（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统信道估计算法的研究及信道容量分析.pdf

l 删 t h e a l g o r i t h mr e s e a r c ho fc h a n n e le s t i m a t i o na n dt h ea n a l y s i so f c h a n n e lc a p a c i t yi nm i m o o f d ms y s t e m s b y z h a nx i n g x i a n g b e ( h u b e in o r m a lu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl is u o - p i n g m a y , 2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 律后果由本人承担。 作者签名：荛以彳舞 日期：为，7 年多月2 日 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，即：学 校有权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。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：拟样 剔帷名私事 ，、1、1 日期：加，年多月日 日期：仂f ，年石月y 日 硕十学位论文 目录 摘i 1 2 兽】 a b s t r a c t i i 插图索引i v 附表索引v 第一章绪论一l 1 1 引言1 1 2 研究背景l 1 2 1 无线移动通信的发展1 l 。2 2 第四代移动通信技术2 1 2 30 f d m 技术发展现状2 1 2 4m i m o 技术发展现状3 1 2 5m i m o - o f d m 技术4 1 3 课题的主要任务和意义4 1 3 1 信道估计4 1 3 2 信道容量5 1 4 文章的章节安排和创新点6 1 4 1 章节安排6 1 4 2 主要创新点7 第二章移动无线信道模型分析8 2 1 无线衰落信道的传播特性8 2 1 1 大尺度衰落8 2 1 2 阴影衰落9 2 1 3 多径衰落9 2 1 4 时变性及多普勒频移l o 2 2 衰落信道的动态特性1 1 2 3 典型的多径衰落道模型分析1 2 2 4 本章小结1 4 第三章m i m o o f d m 理论研究及模型分析1 5 3 10 f d m 的基本原理及系统模型1 5 3 2o f d m 技术特点1 7 3 2 1o f d m 技术优点1 7 3 2 20 f d m 的不足1 7 3 3mlm 0 的基本原理及系统模型1 8 m i m o o f d m 系统信道估计算法的研究及信道容量分析 3 4mlm 0 系统的特点1 9 3 5 m o - o f d m 系统模型2 0 3 5 1 系统无线移动信道描述2 0 3 5 2m i m o - o f d m 系统描述2 0 3 6 本章小结2 2 第四章一种基于均方误差估计的导频设计2 3 4 1 引言2 3 4 2 导频辅助信道估计2 4 4 2 1 导频插入方式2 4 4 2 2 频域最小二乘法信道估计2 5 4 2 3 基于最小均方误差的信道估计算法2 6 4 2 4 基于s v d 的信道估计算法2 6 4 3 新提出的导频结构2 7 4 4 性能仿真分析2 8 4 5 本章小结3 l 第五章基于天线选择算法的m i m o 系统容量分析3 2 5 1 引言3 2 5 2 天线选择原理及系统模型3 3 5 2 1 天线选择原理3 3 5 2 2m i m o 系统模型3 3 5 3 不同信道模型下的信道容量3 4 5 4 基于天线选择算法的m lm 0 信道容量变化分析3 5 5 4 1 递增算法下的信道容量3 5 5 4 2 递增算法下的信道容量3 6 5 4 3 递增、递减算法下的信道容量变化分析3 6 5 4 4 复杂度分析3 6 5 5 性能仿真分析3 7 5 6 本章小结4 0 总结与展望4 l 研究工作总结4 1 进一步展望4 1 参考文献4 3 致 射4 8 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录4 9 硕士学位论文 摘要 多输入多输出与正交频分复用( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t o r t h o g o n a l f 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 ，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，可较大地提高无线通信中的信道容量与传输速率， 并能有效地抵抗衰落、抑制干扰和噪声，成为人们关注的焦点，被认为是下一代 无线移动通信的核心技术。 本文首先阐述了论文的研究背景以及o f d m 、m i m o 技术的发展现状，通过大 尺度衰落i 阴影衰落、小尺度衰落、多径衰落详细阐述了无线衰落信道的基本特 征。