（信号与信息处理专业论文）mimo系统中信道估计技术研究.pdf

摘要 未来无线通信系统应能在时间一频率选择性衰落信道中以低成本 提供可靠的高速数据传输服务。多入多出( m i m o ) 技术作为近年来无 线通信传输技术研究中最大的突破之一，利用信道多径效应，能够 极大改善无线通信的频谱效率和通信可靠性，为实现这一目标提供 了强有力的技术手段。 然而，为在实际系统中获得优异的性能改善，一方面必须研究和 开发更为有效的信号处理算法，另一方面还需要对m i m o 信道进行精 确的估计，使发送数据经过信道衰落后，在接收端被正确的恢复空 时解码器的性能直接依赖于信道估计所提供的信息的准确与否，因 而信道估计技术在m i m o 系统中扮演着十分关键的角色。 本文正是从m i m o 系统研究出发，理论和实际相结合，重点研 究了m i m o 通信系统中的关键技术之一一一信道估计技术。具体内 容包括： 分析了宽带m i m o 信道特性，m i m o 信道的建模和计算机仿真 方法，给出了部分相应的仿真结果。 重点研究了基于训练序列和导频符号辅助适用于平坦衰落条件 下的m i m o 信道估计技术，并给出了相应的仿真结果，分析、比较 这些算法的性能。 讨论了频率选择性衰落条件下的m i m o 信道估计技术，给出了 仿真结果并讨论了平坦衰落以及频率选择性衰落m i m o 系统中，最 优及次优训练序列的产生方法。 参与了m i m o 实验系统中软件仿真平台部分中的有关信道估计 部分的研究和开发，在实验系统中实现了本文讨论的部分信道估计 算法。利用部分信道估计算法对实验数据进行信道估计，给出了部 分处理结果。处理的结果表明实验系统信道估计部分采用的估计算 法可以较好的实现对实际信道的估计。 关键词：m i m o ，信道估计，平坦衰落，频率选择性衰落 i i i a b s t r a c i f 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 l c a t i o ns y s t e m ss h o u l db ea b l e t op r o v i d er e l i a b l eh i g h d a t a r a t et r a n s m i s s i o n sa tl o wc o s ti nt i m ea n d f r e q u e n c ys e l e c t i v e w i r e l e s sc h a n n e l m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) t e c h n i q u e ，o n e o f t h em o s t s i g n i f i c a n tb r e a k t h r o u g h s i n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sf i e l do f f e r sa ne f f e c t i v ew a yt oc o m b a ta n d e v e ne x p l o i tf a d i n g h o w e v e r ，i no r d e r t o p u t t h i sn o v e li d e ai n t o p r a c t i c e ，b e s i d e s m o t ee f f e c t i v e s i g n a lp r o c e s s i n g t e c h n i q u e s s h o u l db e d e v e l o p e d ， e x t r a c tc h a n n e le s t i m a t i o ni s n e c e s s a r y t oe s t i m a t et h ee f f e c to ft h e c h a n n e lo nt h et r a n s m i t t e ds i g n a ls ot h a tt h et r a n s m i t t e di n f o r m a t i o n c a nb e c o r r e c t l y r e c o v e r e do nr e c e i v e rs i d e c h a n n e le s t i m a t i o ni n m i m ow 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 sp l a y s a k e y r o l ea st h e p e r f o r m a n c e o f s p a c e t i m e d e c o d e r s d e p e n d s o nh o wa c c u r a t et h e c h a n n e lk n o w l e d g ei s i nt h i st h e s i s ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，o d eo ft