（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统的空间相关信道估计算法的研究.pdf

h l j l l l l f l l l l l l l l l l l l l l l l l y 2 12 5 6 8 2 u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h i n a ad i s s e r t a t i o nf o rm a s t e r sd e g r e e r e s e a r c ho ne s t im a t i o na l g o r i t hm s f o rs p a t i a lc o r r e l a t e dc h a nn e li n mi m o _ o f d ms y s t e m a u t h o r sn a m e ：a i h u ay i s p e c i a l i t y ： c o m m u n i c a t i o n sa n di n f o r m a t i o ns y s t e m s s u p e r v i s o r ： vp r o f x i a o w e nl i a n g f i n i s h e dt i m e ： m a y , 2 0 12 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作 了明确的说明。 作者签名：辫 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定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，可以将学位论文编入中 国学位论文全文数据库等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。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 回公开口保密( 年) 作者签名：垦垦笠 签字日期：型睦：61 垄 新签名：拖鱼 摘要 摘要 随着多媒体应用需求的不断增长，未来移动通信系统需要支持更高的数据传 输速率。正交频分复用技术( o f d m ) 和多输入多输出技术( m 刀0 ) 以其突出 的优势，成为未来移动通信系统的关键技术，可以支持更高的系统容量、更快的 传输速率和更有效的频谱利用率。 信道估计作为相干m i m o o f d m 系统中接收机的重要环节，对系统性能产 生重要的影响。在实际系统中，空间子信道之间并不是完全独立的，而是存在一 定的相关性。如何利用这种相关性提高信道估计的精度就成为一个重要的研究课 题。 本论文首先对m i m o o f d m 系统中的关键技术进行了总结，详细介绍了 m i m o 信道的空间相关性及其模型，并仿真分析了空间相关性对m i m o 信道容 量的影响。论文接着对m i m o o f d m 系统的空间相关信道的估计算法及其应用 进行了总结和分析，比较了各种经典的信道估计算法的性能。 论文重点研究了如何利用信道的空间相关性来提高信道的估计精度的问题。 特别讨论了在m i m o o f d m 系统中，基于导频的信道估计算法的导频设计、插 入方式以及非导频位置的信道信息获取等问题。在此基础上，论文提出了一种新 的空间相关的m i m o o f d m 系统信道估计算法。该算法利用空间相关信息对初 步估计得到的信道频率响应再次进行空间l m m s e 滤波，以求更高的信道估计精 度。论文同时提出了新算法的改进算法，分析了算法的误差。仿真结果表明所提 算法能有效提高信道估计的精度。 论文还研究了高速移动情况下，利用空间相关性进行信道估计并消除i c i 的 联合算法。论文首先分析了o f d m 系统中i c i 产生的原因和消除方法，然后提 出了一种利用空间相关性进行信道估计和i c i 消除的联合算法。仿真结果表明该 算法能有效改善系统的误码率性能，但是复杂度比较高。 关键词：载波间干扰多输入多输出信道估计正交频分复用相关信道 摘要 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h eg r o w i n go ft h em u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s ，f u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m sn e e dt os u p p o r th i g h e rd a t at r a n s f e rr a t e f o rt h e i ro u t s t a n d i n ga d v a n t a g e 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 ) a n dm u l 卸l ei n p u tm u l t i p l e o u t p u t ( m m o ) h a v eb e e nr e g a r d e d a st h ek e yt e c h n o l o g i e sf o r f u t u r em o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，w h i c hc a ns u p p o r th i g h e rs y s t e mc a p a c i t y , f a s t e rt r a n s f e r r a t e sa n dm o r ee f f i c i e n ts p e c t r u mu t i l i z a t i o n a sa l li m p o r t a n tp a r to fc o h e r e n tr e c e i v e ri nm i m o o f d ms y s t e m s ，c h a n n e l e s t i m a t i o nm a k e san o t a b l ei m p a c to ns y s t e mp e r f o r m a n c e i nr e a ls y s t e m s ，a s u b c h a n n e lo fm i m oi sn o tc o m p l e t e l yi n d e p e n d e n tw i t ha n o t h e rs u b c h a n n e l ，t h e r