随后重点讨论了本文涉及的广义平稳非相关散射( w i d es e n s es t a t i o n a r y u n c o r r e l a t e ds c a t t e r , w s s u s ) 模型、瑞利模型、莱斯模型，m i m o o f d m 系统模型。 在此基础上，分析了信道导频辅助估计、信道容量的研究状况，给出了本文的研 究问题。 针对基于频域的最小二乘法( l s ) 具有较低的实现复杂度，但误差性能不是很 好的特点，本文第四章在基于均方误差的准则下，从接收端任意天线出发，设计 了一种新的导频结构。在该导频序列中相位是相互正交且均匀分布的，理论推导 均方误差较小；导频矩阵元素为实数或纯虚数，有效地减小了运算的复杂度。仿 真结果显示：新提出的算法在不增加复杂度的基础上，比传统的最小二乘法具有 更小的均方误差，并随着信噪比的增大越加明显；该算法比传统的最小二乘法系 统误符号率小很多，随着子载波数的增加，在大信噪比的情况下，新提出的算法 性能显得更为优越。 多天线系统的信道容量随着发射端或接收端天线数目的增加而增加，但对系 统信道容量变化的研究仍存在计算复杂度高、限于特定系统等缺点。本文第五章 从天线选择算法出发对多天线系统的信道容量变化进行了详细论证。通过在发射 端或接收端增加( 减少) 天线对，能增加( 减小) 系统信道容量。m a t l a b 仿真 表明：在信噪比一定的情况下，天线对数目越多，信道容量越大，信道容量增加 的速率也越快。无论是概率分布函数反映的平均信道容量，还是累积分布函数反 映的信道容量增加的速率，都随着天线对数目的增加而增加的更为明显。 关键词：m i m o o f d m ；信道估计；信道容量；天线选择 m i m o o f d m 系统中信道估计算法的研究及信道容量分析 a b s t r a c t c o m b i n i n gs p a c ed i v e r s i t y , f r e q u e n c yd i v e r s i t ya n dt i m ed i v e r s i t yt o g e t h e r e f f i c i e n t l y , t h em u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 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 i m o - o f d m ) t e c h n o l o g yc a ni m p r o v et h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n c h a n n e lc a p a c i t ya n dt r a n s f e rr a t e sg r e a t l y , a n dc a nr e s i s tf a d i n ge f f e c t i v e l y , r e s t r a i nt h ei n t e r f e r e n c ea n dn o i s e ，h a sd r a w np e o p l e sa t t e n t i o na n db e e nw i d e l y c o n s i d e r e dt h ec o r eo fn e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n a tt h eb e g i n n i n g ，t h i st h e s i sd e s c r i b e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n do f d m ， m i m et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ts t a t u s t h eb a s i cc h a r a c t e r so fr a d i o f a d i n g c h a n n e l sa r ee l a b o r a t e d b yi n t r o d u c i n gl a r g e - s c a l ef a d i n g ，s h a d o wf a d i n g ， s m a l l - s c a l ef a d i n g ，a n dm u l t i p a t hf a d i n g a n dt h e nt h i st h e s i sf o c u s e do nt h ew i d e s e n s e s t a t i o n a r y u n e o r r e l a t e d s c a t t e r ( w s s u s ) ，r a y l a i y ,r i c e a n ， a n d m i m e o f d ms y s t e m s b a s e do nt h es t u d ya b o v e ，t h er e s e a r c hs i t u a t i o no fp i l o t s y m