h e m o s t i m p o r t a n t t e c h n i q u e si nm i m os y s t e m ，i sr e s e a r c h e d t h ea u t h o r ： a n a n l y z e s t h e c h a r a c t e r i s t i c s m o d e l i n g a n ds i m u l a t i o no f w i d e b a n dm i m o c h a n n e l s ，p r e s e n t ss o m e s i m u l a t i o nr e s u l t s ； e x p l o r e s t h em i m oc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d sb a s e do n p i l o t s y m b o l a s s i s t a n c ei nt h ec a s e o ff l a t f a d i n gc h a n n e l ，p r e s e n t s s i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tm e t h o d s ， d i s c u s s e sm i m oc h a n n e le s t i m a t i o ui nf r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n g c h a n n e l ，p r e s e n t s s i m u l a t i o nr e s u l t sa n di n v e s t i g a t e st h e d e s i g n o f t r a i n i n gs e q u e n c e ； t a k e sp a r ti nt h ee x p l o i t a t i o no fc h a n n e le s t i m a t i o nm o d u l eo fs o f t s i m u l a t i o n p l a t f o r m ，r e a l i z e s s o m ec h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d si n t o p r a c t i c ee x p e r i m e n t s p r e s e n t s s o m ep r o c e s s i n gr e s u l t so fe x p r i m e n t d a t a t h ep r o c e s s i n gr e s u l t si n d i c a t et h ec h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d s u s e di ne x p r i m e n ts y s t e mc a na c c o m p l i s he s t i m a t i o no fc h a n n e l k e yw o r d s ：m i m o ， c h a n n e l e s t i m a t i o n ， f l a tf a d i n g ， f r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n g i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果据我所知，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 电子科技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，在此向他们表示谢意。 签名：垒15日期：2 0 0 5 年0 5 月1 0 日 l 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学 位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科 技大学可以将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、汇编 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： j i 导师签名： 、易穆砑娟蝣& 电子科技大学硕士学位论文 第一章引言 本章主要讨论了无线通信技术的发展概况，以及对新一代移动通 信系统的展望；简单介绍了对于未来无线通信系统而言极具吸引力的 关键技术一一m i m o 技术及其研究现状；最后介绍了在高数据率的 m i m o 系统中，实现m i m o 系统接收端准确检测、解码，提高无线数据 传输接收性能的的关键技术之m i m o 信道估计技术。 