工作原理。针对系 统中信道估计这一关键技术，首先深入研究了基于训练序列的信道估计算法， 并基于l s 信道估计算法，提出了一种基于加窗的l s 迭代信道估计算法，利 用对信道频域响应进行加窗，降低了实际m i m o o f d m 系统信道估计中的信 道冲击响应( c 瓜) 泄露。接着研究了基于导频符号的信道估计算法，由于 与传统的导频相比，叠加导频既不占用系统的带宽资源，也不会降低信息传 输速率，因此本文提出了一种基于叠加导频的m i m o o f d m 系统信道估计算 法，该方法用一种具有最小的p a p r 的恒包络零自相关( c a z a c ) 序列作为 叠加导频来对系统进行信道估计，解决了m i m o o f d m 系统由于多载波调制 而存在的高峰平比( p a p r ) 的问题。并且采用判决指导方法来消除未知的信 息数据对导频的干扰，进一步提高了估计的准确度。 关键词：m i m o o f d m ；信道估计；窗函数；迭代；叠加导频；c a z a c 哈尔滨工程大学硕士学位论文 葛i ；i i i i i 高i i 暑i ；宣；宣；i 一 m m i i i ；宣；i 昌暑 a bs t r a c t t h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s0 3 3 0o r4 g ) a r e e x p e c t e dt op r o v i d eh i g h e rt r a n s m i s s i o nr a t e ，o f f e rb e t t e rq u a l i t ya n ds u p p o r t f a s t e rm o v i n gt e r m i n a l 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 nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) r e d u c e dt h ee f f e c to ft h em u l t i p a t hf a d i n gb yc o n v e n i n ga 舶q u e n c y - s e l e c t i v e c h a n n e li n t oa p a r a l l e l c o l l e c t i o no ff r e q u e n c yf l a ts u b c h a n n e l s ，a n d 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 ) c a l li n c r e a s e t r a n s m i s s i o nr a t e b y p r o d u c i n gi n d e p e n d e n tp a r a l l e lc h a n n e li nt h es p a c ef o rd a t as t r e a m st r a n s m i s s i o n s i m u l t a n e o u s n a m e l y , s p a c e d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g o fm i m oc a l li n c r e a s e 行e q u e n c ye f f i c i e n c yb u td o n o tn e e di n c r e a s es y s t e mb a n d w i d t h t h ec o m b i n a t i o n o fo f d ma n dm i m ot e c h n i q u e ，w h i c hw ec a l lm i m o o f d ms y s t e m , c a l ln o t o n l ye f f e c t i v e l ye n l a a n c et h et r a n s m i s s i o nr a t e a n dc a p a c i t yo ft h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，b u t a l s o e f f e c t i v e l y c o m b a t m u l t i - p a t hf a d i n g ， i n t e r f e r e n c ea n dn o i s e s ot h i ss y s t e mh a sb e e nc o n s i d e r e dw i d e l ya so n eo ft h e m o s ta v a i l a b l es c h e m ei