ei s ac e r t a i nc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h e m h o wt ou s et h i sc o r r e l a t i o nt oi m p r o v et h e a c c u r a c yo fc h a n n e le s t i m a t i o nh a sb e c o m e a ni m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c t h i sp a p e rf i r s ts u m m a r i z e st h ek e yt e c h n o l o g yi nm i m o - o f d ms y s t e m s ， d e s e r i b e st h es p a t i a lc o r r e l a t i o no fm i m oc h a n n e l sa n di t sm o d e l si nd e t a i l ，a n d a n a l y z e s t h ei m p a c to fs p a t i a lc o r r e l a t i o no nm i m oc h a n n e lc a p a c i t yt h r o u g h s i m u l a t i o n t h e n ，t h ep a p e ra n a l y z e sa n ds u m m a r i z e st h ee s t i m a t i o na l g o r i t h m sf o r s p a t i a lc o r r e l a t i o nc h a n n e la n di t sa p p l i c a t i o nf o rt h em i m o - o f d ms y s t e m s ，a n d c o m p a r e st h ep e r f o r m a n c e sw i t hs o m e c l a s s i cc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m s t h ep a p e rf o c u s e so nh o wt ou s et h es p a t i a lc o r r e l a t i o no ft h ec h a n n e lt oi m p r o v e t h ea c c u r a c yo fc h a n n e le s t i m a t i o n t h eq u e s t i o n sa b o u tt h ep i l o ts y m b o ld e s i g n , i n s e r t i o nm o d e 觚dt h ec h a n n e li n f o r m a t i o ne s t i m a t i o nf o rn o n - p i l o tp o s i t i o n , w h i c h a r ei n v o l v e di n t h ec h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m sb a s e do np i l o ts y m b o l s i n m i m o o f d ms y s t e m s ，a r ed i s c u s s e dp a r t i c u l a r l y o nt h i sb a s i s ，t h ep a p e rp r o p o s e sa n o v e ls p a t i a l c o r r e l a t e dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mf o rm i m o o f d m ，s y s t e m i n t h en e wa l g o r i t h m ，t h ec h a n n e lf r e q u e n c yr e s p o n s eo ft h ep r e l i m i n a r ye s t i m a t i o ni s f i l t e r e da g a i nu s i n gt h es p a t i a ll m m s ef i l t e rt og e tm o r ea c c u r a t ec h a n n e l e s t i m a t i o n 乃ep a p e ra l s oi m p r o v e st h ep r o p o s e da l g o r i t h ma n da n a l y s e s i t se r r o r t h e s i n l _ u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ec h a n n e l e s t i m a t i o na c c u r a c y t h ep a p e ra l s op r e s e n t saj o i n ta l g o r i t h mw h i c hu s e st h es p a t i a lc o r r e l a t i o nf o r c b 舢m e le s t i m a t i o na n di c ic a n c e l l a t i o ni nt h ec a s eo fh i g h - s p e e dm o v e m e n t t h e p a p e rf i r s ta n a l y z e st h ec a u s e so ft h ei c ia n dt h em e t h o d sf o ri c ic a n c e l l a t i o ni n i 垒堕! 