1 1 无线通信系统的发展以及新一代移动通信系统的展望 1 1 1 无线通信系统的发展概况 无线通信系统萌芽于1 9 世纪末m a r c o n i 的海上无线通信，开拓于 2 0 世纪2 0 、3 0 年代，2 0 世纪4 0 年代进入商业应用( b e l l1 9 4 6 ) 。然 而b e l l 实验室1 9 4 7 年提出并在1 9 7 4 年试验的蜂窝移动通信系统的概 念，才真正使无线通信获得蓬勃发展。目前，无线通信涵盖了移动通 信、无线局域网、固定无线接入、空间通信等诸多方面。其中移动通 信是当今通信领域内最为活跃和发展最为迅速的领域之一，也是对人 类生活和社会发展有重大影响的科技领域之。自1 9 7 8 年底，第一个 蜂窝移动通信系统a m p s ( 先进移动电话系统) 研制成功以来，经历了以 下3 个发展阶段 1 ：即通常所说的第一代、第二代、第三代移动通信 系统。 一、第一代移动通信系统 第一代移动通信系统始于二十世纪七十年代。典型系统有美国的 a m p s ，北欧的n m t ，日本的n a m t s 。以蜂窝小区设计技术的应用为 第一代无线通信系统( 1 g ) 诞生的标志。它极大改善了大容量需求与有 限频谱资源之间的矛盾。l g 主要采用模拟电子技术，f m 调制，f d m a 多址技术，系统提供的服务仅为语音通信。尽管第一代移动通信系统 在当时发展迅速，但是它存在许多问题，如：频率利用率低，系统容 量小；不能提供高速数据业务服务；保密性差；移动设备成本高，体 积大等。这些缺点促使第二代移动通信系统( 2 g ) 的出现。1 9 8 0 年代开 始，欧美国家开始开发第二代移动通信系统。 二、第二代移动通信系统 第二代移动通信系统兴起于二十世纪九十年代。主要的代表系统 电子科技大学硕士学位论文 有欧洲的g s m 、美国的d a m p s ( 】s 一5 4 ，现在的】s 13 6 ) 和c d m a ( i s - 9 5 ) 、 日本的p d c 。以数字技术为其主要特征。2 g 采用微蜂窝小区结构及数 字调制技术和先进的呼叫处理技术及新的网络结构，引入新的调制方 式：g m s k 、q p s k ，引入t d m a 、c d m a 技术，与第一代移动通信系 统相比，第二代移动通信系统提高了频谱利用率和系统容量：能够提 供除语言通信之外的多种业务服务，如：有限速率的数据和图像信息 传输；降低了开发成本；抗衰落性能大大增强；具有更方便、灵活的 网管与控制功能。 由于第二代移动通信系统的巨大成功，全球范围内的移动通信用 户数量急剧增加，移动用户数目的高速增长，迫使现在的移动通信系 统急于解决如何进一步提高系统的频谱利用率和增大系统的容量的问 题；同时，i n t e r n e t 也在飞速发展，移动用户迫切要求无线通信系统能 够承担更高速率的数据业务，这一切成为第三代移动通信系统发展的 主要动力。 三、第三代移动通信系统 为实现任何人在任何时间、地点以任何方式与任何人进行通信的 目标，i t u 提出了第三代移动通信系统( 3 g ) 的研究，于1 9 9 2 年提出其 频段范围，1 9 9 8 年后确定了最终的无线传输技术( r t t ) 标准。第三代移 动通信系统( 3 g ) 又称为i m t 一2 0 0 0 ，到现在为止，存在3 种方案，即由 欧洲和日本支持的w c d m a ，由美国提出的c d m a 2 0 0 0 ，由中国和西门子 等公司提出的t d - s c d m a 。一般认为c d m a 技术和宽带业务是它的主要标 志。3 g 采用微蜂窝结构，宽带c d m a 技术，q p s k 调制、自适应调制 方式，t d m a c d m a 多址技术。3 g 的主要业务是在2 g 提供的话音数 据的基础上，进一步提供包括数据、语音、视频和图像在内的多种业 务，部分实现移动通信的宽带化和多媒体化。2 0 0 1 年d o c o m o ( 采用 w c d m a ) 等公司已经开始提供3 g 服务。 1 1 2 新一代移动通信系统的展望 一、新一代移动通信系统研究的紧迫性 到目前为止，3 g 各种标准和规范已达成协议，并且已经开始商用。但 是3 g 从标准制定伊始就面临着越来越高的无线通信需求的挑战，仍有 一些问题需要改进，例如：3 g 缺乏全球统一标准，多种体制并存，通信 体制多样化以及无线传输速率较低将使未来高质量的多媒体业务以及 和i n t e r n e t 的融合即无线宽带多媒体系统无法实现；3 g 所采用的语音交 2 电子科技大学硕士学位论文 换架构仍承袭了第二代( 2 g ) 的电路交换，而不是纯i p 方式；流媒体 ( 视频) 的应用不尽如人意；数据传输率也只接近于普通拨号接入的水 平等。因此，b 3 g 4 g 的概念应运而生。已经有不少国家开始了对新一 代移动通信系统( 4 g ) 2 的研究。 二、新一代移动通信系统的展望 当前，4 g 还处于研究的初级阶段，仅仅是一个主题概念，与3 g 之 间并没有明确的划分标准。相对于3 g 而言，4 g 在技术和应用上将有质 的飞跃，而不仅仅是在第三代移动通信的基础上再加上某些新的改进 技术。