np h y s i c a ll a y e ro fb 3g 4 gw 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 c h a n n e le s t i m a t i o ni sa k e yi s s u ei nm i m o o f d ms y s t e m i nt h i sp a p e r , w e d 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 ei n t r o d u c t i o na n d a n a l y s i so ff a d i n gc h a n n e l sc h a r a c t e r i s t i c c o r r e s p o n d e dt oc h a n n e le s t i m a t i o n c o r et e c h n i q u e ，s e v e r a lt r a i n i n gs e q u e n c e - a i d e dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m sa r e p r o b e df i r s t l y l sc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o di ss t u d i e dt op r e s e n tal e a s ts q u a r e s ( l s ) i t e r a t i v ea l g o r i t h mb a s e do nw i n d o w i n g t h ef r e q u e n c yd o m a i nw i n d o w i n g i su s e dt or e d u c et h el e a k a g eo fc h a n n e li m p u l s er e s p o n s e ( c l r ) f o rt h ep r a c t i c a l m i m o o f d ms y s t e m t h e nw es t u d i e ds o m ep i l o t - b a s e dc h a n n e l6 s t i m a t i o n a l g o r i t h m s c o m p a r i n gw i t ho t h e rc l a s s i c a la p p r o a c h e s ，s u p e r i m p o s e dp i l o tw i l l n e i t h e rc o n s u n l es y s t e mb a n d w i d t hn o rd r o pt h ei n f o r m a t i o nr a t e s oac h a n n e l e s f i m a t i o nm e t h o di nm i m o o f d ms y s t e mb a s e do n s u p e r i m p o s e dp i l o ti s p r o p o s e d ，w h i c hu s e sc o n s t a n ta m p l i t u d ez e r oa u t o c o r r e l a t i o n ( c a z a c ) s e q u e n e et or e d u c ep e a k - t o - a v e r a g ep o w e r r a t i o ( p a p r ) c a s e db ym u l t i c a n i e r m o 删a t i o i l ，f u r t h e r m o r e ，w eu s et h ed e c i s i o nd i r e c t e dm e t h o dt or e d u c e 也e d i s t u r b a n c ec a u s e db yu l l k n o w ni n f o r m a t i o n d a ：t a k e yw 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 ；w i n d o w f u n c t i o n ；i t e r a t i v e ： s u p e r i m p o s e dp i l o t ；c a z a c 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：胁纠 日期：7 年6 月肜日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 曰在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、粝编等户 作者( 签字) ：韩蠲导师( 签字) ：彳笏哆 日期：御? 