b o l a s s i s t e di nc h a n n e le s t i m a t ea n dc h a n n e lc a p a c i t yi sa n a l y z e d ，a n da l s ot h e r e s e a r c hp r o b l e m sa r e g i v e ni nt h i sa r t i c l e t h el e a s ts q u a r e s ( l s ) m e t h o db a s e do nf r e q u e n c yd o m a i nh a sal o w e r c o m p l e x i t y , b u th a st h eb a de r r o rp e r f o r m a n c e t h ef o u r t hc h a p t e ro ft h i st h e s i sh a s d e s i g n e dan e wp i l o ts t r u c t u r ee m b a r k e df r o ma r b i t r a r yr e c e i v i n ga n t e n n au n d e rt h e r u l eo ft h em e a ns q u a r ee r r o r ( m s e ) i nt h en e wp i l o ts t r u c t u r e ，t h es e q u e n c e so f p i l o tp h a s e a r em u t u a l l y o r t h o g o n a l a n d e v e n l yd i s t r i b u t e d ，t h et h e o r e t i c a l d e r i v a t i o np r o v e dt h a tt h ep r o p o s e ds t r u c t u r eh a st h em i n i m u m m e a ns q u a r ee r r o r ； t h ee l e m e n to ft h ep r o p o s e dp i l o tm a t r i xi n t h i sp a p e ri sr e a ln u m b e ro rp u r e l y i m a g i n a r yn u m b e r s oa st or e d u c et h ec o m p u t ec o m p l e x i t y e f f e c t i v e l y t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a l m e t h o do fl e a s ts q u a r e si nm e a ns q u a r ee r r o r , w h i c hi sm o r eo b v i o u sw i t ht h e i n c r e a s eo fs i g n a lt on o i s er a t i o ( s n r ) ；t h ep r o p o s e da l g o r i t h mh a st h ev e r yl o w s y s t e me r r o rr a t e ( s e r ) t h a nt h et r a d i t i o n a ll e a s t - s q u a r e ，a n dh a sm u c hb e t t e r p e r f o r m a n c e sw i t ht h ei n c r e a s i n gn u m b e ro fs u b - c a r r i e r si nt h ec a s eo fh i g hs n r m o r ea n t e n n a sa tt h et r a n s m i t t e ro ra tt h er e c e i v e rc a no f f e rl a r g e rc h a n n e l c a p a c i t yi nm i m oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s h o w e v e r , s o m ed e f e c t sa r er e m a i n e di n s t u d y i n gt h ec h a n g eo fc h a n n e lc a p a c i t yt ot h em u l t i a n t e n n as y s t e mc u r r e n t l y , s u c h a sh i g hc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y , l i m i t e dt oas p e c i f i cs y s t e m ，a n ds oo n t h ef i f t h c h a p t e ro ft h i st h e s i se m b a r