一般认为，4 g 应具有下述特征【2 3 】： 1 需要占据更宽的更宽； 2 采用全数字技术，提供更高的传输速率和更大的容量； 3 支持分组交换，通信以i p 协议为基础，能实现更高质量的多媒 体通信服务包括语音、数据、影像等： 4 兼容性更强，采用大区域覆盖，与3 g 、无线l a n ( w l a n ) 和 固定网络之间无缝隙漫游，使得终端具有智能和可扩展性，实 现真正意义的全球漫游，能满足用户接入因特网不受地域和设 备的限制，各种用户设备便捷地入网； 5 采用高度自治、自适应的网络，具有良好的重构性、可伸缩性、 自组织性，独立的软件平台等。 为实现任何人能在任何时间、地点进行高速的无线多媒体通信， 要求新一代移动通信系统能够提供1 0 0 m b i t s s ( 移动用户) 一1 g b i t s s ( 固 定无线接入) 的数据传输速率 3 。这个目标推动了相当多的物理层高速 无线传输新技术的研究活动。必须开辟新的频带( 更高的频率) 和带宽， 采用更为先进的宽带信号处理技术 3 ，寻找提高频谱效率的解决方 案。在在众多的信号处理技术中，最引人注目的是m i m o 技术 4 ，研 究表明在多径环境中，采用收发多天线空时编码系统( m i m o 系统) 可以使频谱效率得以成倍提高，从而提高信道容量。目前人们普遍认 为，多输入多输出( m i m o ) 技术将是新一代移动通信系统必须采用的关 键技术之一。下面简单介绍m i m o 及其技术的研究现状。 1 2m i m o 技术及其研究现状 为了满足未来移动通信系统大容量、高速率的需求，提高频谱利 用率，m i m o 系统的概念应运而生。 3 电子科技大学硕士学位论文 1 2 1m i m o 技术简介 输入多输出( m i m o ) 或多发多收天线( m t m r ) 技术是无线移动通 信领域出现的具有革命意义的重大技术进步，被认为是第三代和未来 移动通信与个人通信系统实现高数据速率，提高传输质量的重要途径 4 。由于该技术有望解决未来无线互连网的业务容量需求瓶颈问题， 而居于当今技术进步列表中的显要位置。 上个世纪9 0 年中期a t & tb e l l 实验室学者完成了对无线移动通信 系统多输入多输出技术产生巨大推动作用的奠基工作。1 9 9 5 年，b e l l 实验室的t e l a t a r 、f o s c h i n i 等人在基于r a y l e i g h 衰落、信道有大量的散 射体、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 知的假设下，从理论上证明了接收和发送端均使用多天线( m i m o ) 可以 使通信链路容量成倍增加的结果，即在m 个发射天线、n 个接收天线的 m i m o 系统中，信道容量将随m i n m ，n 1 线性增加 5 7 。1 9 9 6 年 f o s c h i n i 5 1 提出了一种m i m o 处理算法一一对角一贝尔实验室分层空 时( d b l a s t ) 算法；1 9 9 8 年t a r o k h 8 等讨论了用于m i m o 系统的空时 码；1 9 9 8 年w o l n i n n s k y 等人采用垂直一贝尔实验室分层空时 ( v b l a s t ) 算法 9 】建立了一个m i m o 的实验系统，在室内试验中达 到了2 0 b p s h z 以上的频谱利用率，这一频谱利用率在普通系统中较难 实现。这振奋人心的结果提供了在衰落信道中提高系统容量和通信 可靠性的一种新技术手段，引发了m i m o 技术的研究浪潮。 多输入多输出( m i m o ) 系统是在无线通信分集技术的基础之上发 展而来的，可以简单定义为：在其发射端和接收端均采用了多天线配 置的无线通信系统，就可称之为m i m o 系统。m i m o 系统中，在发送端， 串行数据符号流经过一些必要的空时处理后被送到各天线进行发射， 在接收端通过各种空时检测技术进行数据符号的恢复，通常为了保证 各个子数据符号流能够有效分离，各个天线之间必须保持足够大的距 离，以防止接收信号之间过大的相关性。 m i m o 技术可认为是一种新型的“智能天线”技术。传统的智能天 线技术重视空域一维处理，通过对用户信号的相干合并，一般能实现 阵列增益以提高接收信噪比。但是在特定环境下，如存在大量的散射 体环境中，多径效应将导致每一个用户的信号均有较大的角度扩展 f a s ) ，使得接收信号间相关性的减弱，从而导致智能天线接收合并性 能的下降。而m i m o 技术则提供了阵列天线应用的新思路并更着重于 4 电子科技大学硕士学位论文 空时联合处理。多径通常会引起衰落，m 1 m o 技术的一个鲜明特色在 于它将传统通信系统中存在的不利因素一一多径效应，通过空时联合 处理转化为对用户通信性能有利的增强因素，而不是试图对抗它。通 过在接收端和发射端空时二维甚至空时频三维的联合设计和优化的编 码、调制，m i m o 系统能有效地利用了随机衰落和可能存在的多径传 播，在不增加额外的频谱带宽的前提下成倍地提高系统传输速率，极 大改善通信链路的容量和通信可靠性。因此，可以说m i m o 是充分利 用无线通信的多径条件，而非像包括智能天线在内的许多其它技术那 样，往往是依靠减弱多径的影q 向来达到目的。 总之，m i m o 系统方案能够在多径环境下，保持高频谱效率地大 幅度提高信号传送质量。