年6 月w 日山川年痧月拥 i| j 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 在任何无线电波能够到达的地方，用户都可以利用无线通信自由地进行 通信。和有线通信相比，无线通信由于采用高频无线电波作为传输介质，所 以可以避开布线的困扰。同时高频无线电波可以穿透玻璃或墙壁，能够满足 一定范围内的局部组网；在场地条件恶劣、办公场所变化频繁等不适宜布线 的场合，无线通信具有有线通信无可替代的优越性。 但是，无线资源尤其是频谱资源随着无线通信业务和宽带数据业务的迅 速发展变得越来越紧张。如何更有效的利用有限的通信资源来提供高速、可 靠的数据业务成为无线通信技术发展的焦点所在。同时，与固定有线通信不 同的是，无线通信中的信号要通过自由空间来传输，这一信道的随机时变性 和严重的传输缺陷决定了无线通信技术的复杂性和特殊性。现在，可以容纳 更庞大的用户数量、改善现有通信品质，提供更高速数据传输要求的b 3 g ( b e y o n d3 g ) 4 g 移动通信技术开始得到越来越广泛的关注。 一方面，为了提高数据传输速率，要么采用较高容量的系统，要么采用 更有效的传输技术。在无线通信环境中，利用现有的传输技术来逼近信道容 量较困难，并且单发射天线单接收天线系统的信道容量本身也有限，因此， 要进行高速传输，应多考虑如何提高系统的容量。 另一方面，影响无线通信系统中信息可靠传输的主要障碍，是多径效 应引起的时延扩展，二是信道时变性所引起的频谱扩展，三是空间相关所引 起的角度扩展。为了提高无线通信的可靠性和有效性，新的理论和技术不断 涌现【1 1 。而提高无线系统频谱利用率最有效的手段是对空间资源的利用。随 着无线通信技术的发展，从最初的利用天线极化分集和多天线空间分集技术 改善无线链路传输特性，到基于自适应信号处理方法的自适应天线阵列理论， 再到空分多址、智能天线技术被用于蜂窝通信，直到今天的正交频分复用 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( o f d m ) 技术与基于发送分集和接收分集的多输入多输出( m i m o ) 系统 相结合的m i m o o f d m 技术，其在无线通信系统中的应用越来越广泛。 综上所述，m i m o o f d m 技术作为b 3 g 4 g 移动通信系统的核心技术， 是实现利用有限的空间资源来提高频谱效率的必然途径口。3 1 。现在，无线局域 网标准i e e e8 0 2 1 l n 和无线宽带城域网标准i e e e8 0 2 1 6 均明确规定：以 m n o o f d m 为物理层核心技术。 1 2m i m o o f d m 系统的研究现状 1 2 1o f d m 技术的研究现状 o f d m 技术是利用多个低传输速率且并行频率正交的数据子载波实现高 速数据速率通信的一种技术。在2 0 世纪五、六十年代，世界上第一个m c m 系统由美国军方创建了，随后，采用频率重叠技术和大量子载波的o f d m 系 统于1 9 7 0 年被发明出来，但由于实际应用中f f t 的复杂度、射频功率放大 器的线性要求以及发射机和接收机振荡器的稳定性等制约条件，o f d m 从理 论向实践迈进的步伐在以后相当长的时间里被放慢了。2 0 世纪8 0 年代，m c m 系统在经过了大量深入的研究后终于获得了突破性的进展：f f t 的复杂度由 于大规模集成电路的出现而得到了解决，其他一些难以实现的技术也相继得 到了解决。自此，o f d m 技术走上了无线通信的舞台，开始向2 g 数字移动 通信时代迈进。2 0 世纪9 0 年代，o f d m 技术开始被澳大利亚和欧洲广泛应 用于宽带数据通信。如：数字视频广播标准采用了多幅度调制的o f d m 技术， 欧洲数字音频广播标准采用了带差分相位调制的o f d m 技术，高速无线接入 局域网的标准8 0 2 1 l a 采用了q a m 的o f d m 技术，无线局域网标准8 0 2 1 6 也采用了o f d m 技术【4 】。 1 2 2m i m o 技术的研究现状 自适应信号处理技术及智能天线技术在m i m o 技术成为无线通信的研 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 究热点之前一直是无线通信领域的研究热点。首先，m i m o 技术不仅包含了 智能天线技术中的信号处理技术，还包含了编码、调制和网络系统结构等技 术；其次，单输入多输出结构的智能天线信号模型可视为多输入多输出结构 的m i m o 系统的一个特例。因此，基于m 【m o 的编码和信号处理技术是对 智能天线技术的继承和突破。 