k e df r o ma n t e n n as e l e c t i o na l g o r i t h m s ，t h ec h a n g eo f c h a n n e l c a p a c i t y t ot h em u l t i - a n t e n n a s y s t e m a r ed e m o n s t r a t e di n d e t a i l s t h e o r e t i c a ld e r i v a t i o np r o v e dt h a tt h ei n c r e a s i n g ( d e c r e a s i n g ) n u m b e ro fa n t e n n a s c a ni n c r e a s e ( d e c r e a s e ) t h ec h a n n e l c a p a c i t yo fs y s t e m s i m u l a t i o nr e s u l t so f m a t l a bs h o w e dt h a tw h e nt h e s i g n a lt on o i s er a t i oi sc e r t a i n ，t h eg r e a t e rt h e n u m b e ro fa n t e n n a s ，t h e l a r g e rc h a n n e lc a p a c i t yo fs y s t e ma n dt h ef a s t e rt h e 1 n c r e a s m gr a t eo ft h es y s t e mc h a n n e lc a p a c i t y ；f u r t h e rm o r e ，b o t ht h e a v e r a g e c h a n n e lc a p a c i t yo fs y s t e mr e f l e c t e db yt h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ( p d f ) a n dt h ei n c r e a s i n gr a t eo ft h ec h a n n e lc a p a c i t yo fs y s t e mr e f l e c t e d b yc u r e u l a t i v e d i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ( c d f ) w i l li n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n gt h en u m b e ro f a n t e n n a s m o r eo b v i o u s l y 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 ；c h a n n e lc a p a c i t y ；a n t e n n a s e l e c t i o n m i m o o f d m 系统中信道估计算法的研究及信道容量分析 插图索引 图1 1 一般的信道估计过程5 图1 2m i m o 接收端天线选择原理图6 图3 1o f d m 系统基带框图1 5 图3 2 插入保护间隔后的o f d m 符号1 6 图3 3m i m o 系统原理框图1 8 图3 4m i m o 系统的信道等效模型一1 9 图3 5m i m o o f d m 系统在发送端的系统框图2 1 图3 6m i m o o f d m 系统在接收端的系统框图2 l 图4 1 导频图案2 5 图4 2m s e s n r 曲线( n - - 6 4 ) 2 9 图4 3m s e s n r 曲线( n = 512 ) 2 9 图4 4s e r s n r 曲线( n = 6 4 ) 3 0 图4 5s e r s n r 曲线( n = 1 2 8 ) 3 0 图5 1m i m o 系统中天线选择原理图。3 3 图5 2m i m o 系统的原理图3 3 图5 3 信道容量与发射天线的关系3 7 图5 4 信道容量与接收天线的关系3 8 图5 5 信道容量增加率与天线数目的关系3 8 图5 6 信道容量与发收天线对的关系3 9 图5 7 概率分布与信道容量的关系( s n r = 1 0 ) 3 9 图5 8 信道容量累积分布曲线( s n r = 1 0 ) 4 0 i v 硕士学位论文 附表索引 表1 1 各种m i m o 结构的数据峰值速率4 表2 1 不同信道环境下的时延扩展值1 0 表2 2 最大多普勒频偏( h z ) 1 l v 硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论弟一早三百y 匕 随着社会经济的高速发展，人类交往范围不断扩大，人类已步入信息时代， 通信技术在其中起着支撑作用。同时通信作为一个国家或地区经济文化发展水平 的重要标志，对社会进步、人类文明的发展有着重大的影响，人类社会对通信的 需求越来越高，各国都在致力于通信技术的研究与开发。 