所以它是新一代无线通信最值得期待的技术 之一。 1 2 2n i i i t l o 系统的研究现状 在下一代移动通信系统中，人们为了提高系统速率，则需要对一 系列关键技术进行研究，诸如：信道传输技术；抗干扰性强的高速接 入技术、调制和信息传输技术；高性能、小型化和低成本的自适应阵 列智能天线；软件无线电等。作为大容量无线接口的关键技术之一的 m i m o 技术，其理论、算法和实现等都得到了广泛的研究。下面简述 m i m o 的研究进展情况。 在m i m o 系统理论以及性能研究方面已有非常多的研究工作 5 ，6 ，8 1 0 ，但是由于无线移动通信中的m i m o 信道是一个时变、非平 稳的多入多出系统，尚有大量问题需要研究。 比如，最初的m i m o 系统特性及实现方案的研究均是针对窄带慢 衰落系统，这对于未来的4 g 宽带无线通信系统及室外快速移动系统而 言是远远不够的，因此在宽带应用中必须寻找具有优化的性能、复杂 度折中的信号处理方案以发挥m i m o 提高频谱效率的潜力，必须采用 更复杂的模型进行研究，已有不少文献在进行这方面的研究工作 f l l 一13 ，即对信道为频率选择性衰落和移动台快速移动的情况进行了 研究。目前宽带m i m o 系统方案可分为两大类：空时均衡m i m o 系统 和o f d m 调制m i m o 系统。前者主要借助于空时m i m o 均衡，将宽带 频率选择性衰落信道恢复为平坦衰落信道，从而使窄带m 1 m o 方案下 的系统设计得以延伸至宽带应用。典型的m i m o 均衡方法有线性 m i m o 均衡、m i m o 判决反馈( d f ) 均衡以及更为复杂的空时t u r b o 均 5 电子科技大学硕士学位论文 衡等 1 4 15 。一般，m i m o 均衡器复杂度较高。而o f d m 调制的m i m o 系统，或称为m i m o o f d m 系统，综合了m i m o 高频谱效率和o f d m 简化接收机的特点，受到了广泛的重视。 在许多文献中，大都假设接收机完全己知信道参数，但是在实际 系统中，因此，必须通过发送训练序列或者采用盲处理，使得接收机 获知信道信息。这样快速信道估计和盲处理就成为重要的研究内容。 此外，一些文献中，在假设接收机之上，还假定发射机完全未知 信道参数，m i m o 处理的空时解码是按照假定发射机对信道完全未知 的条件设计的。显然，如果通过某种方式可以使得发射机获得某些信 道的知识，那么发射机就可以利用该知识改善系统性能，例如 1 6 中就 在发射机已知部分信道知识的情况下给出了一种基于线性变换的结合 普通发射数字波束形成和正交空时分组码的m i m o 处理结果，以实现 对信道信息的充分利用。 m i m o 通过多天线发射多数据流，并由多天线接收实现最佳处理， 实现很高的系统容量，这种最佳处理是通过空时编解码来实现的。空 时编解码是应用于无线通信中的一种新的编解码和信号处理技术。它 将信道编解码技术和阵列信号处理技术相结合，采用这种技术，可以 大幅度的提高无线通信系统的信道容量和传输速率，并且可以有效的 抗衰落、抑制噪声和干扰。目前已经有空时网格码( s t t c ) 、空时分 组码( s t b c ) 、分层空时码( b l a s t ) 8 ，1 7 - 18 】等一些基本的空时编 码方法。 分层空时码的最大特点是能取得很高频谱效率。但是分层空时码 不能提供分集增益，抗衰落能力差，不适合于衰落复杂多变的室外环 境。空时网格码的优点能是能够同时得到编码增益和分集增益，性能 较好、抗衰落能力也较强，而且能够提供比现有系统高3 4 倍的频谱 效率。但是，它的译码复杂度随天线数和码率呈指数级增长，且当发 送天线数大于2 时，设计符合设计准则的空时网格码的难度激增。空时 分组码能保证给定发送和接受天线时的最大分集增益，而且译码算法 非常简单，但是它并没有提供相关的编码增益。 新的空时编码方法，例如空时t u r b o 码 1 9 ，正在不断地提出，以 改善m i m o 的性能，减少空时编码系统的复杂性，更好地适应新一代 无线通信系统要求和信道实际情况。 实验系统的研制是m i m o 技术研究中十分重要的一个环节，目前 6 电子科技大学硕士学位论文 各大公司均在研制实验系统。最早的m i m o 实验系统是由b e l l 实验室 研制的b l a s t 系统。该系统工作频率为1 ，9 g h z ，发射8 天线，接收 1 2 天线，采用d b l a s t 算法，频谱利用率达到了2 5 ，9 b p s h z 。但是该 系统仅对窄带信号和室内环境进行了研究。距离在3 g 、4 g 中的应用 尚有相当大的差距。 尽管m i m o 技术能不增加带宽和总的发射功率的情况下大幅度地 提高系统的容量以及接收机性能，但在实用过程中，还有很多具体问 题亟待解决。 首先，m i m o 信道模型的建立还没有成熟，现在实用化中用的较 多的m i m o 信道模型有i s t m e t r a 提出的基于空间相关性的m e t r a 模型，以及3 g p p 推荐的s c m 模型。 其次，由于m i m o 信道的复杂性，对其容量上限的精确估计是一 件非常困难的事情，现有的一些的结论也是初步的【5 ，1 0 。 