从1 9 9 8 年开始，跟随着w i n t e r s 、t e l a t a r 以及f o s c 嫩n i 【5 1 等人的研究，国 内外著名的无线通信学者和研究机构开始大量、深入地研究m i m o 技术。在 理论上，从w i n t e r s 对无线通信系统的容量关系和空间分集技术的研究，到 t e l a t a r 和f o s c h i n i 对m i m o 系统信道容量理论的分析，奠定了m i m o 技术 的理论基础；在实践上，m i m o 系统能够在不占用额外频谱带宽的前提下 有效地提高信道容量的结论被b l a s t 试验的结果证明了。总结近几年来关 于m i m o 技术的研究，m i m o 技术研究的内容主要包括以下4 个方面1 6 - 9 ： ( 1 ) m i m o 信道的建模和测量方法； ( 2 ) m i m o 信道的空时编译码方法； ( 3 ) m i m o 信道的信道容量分析； ( 4 ) 信道估计、均衡、多用户检测等关键技术。 1 2 3m i m o o f d m 系统信道估计技术的研究现状 信道估计是无线通信的关键技术之一，m i m o o f d m 系统的信道估计算 法的研究和改进，对m i m o o f d m 技术的发展有着重要意义。目前 m i m o o f d m 信道估计的方法通常可以分为三类【3 】： ( 1 ) 基于训练序列和导频符号的信道估计：按照某种估计准则来确定待 估计的参数，并且通过逐步跟踪来调整待估计参数的估计值，其特点是需要 借助训练序列或导频符号。 ( 2 ) 盲信道估计：利用与具体承载信息比特无关的信号本身固有的特征 来进行信道估计的方法。 ( 3 ) 半盲信道估计：结合盲信道估计与非盲信道估计优点的信道估计方 3 啥尔滨工程大学硕士学位论文 法。 通过设计训练序列或在数据中周期性地插入导频符号来进行信道估计的 方法比较常用。而半盲信道估计算法和盲信道估计算法需要较短的或不需要 训练序列，因此频谱效率高，获得了广泛的研究；但它们的计算复杂较高， 且可能出现误差传播、相位模糊、陷入局部极小和收敛慢等问题，从而限制 了它们的实用性。 1 3 论文主要内容和结构安排 本论文主要针对m i m o o f d m 系统信道估计理论做了深入全面的仿真 研究，其章节布局如下： 第1 章绪论介绍了移动通信的背景以及做为b 3 g 4 g 移动通信核心技术 解决方案的m i m o o f d m 系统的研究现状并阐述了本课题研究的目的和意 义。 第2 章详细介绍了无线信道的具体特性，在叙述了信道的大、中、小尺 度衰落后，讨论了信道扩展及其对衰落的影响，同时也简述了j a k e s 、瑞利和 莱斯衰落的概率分布，并在此基础上引入m i m o 信道建模方法。 第3 章主要讨论了o f d m 系统的基本结构和信道估计算法；详细分析了 几种典型天线数量下的m i m o 信道容量的基本理论，并通过仿真验证了理论 分析和实际相符合；在此基础上研究了m i m o o f d m 系统模型，并介绍了一 个典型的系统：s t b c o f d m 系统。 第4 章研究了基于训练序列的信道估计技术。从理论上分析了将加窗技 术以及l s 迭代算法应用于m i m o o f d m 系统信道估计中的优势，提出了一 种基于加窗的l s 迭代信道估计算法，并通过仿真验证了该算法具有较好的 m s e 性能。 第5 章研究了基于导频符号的信道估计技术。提出一种基于恒包络零自 相关( c j 镀r a c ) 序列的叠加导频信道估计算法，解决了m i m o o f d m 系统 由于多载波调制而存在的高峰平比( p a p r ) 的问题。并且为了进一步消除未 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 知的信息数据对导频的干扰，采用了判决指导方法，提高了估计的准确度。 仿真结果显示了该算法的有效性。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章无线移动通信信道 信道按传输媒介的不同可分为有线信道和无线信道两大类。本章主要介 绍无线信道的传播特性及其对信号的影响，为后续的展开奠定基础。 2 1 无线信道特性概述 无线通信系统主要借助空中或水中的无线电波的传播媒介来实现无线通 信。与有线通信不同，无线通信系统有着与有线通信系统不同的非常复杂的 传播路径，从简单的室内传播到几十千米的视距( l o s ) 传播，到会遭到如 建筑物、山体、森林等复杂地物的非视距( n l o s ) 传播。由于无线信道具 有很大的随机性，甚至移动台的移动速度都会对信号的衰减产生影响，因此 提高无线传输效率和质量的前提是仔细分析无线信道的传输特点。 2 2 基本的无线信道 2 2 1 无线信道衰落模型 移动通信中的无线信道是一种时变信道，无线电信号通过移动信道时会 受到各个方面的衰减损失，从而导致接收到的信号要比发射的信号弱得多。 