综合利用有线和无线的传输方式，移动通信系统解决了人们与固定终端或其 他移动载体上的对象进行通信联系的要求，是2 0 世纪7 0 年代以来发展最快的通信 领域之一。据分析，全球无线通信用户的总量已超过有线用户，便捷、及时、迅 速的特点使无线通信将超越有线通信成为未来个人通信发展的主流和目标。 1 2 研究背景 1 2 1 无线移动通信的发展 无线通信的发展历史可以追溯到1 9 世纪8 0 年代，赫兹( h e i n r i e hh e r t z ) 所做 的基础性的实验以及马可尼( g u g l i e l m om a r c o n i ) 所做的研究工作。移动通信的 始祖马可尼首先证明了在海上轮船之间进行通信的可行性。自从1 8 9 7 年马可尼实 验室证明了运动中无线通信的可应用性以来，人类开始了对移动通信的兴趣和追 求。在2 0 世纪2 0 年代末，奈奎斯特( h a r r yn y q u i s t ) 提出了著名的采样定理，指 导着我们迈向数字化时代【l 】。 移动通信已成为现代通信系统中不可或缺的组成部分，所谓移动通信是指通 信双方至少有一方在运动的状态中进行信息传输。例如移动台( 由车辆、船舶、 飞机或行人携带) 与固定点之间或移动台之间的通信。此外，通信用户的位置是 可变的，但在通信过程中用户不处于运动状态的情况也属于移动通信。 不仅仅集中了无线通信与有线通信的最新技术成就的移动通信，还综合了计 算机技术和网络接收的成果。如今，移动通信已从模拟通信阶段发展到了数字通 信阶段，而且个人通信正成为发展的热点。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，已经成为未来移动通信发展的目标。 现代移动通信技术的蓬勃发展始于2 0 世纪7 0 年代中期。1 9 7 8 年，美国贝尔实 验室成功研制了先进移动电话系统( a m p s ) ，建成了蜂窝状模拟移动通信网。与 此同时，其他国家也相继开发出蜂窝式公共移动通信网，移动通信网成为实用系 统，并在全国各地迅速发展。蜂窝网，也就是小区制，由于实现了频率再用，大 m i m o o f d m 系统中信道估计算法的研究及信道容量分析 大提高了系统容量。这一阶段所诞生的移动通信系统被称为是第一代移动通信系 统。模拟移动通信有很多不足之处，诸如制式太多、互不兼容、不能提供自动漫 游：通话质量一般；很难实现保密；不能提供数据业务等。 第二代移动通信系统是为支持语音和低速率的数据业务而设计的，起源于2 0 世纪9 0 年代，主要采用时分多址( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) 和码分 多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 技术。模拟移动通信系统的一些弱 点，第二代数字移动通信都进行了改善。大大提高了保密性、话音质量，还可以 在省内、省际间自动漫游。但无法实现移动的多媒体业务，这是由于数字移动通 信系统带宽的限制，限制了数据业务的应用。同时，由于各国数字移动通信系统 标准不统一，无法进行全球漫游。随着人们对通信业务范围和业务速率要求的不 断提高，已有的第二代移动通信网不能满足新业务的要求【l 】。 第三代移动通信是覆盖全球的多媒体移动通信，将其与第一代模拟移动通信 及第二代数字移动通信相比，它的主要的特点之一是可实现全球漫游，可实现任 意地点、任意时间、任意人之间的交流。可实现高速数据传输和宽带多媒体服务 是其另一个特点。第三代合作伙伴计划( 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e e t ，3 g p p ) 从2 0 0 4 年11 月开始着手其长期演进计划( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) 【2 3 】，目标是 增大蜂窝通信系统的覆盖范围和容量。 1 2 2 第四代移动通信技术 通信系统的容量因i n t e r n t 业务对通信速率的高要求以及移动通信用户爆炸式 的增长显得日益紧张，扩大系统容量、保证服务质量，同时充分利用现有频率资 源已经成为新一代移动通信迫切要解决、必须要解决的难题。 到目前为止，第四代移动通信系统技术虽只是一个主题概念，即无线互联网 技术，是集3 g 与w l a n 于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量 与高清晰度电视不相上下的技术产品，但4 g 系统上传的速度能达到2 0 m b p s ， 并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。 以信道传输；抗干扰性强的调制和信息传输技术、高速接入技术；无线接口 和光接口；自适应阵列智能天线；网络结构协议、软件无线电等为主的技术正逐 步成为第四代移动通信系统的关键技术。正交频分复用( o r t h o g o n a lf 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 ，o f d m ) 技术具有良好的抗噪声性能和抗多信道干扰能力， 网络结构高度可扩展，能提供无线数据技术质量更高的服务和更好的性能价格比， 能为4 g 无线网提供更好的方案。