第三，空时编码理论还没有成熟，对接近信道容量上限的空时码 研究还没有形成一个完善的理论体系。 第四，多天线情况下的信道估计对解调译码性能的影响更大，所 以需要研究更精确的信道估计方法。实用中较少使用盲方法来估计信 道，一般采用训练序列或导频来进行信道参数的估计【2 0 ，2 1 】。m i m o 系统的信道的待估参数数目高于s i s o 信道，如果在频率选择性衰落信 道中，还需要结合复杂的自适应均衡、判决反馈均衡( d f e ) 算法 1 4 ， 15 或者借助于o f d m 技术【2 2 2 3 1 来对抗宽带信号所遭受的频率选择 性衰落，这样，寻求实用化能力强的m i m o 信道估计算法就变得十分 关键。 第五，实际系统研究的一个重要问题就是在移动终端实现多天线 和多路接收。由于移动终端设备通常要求体积小，重量轻、耗电量低、 移动台和基站软硬件实现的复杂度会大大增加。 1 3m i m o 系统中的信道估计 在以往传统的s i s o 系统中，信道估计算法已经有了很深入的研 究，但对m i m o 信道的估计，仍有许多问题需要研究， 1 3 1m i m o 系统信遒估计的重要性 移动通信中的无线传输信道，是一个时变的多径衰落信道。发送 7 电子科技大学硕士学位论文 的数据将会经历信道衰落，为了使发送的数据能够在接收端被正确的 接收恢复，信道的衰落影响应该得到合理的补偿。这就需要在收端使 用信道估计来获得信道衰落信息。信道估计技术是提高无线数据传输 接收性能的关键技术之一。 同时，m i m o 系统实现大容量的前提是接收机能对来自各发射天 线的信号进行很好的去相关处理，而要进行较准确的去相关处理来恢 复信号，也需要首先对信道进行比较精确的估计，使接收端有较准确 的信道信息，才可以进行相应的解码处理。信道估计对分析编码方案 的性能也是至关重要的。因此在高数据率m i m o 系统中，对宽带时变 m i m o 信道的估计和跟踪是实现m i m o 系统接收端准确检测、解码以 等的前提基础，获得系统性能改善的前提保证。 1 3 2m i m o 系统的信道估计技术研究现状 m i m o 信道的估计和跟踪算法的性能，将对最后的误码性能和系 统容量有很大的影响。在m i m o 通信系统中，信道估计技术以及信号 的检测与普通的s i s o 通信系统相比更具挑战性，这是由于无线m i m o 信道本身就较一般的s i s o 信道复杂，快速移动通信环境将导致信道快 速时变，而丰富的多径衰落使得空时m i m o 信道变成频率选择性信道， 二者使得m i m o 信道呈现为一个时变的f i r 矩阵信道，对它的估计与 跟踪是较困难的。 信道估计方案与传输方案密切相关，实用的信道估计技术需要充 分利用传输数据的特征，从而能在信道估计误差、频谱效率及实现复 杂度等方面实现合理的折中。 从信道估计算法输入数据的类型来说，m i m o 信道估计方案可以 划分为时域和频域两大类方法。频域方法主要针对多载波系统。时域 方法适用于所有单载波和多载波m i m o 系统。它借助于训练序列或发 送数据的统计特性，估计衰落信道中各多径分量的衰落系数。从估计 算法先验信息的角度，时域方法又可分为基于训练、盲估计、半盲估 计3 类。其中基于训练( 包括导频) 的方法应用最广泛，且具有较稳定的 性能。它主要是按一定的估计准则确定各个待估参数值，或者按某些 准则进行逐步跟踪和调整待估参数的估计值，其特点是需要借助参考 信号( 导频或者训练序列) 。对m i m o 系统，当不同发射天线的训练f 导 频) 序列设计为满足空间或者时间正交性时，文献 2 4 总结的s i s o 信道 的训练信道估计方法均可推广至m i m o 系统。但是在m i m o 应用中， 8 电子科技大学硕士学位论文 最优训练序列的设计较困难，文献【2 5 研究了基于最优训练序列的l s 估计并给出了正交训练序列的设计方法。盲估计主要利用调制信号本 身固有的，与具体承载信息比特无关的一些特征( 如衡模、子空闾、 有限符号集、循环平稳等) ，或是采用判决反馈的方法来进行信道估计。 而半盲估计则是结合了盲估计与训练估计这两种方法优点的信道估计 方法。盲和半盲信道估计算法无需或者需要较短的训练序列，频谱效 率高，因此获得了广泛的研究( 见【2 6 1 及其参考文献) 。但是一般盲和半 盲方法的计算复杂度较高，且可能出现相位模糊( 基于子空间的方法) 、 误差传播( 如判决反馈类方法) ，收敛慢或陷入局部极小等问题，需要较 长的观察数据，对噪声较敏感等，这在一定程度上限制了他们的实用 性。 1 4 课题来源及硕士论文主要工作 本文课题来源于8 6 3 计划个人通信技术专题方向的新型天线与分 集技术研究课题。该课题的研究目标是：面向移动通信系统应用，研 究适用于终端和基站的分布式或多天线结构，探索可穿戴式天线或分 布式天线在手机终端上的应用，研究相应的提高系统容量和降低发射 功率的方法。探索关键技术的实现，完成相应的技术示范。以系统应 用为目标，探索基于分布式天线或多天线阵子的发射分集、空时编码、 接收分集技术及其在手机和基站上的应用，提出相应的解决方案，申 请有关发明专利。 本文关于m i m o 信道中信道估计技术的研究是该课题重要研究内 容之一。