假设接收信号的功率表示为f l o 】： e ( d ) - - i d l 一疗s ( d ) r ( d ) ( 2 - 1 ) 其中d 表示距离向量，其绝对值矧表示移动用户与基站的距离。由式( 2 1 ) 表 示的信道对无线电波的影响可归纳为以下三类： 1 自由空间的路径损失矧” 也被称作大尺度衰落，其中n 取值一般为3 - 4 。用于描述接收机在开阔 地所接收的信号功率由于反射和折射所引起的路径损耗，其距离发射机d 米 处的平均功率为： 6 呻) - c 时 ( 2 - 2 ) 其中，磊是参考距离，f 为路径损耗指数，c 是取决于发射功率、收发天线 增益和波长的任意常数。 2 阴影衰落s ( a 1 也被称作中尺度衰落。用于描述接收机在较大范围内移动时信号被山体、 森林、高大建筑物等阻挡而引起的接收信号功率的连续波动，也称阴影效应。 由阴影效应引起的平均接收功率服从对数正态分布： 讹矧= 志唧 _ 唑乒l 其中，仃是阴影对数标准方差，只是区域平均功率。 3 多径衰落r ( a 1 也被称作小尺度衰落，用于描述在空间传播的信号由于折射、反射、散 射等现象可能经过多条路径到达接收端，而每个多径信号的衰落、时延、相 位各不相同，因此各多径信号分量在接收端叠加时，会产生异相减小、同相 增加的现象。影响多径衰落的因素包括【1 1 】：多径传播、移动台的速度以及信 号的传输带宽。 2 2 2 信道扩展 信道扩展可以从频率、时间和空间3 个角度来描述扩展信道【1 2 。1 4 】： 1 时延扩展( 频率选择性衰落) 时延扩展定义为接收信号在时域内的扩展。时延扩展和相干带宽是描述 无线信道多径效应的两个重要参数。 定义时延扩展为多条路径中的最大时延，并用乃的倒数来定义相干带 宽毋，即： b d = t dq - 4 ) 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在数字传输中，多径信道在相干带宽范围内具有恒定的线性相位和增益。 但在相干带宽范围外，由于时延扩展，接收信号中一个码元的波形会扩展到 其它码元中，从而引起码间串扰( i s d ，以致一些频率分量信号的幅值受到 衰减，而另一些频率分量信号的幅值得到加强。为了避免i s i ，应使码元速率 磁小于时延扩展乃的倒数： 玛 从 3 3 5s i s o 、m i s o 、s i m o 和m i m o 信道容量的综合分析比较 为了综合比较和分析s i s o 、m i s o 、s i m o 和m i m o 这四类信道的信道 容量，选择l 1 、l x 2 、2 x l 、2 2 及4 4 五种天线方案，比较其c 0 及。g 。 假定发射端不知道信道状态信息，且信号间是相互独立的，从图3 6 中可以 看出，信道容量随坼和r 的增长而增长。因此m i m o 系统在提高无线通信 2 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 系统的容量方面发挥了极大的作用。 图3 6 不同天线配置的巳容量仿真图 图3 7 是发送端不知道信道信息时不同天线配置的1 0 中断容量坷。 从图3 7 可以看出，中断容量随信噪比增长而增长，并且对更大的天线配置 时更高。与图3 6 相比，信道容量没有太大的差别，这说明1 0 的中断概率 的条件下，m i m o 系统基本上能保持平稳的数据传输速率。 图3 7 不同天线配置的1 0 中断容量c o ，g 仿真图 2 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 4 基于s t b c 的m i m o o f d m 系统 3 4 1s t b c o f d m 系统 空时分组编码( s t b c ) 3 3 - 3 5 在发送端采用正交编码的方式在各个天线上 同时发送信号，接收端只要采用线性合并就可以获得很好的效果。图3 8 是 一个两发一收的s t b c o f d m 系统框图。本节以基于a l a m o u t i 方案的空时分 组编码m i m o o f d m 方案来说明s t b c 在m i m o o f d m 系统中的应用。 图3 8s t b c o f d m 系统框图 编码和发送序列在一个给定符号时间内，根据图3 9 给出的s t b c 编码 原理框图将两个信号五、x 2 映射到发射天线上： 图3 9s t b c 编码原理框图 信号西和而在第一个发射周期同时从天线1 和天线2 上发射：信号一墨和 i 在第二个发射周期同时从天线1 和天线2 上发射。其中( ) + 表示复共轭。 很明显，s t b c 在时域和空域同时进行编码。 