比如数字音讯广播( d a b ) 、无线区域环路( w l l ) 等，预计都采用o f d m 技术。因此，o f d m 被认为是4 g 最主要的核心技术。 1 2 30 f d m 技术发展现状 o f d m 是一种特殊的多载波传输方案，既是一种调制技术，又是一种复用技 2 硕士学位论文 术，该技术能够很好地对抗频率选择性衰落【4 击j 。o f d m 最早起源于2 0 世纪5 0 年代 中期，并行数据传输和频分复用形成于6 0 年代，1 9 7 0 年首次公开发表了有关o f d m 的专利。 1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 在并行传输系统中把离散傅里叶变换( d f t ) 作为 调制解调的一部分，实现f d m 可以在不利用带通滤波器的情况下直接经过基带处 理，并且在完成f d m 的过程中，可以完全依靠硬件，通过执行快速傅里叶变换 ( f f t ) 来实施【_ 7 1 ，也就不要求使用子载波振荡器组以及相干解调器。 o f d m 技术在数字音频广播( d a b ) 、基于i e e e s 0 2 1 1 标准的无线本地局域网 ( w l a n ) 、数字视频广播( d v b ) 以及基于现有铜双绞线的非对称高比特率的 有线电话网上的数字用户技术开始得到应用，始于2 0 世纪8 0 年代。信号多径传播 造成的符号间干扰( 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 ) 【l 】都可以利用o f d m 有效地消 除。欧洲电信标准协会( e t s i ) 在1 9 9 5 年制定了d a b 标准。接着在1 9 9 7 年，基于 o f d m 的d v b 标准开始投入使用。1 9 9 8 年7 月，经过多次的修改之后，i e e e 8 0 2 1 1 标准组决定选择o f d m 作为w l a n 的物理层接入方案，目标是提供6 - - 5 4 m b s 数据 速率，此后，e t s i 、b r a n 、以及m m a c 也纷纷采用o f d m 作为其物理层的标准【l ，7 1 。 此外，o f d m 还易于结合空时编码、自适应编码、分集、干扰抑制、自适应 调制、动态子载波分配以及智能天线等技术，最大程度地提高物理层信息传输的 可靠性。 1 2 4m i m o 技术发展现状 1 9 0 8 年，m a r c o n i 最早提出了多输入多输出( 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 ) 技术，之后在2 0 世纪7 0 年代有人提出将多输入多输出技术用于通信系统， 9 0 年代中期a t & b e l l 实验室学者完成的工作对无线移动通信系统中多输入多输 出技术产生了巨大的推动作用。b e l l 实验室的t e l a t a r 、f o s c h i n i 等人于1 9 9 5 年， 在基于信道有大量的散射体、r a y l e i g h 衰落、信道系数无关、最优编解码、发射 端信道信息在接收端准确可知的情况下，理论上证明了通信链路容量可成倍增加 的结果，这是从接收端和发送端均使用多天线情况出发的，在m n 系统中，信 道容量随m i n ( m ，加线性增加【8 。1 0 】；1 9 9 8 年w o l n i n n s k y 等人采用垂直贝尔实验室分 层空时( v - b l a s t ) 算法建立了一个m i m o 的实验系统，试验中达到了2 0 b p s h z 以上的频谱利用率，这为衰落信道中提高系统的容量和可靠性提供了一种新手段， 引发了m i m o 技术的研究热潮。 目前，m i m o 产品虽然没有在蜂窝移动通信中商用化，但i t u 和3 g p p 开始考 虑在3 g 和b 3 g 通信中使用m i m o 技术的标准，而且对于3 g 系统，m i m o 及其相关 的技术可看成是提高数据流量、频谱效率及系统性能的有力措施【8 】。最近几年， 朗讯( l u c e n t ) 等公司通过对m i m o 系统做了一系列实验，成功测试了两款b l a s t 3 m i m o o f d m 系统中信道估计算法的研究及信道容量分析 芯片，达到了1 9 2 m b i t s 的速度。此外，还取得了2 0 4 0 b i t s h z 的无线频谱效率。 在以上频谱效率的基础上，b e l l 实验室实现了o 5 1 m b i t s 的有效载荷数据率【1 0 】。 在平坦衰落的情况下，表1 1 给出了3 g p p 中，2 - 4 0 g h z 段、5 m h z 载波间隔， 移动通信下行链路采用m o m i 技术取得的峰值数据速率，并与传统技术的峰值数 据速率进行了比较。 