本文是在参与该项目的研究背景下完成的，主要进行了宽带 m i m o 信道的特性、建模和仿真的研究；频率非选择性( 平坦) 衰落 和频率选择性衰落情形下m i m o 信道的估计算法的研究，并利用 m a t l a b ，进行相应的算法仿真，分析了算法性能；将所研究的信道估 计的部分算法运用于实际的实验系统，参与了实际系统的外场实验， 分析了部分的实验结果。本文的主要内容安排如下： 第二章在分析了无线信道特点的基础上，研究了宽带m i m o 无线 信道的频率、时问、空间选择性衰落的特点，探讨了典型的时变频率 选择性m i m o 信道的建模和仿真方法，给出了部分仿真结果。 第三章中，针对平坦衰落，重点研究了基于训练序列和导频符号 辅助分别适用于慢衰落和快衰落的情形下的m i m o 系统的信道估计技 术，并给出了仿真结果，分析、比较这些算法的性能。 9 电子科技大学硕士学位论文 第四章主要针对平坦衰落，重点研究了基于训练序列和导频符号 辅助分别适用于慢衰落和快衰落的情形下的m 1 m o 系统的信道估计技 术，并给出了仿真结果，分析、比较这些算法的性能，并讨论了平坦 衰落以及频率选择性衰落m i m o 系统中，最优及次优训练序列的产生 方法。 第五章主要给出了对部分实验数据进行信道估计以及解码处理获 得的实验结果，主要包括采用不同信道估计算法所得b e r 的性能比较； 对采用l s 估计得到的信道系数估计值幅度及相位的概率分布统计分 析：利用信道系数的l s 估计值完成收、发端空间相关性的分析以及不 同天线配置的实验系统误码率的性能比较。处理的结果表明l s 估计可 以较好的实现对实际信道的估计。 第六章总结全文 1 0 电子科技大学硕士学位论文 第二章m i m o 信道模型 准确理解真实世界中m i m o 信道的特征，实现宽带m i m o 信道的 建模，是研究和开发m 1 m o 通信系统的首要问题。这是因为一方面信 道特征决定了信道的容量，也即单位功率所能达到的最大传输速率； 另一方面，通信系统中的编解码，调制解调和各种接收技术等通信模 块都是针对特定的信道特征来进行设计的，因此m i m o 无线信道的特 征分析和相应数学模型的建立对m i m o 系统的实际性能的预测、系统 仿真，设计，研究新的空时编码方案而言是至关重要的。本文中所定 义的宽带信道是指信道最大延迟时间与数字符号持续时间比值不小于 1 的信道【2 7 】。目前，s i s o 标量信道的特性、建模及仿真方法已经获 得了广泛的研究 2 8 2 9 ，可以将其视为而m i m o 矩阵信道的一种特例。 而m i m o 信道建模的关键在于对m i m o 信道空间特性的刻画和建模。 本章将首先讨论了无线信道的主要特征，然后具体讨论了宽带m i m o 信道的模型以及它的时间，频率，空间特性，最后介绍了目前常用的 宽带m i m o 模型以及两种典型的m i m o 信道建模和计算机仿真方法， 并给出了本文中所采用的信道模型的一些仿真结果。 2 1 宽带s l s o 时变衰落信道的基本特征 无线传输信道的特性对宽带无线系统的性能影响很大，因此关于 色散信道的研究和理解在过去几十年多年里逐步深入。由于移动信道 是一种时变信道。由于电磁波传播时的反射、散射和绕射等原因，空 间传播环境( 如地形地貌、树木房屋、空间悬浮物和其他阻挡物等) 的复杂性将对电磁波的传播产生复杂的影响，信号通过移动信道时会 遭受来自不同途径的衰减。一般来说可归纳为三类【3 0 ，即自由空问传 播损耗及弥散；阴影衰落，这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；多径衰落，这是由于移动传 播环境中的多径传输而引起的衰落。多径衰落是移动信道中最具特色 的部分。自由空间传播损耗及弥散以及阴影衰落属于大尺度衰落范畴， 而多径衰落属于小尺度衰落范畴。本章重点讨论小尺度衰落的特点和 模型。由于大尺度传播模型与本文研究问题无关，在此就不作介绍， 详细的分析与建模可以参考 3 1 等。 所谓小尺度衰落，是指无线信号在很短的传播时间或距离内又很 大幅度的衰落，而且这种衰落的程度和影响远远大于由传播损耗和阴 1 1 电子科技大学硕士学位论文 影衰落等引起的大尺度衰落。这种衰落是由于同一传输信号沿两个或 多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉所引起的。 无线信道中影响小尺度衰落的主要物理因素包括：多径传播引起的时 延扩展、由引动太和信道中环境物体的运动引起的时变d o p p l e r 频移 效应导致随机频率调制、信号的传输带宽大于无线信道的相干带宽时 出现的频率选择性衰落。 本节对描绘宽带s i s o 信道晟为重要的相关函数、频率选择性和时 间选择性进行简要分析。以广义平稳非相关散射( w s s u s ) 宽带s i s o 信 道 ( f ，f ) 为例来分析宽带无线信道的特征。在向m i m o 信道扩展时，下 述分析可以扩展至m i m o 信道中第印发射天线至第f 接收天线信道 h i , q ( f ，r ) 的分析a 2 1 1 宽带s i s o 信道的相关函数 将宽带时变s i s o 信道简记为： ( ，f ) = h k ( t ) 6 ( r 一气) ( 2 _ 1 ) i 其中的趣( f ) 为t 时刻信道第k 个散射簇导致的多径分量的衰落系数。