用x ：和x ：分别表示天线1 和天线2 上的发射序列： x i = lx a ，一蔓l ( 3 1 7 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 x ：= 而，葛 ( 3 1 8 ) s t b c 的主要特征是两跟发射天线上的发射序列是正交的，即： ( x ，x ：) = 而蔓- x ；x , = o ( 3 1 9 ) 在f 时刻，用矗( f ) 和红( ，) 分别表示从两根发射天线到接收天线的信道衰 落系数。假走信道衰落系数在每个连续符号发射周期间是不变的，则： 盔( f ) = 曩o + r ) = 矗= l 岛l e 鸬 ( 3 - 2 0 ) 吃( f ) = ( f + 丁) = 缟= l 红l e 鹏 ( 3 2 1 ) 其中，( i = 1 ，2 ) 为发射天线i 到接收天线的幅度增益，谚为相移，丁为 符号周期。 在接收天线端，相应的接收信号在，和t + t 时刻分别为： 乃= 扛五+ j 毛屯+ 码 耽= 也蔓+ 吃i + 伤 ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) 其中，码、他为均值为0 ，方差为仃2 的加性高斯白噪声，二者为独立同分布 的复随机变量。令t = ( 咒，虻) 2 ，则： 譬= i - i x + n ( 3 2 4 ) 其中： h = 睦射x = 一 p 2 5 ， 可以看出，h 为正交阵，即h 日h = e i h , 1 2i ：。正是由于正交空时分组码 编码矩阵的正交性，使得信道矩阵也具有正交性，这是正交空时分组码的一 个重要特性，大大简化了其解码过程。 如果信道衰落系数瑰和吃在接收端能够完全被恢复出来，则它们将被解 码器用作信道状态信息( c s i ) 。假定调制星座图中所有信号均是等概率的， 最大似然解码器从信号调制星座图中对所有可能的毫和幺值选择一对信号 g ，岛) 使下式的距离度量最小p 叼： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 d 2 ( m ，岛毫+ 呜是) + d 2 ( 驴7 i i + 哆)( 3 - 2 6 ) = l 儿一啊毫一呜岛1 2 + l 咒+ 红曩一并f 2 、。 将式0 - 2 2 ) 和式( 3 2 3 ) 带入式( 3 - 2 6 ) d p ，则最大似然译码可以表示为： ( 毫，龟) = a r g ( 毫m 岛i ) e n c ( h 1 2 + i 1 2 1 ) ( x 1 1 2 i t i x l l 2 ) + d 2 ( j i l ，毛) + d 2 ( 聂，是) ( 3 _ 2 7 ) 其中，c 为调制符号对( 毫，是) 的所有可能的集合；墨和j i 2 这两个判决统计是 通过合并接收信号和信道状态信息而产生的。 上面介绍的是两发一收的情况，实际上，a l a m o u t i 方案可以用于发射天 线数为2 接收天线数为。的系统。 3 4 2s t b c o f d m 性能分析及仿真 图3 1 0m i m o 与s t b c o f d m 系统的b e r 性能比较 在频率选择性衰落信道中，假设接收端已知信道的衰落系数，噪声为均 值为0 、方差为仃2 的加性高斯白噪声，图3 1 0 给出了两发一收的s t b c 系统 中，采用o f d m 调制和未采用o f d m 调制的m i m o 系统的误码率性能曲线。 从图3 1 0 可以看出，s t b c o f d m 系统误码率性能要好于m i m o 系统， 2 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i 这是由于s t b c 的构造和性能分析都是基于平坦衰落基础上的，我们不能把 它直接应用在频率选择性信道上，否则的话就会造成s t b c 性能上的衰减【3 7 1 。 采用o f d m 调制技术将频率选择性衰落信道划分为多个平坦衰落信道，然后 在每个平坦衰落信道上进行s t b c ，有效抵抗了频率选择性衰落，提高了系 统的性能。 3 5 本章小结 本章主要讨论了o f d m 系统的基本结构和信道估计算法；详细分析了几 种典型天线数量下的m i m o 信道容量的基本理论，并通过仿真验证了理论分 析和实际相符合；在此基础上讨论了m i m o o f d m 系统的基本结构，并介绍 了一个典型的系统：s t b c o f d m 系统。 在实际无线信道中，我们无法预先得知准确的信道衰落系数，需要在接 收端根据一定的算法对信道系数进行估计才能完成系统的译码和解调。本章 的分析将作为后面章节m i m o o f d m 系统信道估计的基础，并为其提供了重 要的理论依据。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第4 章基于训练序列的m i m o o f d m 系统信道 估计算法研究 4 1 引言 m i m o o f d m 系统能够提供高质量、高速率的数据传输是在信道状态信 息( c s i ) 已知的前提下，但在实际中c s i 常常是未知的，因此保证 m i m o o f d m 系统传输质量，发挥其优越性的关键是准确的信道估计。 