表1 1 各种m i m o 结构的数据峰值速率 ( m ，n )t x 技术码速调制方式子数据流子数据流数量数据速率 ( 1 ，1 )传统3 4 6 4 q a m 5 4 0 k b i t s2 0l0 8 m b i t s ( 2 ，2 )m i m o3 4 1 6 q a m 36 0 k b i t s4 0l4 4 m b i t s ( 2 ，2 )m i m o3 4q p s k 18 0 k b i t s8 014 4 m b i t s ( 4 ，4 )m i m o 1 28 p s k5 4 0 k b i t s8 0 2 1 6 m b i t s 1 2 5m i m o o f d m 技术 一定程度上m i m o 系统可以抗多径衰落，但对于频率选择性深衰落，m i m o 系统依然是无能为力。一般是利用均衡技术来解决m i m o 系统中的频率选择性衰 落，还有一种是利用o f d m 。o f d m 技术被多数学者认为是4 g 的核心技术，高频 谱利用率是4 g 的一项需求，在提高频谱利用率方面，o f d m 技术毕竟是有限的， 在o f d m 基础上，充分利用空间资源，合理融入多天线技术，数据传输速率可得 到较大提高。此外，由于加入时间保护间隔和码率低，o f d m 技术具有很强的抗 多径干扰能力。系统由于保护间隔大于多径时延不受码间干扰的困扰，这就允许 在宽带o f d m 系统中使用单频网络( s i n g l e f r e q u e n c y n e t w o r k ，s f n ) ，阴影效应采用 大量低功率发射机组成的发射机阵列来消除，可实现完全覆盖。 1 3 课题的主要任务和意义 1 3 1 信道估计 m i m o o f d m 技术将频率分集、空间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传输速率和信道容量，且能有效地抑制干扰与噪声、 抵抗衰落。为了进一步提高系统的频谱效率，在实际应用中，m i m o o f d m 系统 通常采用幅度非恒定的调制方式，比如1 6 q a m 。在这种情形时，具有信道状态信 息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，c s i ) 的接收端才能进行相干解调，此外，具备精确 的信道状态信息时，自适应编码调制、链路自适应传输、空时编码的译码实现等 才能完成【1 , 7 】。 发射信号通过无线物理信道进行数据传输，必须了解正确的物理信道相关参 数，接收端才能检测出正确的传输信息，这样接收信号才能进行补偿性恢复。无 4 硕十学位论文 线传输信道是一个时变的信道。根据不同的传输环境，如室内、郊区、山区等， 信道一般都会呈现出不同衰落程度和特性。根据实际信道环境，得到补偿后，接 收端能够正确地接收所发送的数据。要能无差错的接收数据，接收端就需要使用 信道估计技术来获得信道衰落信息，因此信道估计技术对提高无线数据接收性能 显得尤为关键，是相当必要和重要的。 所谓信道估计是估计从发射天线到接收天线间的无线信道的频率响应，是描 述物理信道对输入信号的影响而进行定性研究的过程。评价信道估计优劣的依据 是某种估计误差是否最小，比如最小均方误差( m i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o r ，m m s e ) 准则。一般的信道估计过程如图1 1 所示【7 】。 发送信号x ( 以u偿且l ，头际侯收1 看亏1w 7 7 l 旧了 + fr 、误差信号p 。 t， i 佰计得到阳1 君亏y ( 谚 。信道估计模型 图1 1 一股的信道估计过程 。 图中e ( n ) 为估计误差，信道估计算法就是要使均方误差e ie 2 ( 甩) i 最小，( 即 。 m m s e ) ，同时还要考虑算法的复杂度不要太高，而通常算法精确度与复杂度是矛 盾的。 无线信道通常采用统计的方法来进行建模，绝大多数的信道模型是通过研究 信号在特定环境下的特性来设定的。在建立信道模型之后，需要根据实际信道的 变化来更新模型的参数，从而选择合适的信道估计算法，使得估计误差最小。 本文从导频辅助估计出发，以最小均方误差( m m s e ) 为准则，设计一种新 的导频序列，力求获得较好信道的性能、较小的复杂度。 1 3 2 信道容量 相对于单天线系统，多天线系统能够充分利用空间资源，用多天线阵元的方 式，在不增加系统带宽和天线总发送功率的情况下，有效地对抗无线信道衰落的 影响【l ，提高系统的频谱利用率和信道容量，解决无线互联网多媒体通信快速发 展亟待解决的问题，是近年来无线移动通信研究中的一个重大突破，非常适合下 一代移动通信系统中高速率业务的要求。 m i m o 系统的信道容量随着发射端或接收端天线数目的增加而增加，但对多 天线系统信道容量变化的研究仍存在计算复杂度高、限于特定系统等缺陷。本文 5 m 1 m o o f d m 系统中信道估计算法的研究及信道容量分析 逐步分析了s i s o 、m i s o 、s i m o 和m i m o 系统的信道容量，在此基础上从天线选 择算法出发对多天线系统的信道容量变化进行了详细分析。进行天线选择不但可 选择接收端，而且可选择发送端，还可以在接收发射两端同时进行，这对m i m o 系统的性能带来的影响也就不一样，因此要视具体情况而定。 空间分集和空间复用两个方面可以很好地体现在m i m o 的主要用途上，与之 对应，天线选择技术在m i m o 系统中有两种准则。 a 最