该 系数通常可以用经典的r a y l e i g h 、r i c e a n 、n a k a g a m i 等分布来描绘 3 2 。 定义信道脉冲响应相关函数为： r h ( f ，t + a t ；r ，f = e h + ( f ，r ) h ( t + a t ，f ，)( 2 - 2 ) 在大多数的无线电传播媒介中，信道与路径时延l 对应的衰减和相移同 该信道与路径时延l 对应的衰减是互不相关的。这样的信道就是非相 关散射信道。在广义平稳非相关散射( w s s u s ) 2 7 信道下： r ( f ，t + a t ；r ，r = 6 ( r f ) r h ( z x t ，f )( 2 - 3 ) 其中兄( r ，f ) 定义为信道的互功率谱密度。 在r h ( a t ，f ) 中令a t = 0 ，可以得到兄( f ) = r ( 0 ，f ) ，乜( f ) 刻画了信道 功率随延迟时间变化的趋势，即为信道功率延迟剖面( p d p ) 。p d p 玄! j 画 了发送信号为脉冲信号时接收信号平均功率随延迟时间变化的情况。 式( 2 1 ) 定义的信道的频域表示为： 日( f ，仆h ( t ，f ) e - ：2 # t d r 2 莩p 川4 ( 2 - 4 ) 式( 2 - 4 ) 是信道脉冲响应 ( ，r ) 关于r 的傅立叶变换，表征了信道的频率 选择性。同理可以定义w s s u s 信道频率差一时间差相关函数 1 2 电子科技大学硕士学位论文 ( s p a d - f r e q u e n c ys p a d - t i m ec o r r e l a t i o nf u n c t i o n ) 为： 月片( f ，a u ) = e h ( t + f ，厂+ ，) + ( f ，厂) )( 2 5 ) 2 1 2 时延扩展及相干带宽( 频率选择性衰落信道) 在多径条件下。当发射端发射脉冲信号至移动台时，由于信道中 反射及反射物的存在，导致多条不同的传播路径的存在，这些路径长 度不同，并且传播路径又随移动台的运动而变化，因此发射波到达接 收机时形成在时间、空间上相互区别的多个无线电波，使得移动台所 接收到的信号是由许多不同延时的脉冲合成，延长信号基带部分到达 接收机所用的时间，产生所谓的时延扩展。在数字传输中，由于时延 扩展，接收信号中一个码元的波形会扩展到其他码元周期中，引起码 间串扰。 多径衰落引起的无线传输环境的时延扩展将导致信号产生频率非 选择性衰落( 平坦衰落) 或是频率选择性衰落。式( 2 2 ) 中经常采用一 维动态特性刻画衰落信道的性能。这些一维特性可看作二维动态特性 在厂= 0 或者a t = 0 的切片。则信道功率时延剖面e ( f ) ( 体现信道功率随 时延的变化情况) 亦可定义如下： 最( f ) = r ( r ) = e h ( r ；t ) h ( f ；f ) ) = r ( 彳；f ) l 出；o( 2 6 ) 上述f 。和分别刻画了信道时延的二阶、阶统计特性。 同理，可以定义频率差相关函数( s p a d f r e q u e n c y c o r r e l a t i o n f u n c t i o n ) ，式( 2 ，5 ) 中令a t = 0 为，立即有： r m ( a f ) = e h ( t ，+ ，) 日0 ，) ) = 月圩( f ，尘，) l 。，：o( 2 7 ) 信道功率时延剖面和信道频率差相关函数为对傅立叶变换关系。 e ( f ) 保持非零值的f 的范围称为信道的多径扩展( m u l t i p a t h s p r e a d ) 。也称为均方根时延扩展( t i n sd e l a ys p r e a d ) ，即z r m s ，定义为【2 7 】： 其中 r 巧一 r o 一。) 2 r ( f ) 如 rp ，r 、r m = 1 3 ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 厩 电子科技大学硕士学位论文 而i ( v ) i 取非零值的频率范围称为信道的相干带宽，用表示。 作为月。( a f ) 和r a t ) 2 _ 间的傅氏变换的一个重要结果，多径扩展 r m s 的倒 数近似等于信道的相干带宽，即有 3 1 】： 最。上( 2 1o ) f 删 相干带宽是从r m s 时延扩展_ z r m s 得出的一个确定性关系值。本 质上就是信道处于较强相关状态下的频率范围，在该范围内，两个频 率分量有很强的幅度相关性。两个频率差，大于相关带宽瓦。的正弦波 信号受信道的影响是大不相同的。根据不同频率分量受到的衰落是否 相同，可以把多径衰落分为频率选择性衰落和非频率选择性衰落( 即 平坦衰落) 。频率选择性衰落是指信道对信号中不同频率成分有不同的 随机响应。由于信号中不同频率成分衰落不一致，所以衰落信号波形 将失真：而非频率选择性衰落是指信号中各频率成分的衰落具有一致 性，相关性，因而衰落信号的波形不失真。是否产生频率选择性衰