本章将要介绍基于训练序列的信道估计算法。基于训练序列的信道估计 适用于突发传输方式的系统，通过发送已知的训练序列，在接收端进行初始 的信道估计，当发送有用的信息数据时，利用初始的信道估计结果进行一个 判决更新，完成实时的信道估计。 4 2 基于训练序列的信道估计 4 2 1 训练序列的设计 基于训练序列的信道估计算法一般有最小二乘( l s ，l e a s ts q u a r e s ) 信 道估计算法【3 8 1 和最小均方误差( m m s e ，m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ) 信 道估计算法【4 0 】。通常的训练序列结构图如图4 1 所示。 ( a ) 每帧一个训练符号每帧两个训练符号 图4 1 训练序列的结构图 2 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 2 2 基于训练序列的l s 时域信道估计算法 基于l s 时域信道估计算法的m m o - o f d m 系统原理图如图4 2 所示： 厅“o l 疗1 一1 l 成i m , 工一q 疗，【一，o l 疗，h 畸 图4 2l s 时域信遭估计原理 基于l s 代价函数的时域信道估计算法的基本思想【3 9 1 是通过插入训练序 列，构建一个包含接收信号、信道时域冲击响应估计和训练序列等参数的l s 代价函数，然后通过对该代价函数取极小值来获取l s 条件下的信道时域冲 击响应估计。 假设每个接收天线的信道估计都是相互独立的，在第胛个o f d m 符号周 期，第后个子载波上，发射天线珥和接收天线间信道的频率响应为： 吼【船，七】= 】皑 ( 4 1 ) 其中l 为信道长度，是对信道脉冲响应采样得到的非零抽头的个数。信道估 计的目的是获得【刀，后】的估计值氐【门，k 】，以实现最终的相干检测。由上 式可知，通过估计【刀，z 】可以间接的获得【刀，j j 】，因此只需估计出其对应 的时域冲击响应 栉，z 】。由上式定义基于l s 准则的代价函数为： c ( t 【玎，俅珥= 1 ，2 ) 。= 芝k - - o i i ，k 尼】一n 壹，= l 芝i - - 4 ) 反【刀，刀碟_ 【后1 1 ( 4 - 2 ) 其中，k 【以，七】是发射天线与接收天线之间第七个子载波处的训练符号。 哈尔溟工程大学硕士学位论文 对代价函数求偏导，并令其为0 ，获得使式( 4 2 ) 取得最小值的信道估计： 帮2 辎一，删t o ， 暖【疗，厶】 la i 沁( 幺【，z ，o 】) ja h n ( 反扣，) f ”叩， 简化整理后得到： 足- i ， 2l - i l 4 , - - 1 、 k = o 卜七培1 = 0 协，】赠小明弦洳七】= o ；) 珥= l， i 斗qj 磅= 1 ，2 ；乇= o ，1 ，三一1 其中，r e ( ) 、i m ( ) 分别表示求实部和虚部运算；( ) 表示共扼运算。 定义： 矗 船，1 - - e “刀，七k 【啪】陈材 ( 4 5 ) m 】= 乙。 ，z ，饯 挖，后】陈材 ( 4 6 ) 则式( 4 - 1 ) 的代价函数可以进一步表达为： 反【甩，z 】五【刀，乇一，】= 气【，z ，乇】；巧= 1 ，2 ；l o = o ，1 ，三一1 ( 4 7 ) 表示成矩阵形式，则： 矗m = q _ m p 【玎】 ( 4 8 ) 其中，矗r 以，= 恚 二j ，pr 刀，= 2 ：】 ，q c 力，= ( 芝：f ：j 毫 ：j ) 。 矗啊悱 磊【拧，o 】，幺阻一1 盯( 4 - 9 ) h 【玎】= 取【栉，o 】， ( 玎，三一1 】 r ( 4 加 哈尔滨工程大学硕士学位论文 q 吩 【川= 【刀，0 】 【n , 1 】 【刀，三一1 】 【n , - 1 】 【刀，0 】 【玎，三一2 】 4 2 3 基于训练序列的m m s e 信道估计算法 上面介绍了l s 时域信道估计算法，下面介绍m m s e 信道估计算法【4 1 1 。 以两发两收s t b c o f d m 系统为例，用c 刀】表示训练序列，r 动】表示接 收向量，w 【，z 】表示加性高斯白噪声向量，h 吩、h 珥分别表示发射接收天线珥 与接收天线n r 间的信道频率响应和冲击响应，具体定义如下： r 【川= ( ，【，z ，o 】，厂【，z ，1 】，【甩，k 一1 】) r ( 4 1 2 ) w 甩】= ( w 【聆，o 】，w m 】，- ，w i n , k 一1 】) 7 ( 4 1 3 ) c 【刀】= ( ，【丹】，c ：【，z 】) ，c n , 刀】= 以踞( 气 刀，o 】，气【”，l 】， 刀，k - 1 ) ( 4 1 4 ) h = ( h i ，h ；) r ，h 珥= ( 【o 】，【l 】，【k l 】) r ( 4 - 1 5 ) h 珥= ( h ；，h ；) r ，h 一= ( 【o 】，【1 】， k 一1 】) r ( 4 - 1 6 ) w = ( 翘，其中廿1 x g - 1 ) 邝p 吼l 丁 相应的谱窗为： 吣声o s 警+ o 4 6 1 掣+ i s i n ( o ) 了r - 万) i 海明窗和汉宁窗都是余弦窗，只是加权系数不同。海明窗加权的系数能 使旁瓣达到更小。图4 8 是海明窗的时域和频域波形图。可以看出，海明窗 的第一旁瓣衰减为4 2 d b 。海明窗的频谱也是3 个矩形时间窗的频谱之和，但 是其旁瓣衰减速度为2 0 d b ( 1 0 0 c t ) ，比汉宁窗的衰减速度慢。 图4 8 海明窗的时域和频域波形图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 3 3 基于加窗的l s 迭代信道估计算法 姒州撒慧秽一， = ( 加) + 帮 一 图4 9 基于加面的l s 迭代信遭估计器结构 基于加窗的l s 迭代信道估计算法的具体步骤如下： ( 1 ) 首先，导频点上的信道频域响应巩( m ) 可以由传统的l s 算法口羽 得到，由式( 4 2 4 ) 可得： 巩( 咖瑞肛蜘抄1 ( 2 ) 巩( m ) 经过窗函数w ( 历) 后，得到： 瓯( m ) - - 巩( 聊) w ( 朋) m - - o ，1 ，m - 1 ( 4 3 3 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 3 ) 轧( m ) 经过m 点i f f t 处理后为： 屯( 力) = 万1m 缶- i 玩( 朋) e x p ( j 等扰刀) 刀= 。，l ，肘一1 1 ( 4 3 4 ) ( 4 ) 由于信道衰落元( 以) 主要集中在低频部分，噪声则扩展到整个频域， 可以认为：功率较大的多径分量的信道冲击响应落在保护间隔内，而噪声落 在保护间隔外。则： ) ： 磁呕胚舭髓蛏肛1 其中，p c 是滤波器截止频率。通过滤波、填零，c i r 扩展到n 个采样点： f 死( 玎) ，o n p c 露( 刀) = t o ，见 疗 一见 ( 4 - 3 6 ) 【毛( n - n + m ) ，n 一见刀n 一1 然后经过f f t 变换得到数据信号衰落值： 矾( 克) = a - 艺j v - a 瓦( 以) 唧( 一j f 等聆k ) k = 0 1 一，n - 1(437)n=o 矾( 克) 瓦( 以) 唧l j f 等聆l 一，( 4 一 其中a 为校正因子。在这里可以动态调整截止频率点见，p c 由下式确定： 陟( 刀) | 2 + n = 芝m - p , m 1 2 儋脚降 其中，r 0 9 ，0 9 5 】，选取适当的截止频率见，使所有信号能量中低频部分 的有用信号能量比重不小于r 。 ( 5 ) 在第m 次迭代过程中，对式( 4 3 5 ) 添0 后作点f f t 变换： 鄙( 后) 篓瓦( 刀) e x p ( 和) 瑚，1 ，n - 1 ( 4 3 9 ) 鄙( 后) = 口瓦( 刀) el 等础l 后= o ，1 ， ( 4 一 ( 6 ) 用步骤( 4 ) 中的导频符号估计值玩( k ) 替换第m 次迭代过程中相 应导频位置的估计值膏嚣( k ) ( 若是最后一次迭代则不必替换) 。 ( 7 ) 计算l 毫? “ ) 一廊( 露) r ，若其值小于预先设定的门限值，迭代过 哈尔滨工程大学硕士学位论文 程终止；否则，对鄙+ 1 ( 七) 做i f f t 变换，即： 石肘1 ( 刀) = 万i 白n - i 爿。m “( j i ) e x p ( 。等砌) j j = 0 ，1 ，一1 ( 4 - 4 0 ) ( 8 ) 再次进行时域低通滤波以抑制噪声和干扰，重复步骤( s ) ( 7 ) 直到满足最后结果。 ( 9 ) 对满足结果的氨( 刀) 进行f f t 变换，得到鼠( k ) ，最后进行加窗 补偿，得到最终的信道频域响应的估计值： 哪) = 错，1 ，_ 1 ( 4 - 4 1 ) 其中，w ( 后) 为所加的窗函数。 这样，经过多次迭代滤波能够不断消除噪声和i c i 的影响，得到较精确 的信道估计值，改善系统的性能。信道估计的性能可由其均方误差来衡量： 脚= 兰e j 司“( 后) 一旬( 后) 1 2 肛 2 ) 考虑本节算法的复杂度，与传统的l s 信道估计算法相比较，主要区别 是加入了加窗计算，并在此基础上进行了迭代运算。每次迭代过程中加窗计 算增加了2 x ( m + n ) 点复乘运算，相对整个系统而言运算量增加很小。 4 3 4 性能分析及仿真 以算法1 表示文献 4 3 】提出的算法，算法2 表示本节提出的算法，选用 汉宁窗进行设计。如图4 1 0 所示，仿真结果给出了采用同样的梳状导频结构 的条件下，两种算法