苎竺 l _ - _ _ - l _ _ - _ - - - - _ _ - _ - _ _ _ _ 一 o f d ms y s t e m s ，t h e np r o p o s e saj o i n ta l g o r i t h mt oe s t i m a t ec h a n n e li n f o r m a t i o na n d e l i l i 血a t ei c iu s i n gs p a t i a lc o r r e l a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ea l g o r i t h m c a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h eb e rp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m ，b u ti t sc o m p l e x i t yi s r e l a t i v e l yh i g h k e yw o r d s ：i c i ，m i m o ，c h a n n de s t i m a t i o n ，o f d m ，c o r r e l a t e d c h a n n e l ， 目录 摘要一 目录 a b s t r a c t 一一 目录 i i i i v - 1 第1 章绪论一一 1 1 移动通信技术的发展概况 1 2 新一代移动通信系统的关键技术 1 2 1o f d m 技术简介 1 2 2m i m o 技术简介 1 2 3m 瞰o - o f d m 系统 1 3 研究背景及意义 1 4 论文研究内容及结构安排 1 5 符号缩写与说明 第2 章无线信道和多天线的空间相关性一 2 1 无线衰落信道的主要特性 2 1 1 信道特性分析 2 1 2 信道扩展分类 2 2 无线衰落信道模型 2 2 1 无线衰落信道模型的分类 2 2 2 无线信道的小尺度衰落 2 3m i m o 信道模型 2 3 1m i m o 空间不相关信道模型 2 3 2m i m o 空间相关信道模型 2 4m i m o 空间相关信道容量 第3 章m i m o o f d m 系统空间相关信道估计算法 3 1m i m o o f d m 系统模型 3 2m i m o o f d m 系统的信道估计 3 2 1 导频序列的设计和导频图案的选择 3 2 2 非导频位置的信道估计 3 2 3 导频位置的信道估计 3 3 空间相关的m i m o o f d m 信道估计 3 3 1 空间相关的m i m o 系统信道估计 v 1 2 2 3 5 5 7 8 1 l 1 2 3 3 4 5 5 7 9 3 3 4 5 7 8 l 1 o 屯 以以 巧巧1 c ：。n n n 心坞坞m 垢 坫 ”均捣船丛 巧打勰n 姐 目录 3 3 2 空间相关的m i m o o f d m 系统信道估计 3 3 3 一种新的空间相关的m i m o o f d m 系统信道估计算法 3 4 本章小结 第4 章空间相关信道估计和i c i 消除的联合算法 4 1 o f d m 系统的i c l 分析 4 1 1 频率偏差引起的i c i 4 1 2 定时偏差引起的i c i 4 1 3 高速移动引起的i c i 4 2 i c i 干扰消除方法一 4 2 1 时域或频域均衡 4 2 2 i c i 的自消除策略 4 2 3 其他i c i 干扰消除方法 4 3 联合空间相关信息的i c i 干扰消除 4 3 1 算法的理论分析 4 3 2 仿真结果 4 4 本章小结 第5 章结束语一 5 1 全文工作总结一 5 2 进一步工作展望 参考文献一 致 射一一63 在读期间发表的学术论文与取得的其他科研成果6 5 3 5 o 3 3 3 4 4 6 6 6 6 7 8 1 2 5 5 6 7 站站如蜗鹄躬舛能帖钉 铝驵眩弱弱的玎 第1 章绪论 第1 章绪论 二十一世纪世界进入了信息技术飞速发展和创新的时代，信息技术( i t ) 革 命改变了整个世界，在我们生活的各个领域产生了重要影响。在过去的3 0 年 中，1 1 r 产业经历了包括因特网和移动通信技术在内的几次大的发展浪潮。 1 1 移动通信技术的发展概况 通信是人类社会最基本的需求之一，随着通信技术的发展，移动性成为现代 通信最重要的特征之一，任何事物、任何人都处在不断地移动当中。因此，信息 的传递也应当满足人们移动的需求。移动通信给人们的生活方式、距离观念和时 间观念等都带来了巨大的影响和冲击。 1 8 9 6 年，马可尼第一次采用电磁波实现了信息的成功传输，无线通信到现在 发展了1 0 0 多年。在2 0 世纪4 0 年代，第二次世界大战采用了无线电台进行通信， 2 0 世纪7 0 年代，贝尔实验室通过蜂窝小区的实现来解决频域复用问题，8 0 年代出 现的第一代模拟移动通信系统解决人们的基本远程通话，9 0 年代的第二代数字移 动通信系统满足了人们随时进行话音通信的需求，2 0 世纪初的第三代移动通信系 统、l t e 能够提供良好的数据通信，移动通信以难以想象的发展速度和技术突破 引起世人的惊叹。 第一代模拟移动通信系统采用频分复用和频分多址技术，语音信号采用模拟 调制方式，每个模拟用户的信道间隔为3 0 k h z 2 5 k m z 。在商业上取得了成功， 比如美国的a m p s ，第一代模拟移动通信系统的频谱效率低、保密性差、业务种 类有限、设备成本高、无高速数据业务、体积大、重量大，而且无法解决漫游问 题。 第二代数字移动通信系统是在超大规模集成电路快速发展的背景下产生的， 其中欧洲的g s m 和美国的d a m p s ( 先进的数字移动电话系统) 采用时分多址 ( t d m a ) 方式，美国的i s 9 5 采用码分多址( c d m a ) 方式。与模拟移动通信 系统相比，第二代数字移动通信系统由于采用了先进的数字处理技术，它提高了 系统的频谱利用率，能够支持语音业务及低速率的数据业务，并与i s d n 等兼容。 第三代移动通信系统以宽带码分多址( c d m a ) 为主要特征，它支持高速移 动场景，支持语音、数据和多媒体等多种业务。同时第三代移动通信系统能够满 足传输速率的按需分配以及适应上下行物理链路的不对称通信需求。美国的 c d m a 2 0 0 0 ，中国的t d s c d m a 以及欧洲的w c d m a 是国际电联确定的三个无 第1 章绪论 线接口标准。 尽管第三代移动通信系统已基本满足人们对语音、数据、多媒体等综合业务 的需求，但是随着社会的发展和人们生活方式的改变，人们对蜂窝通信和无线局 域网的容量需求成爆炸式的增长，尤其是互联网的无线接入和多媒体应用等方 面。为了满足人们日益增长的通信需求，以多输入多输出( m u l t ii n p u tm u l t i o u t p u t ：m i m o ) 和正交频分复用( 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 ) 为主要技术特征的u 飞乃至4 g 得到了广泛研究。l t e 在当前研究中以低延 迟、向下兼容、高速的传输速率以及分组传送等优势占据了主导地位。l t e 中的 两项关键技术为m i m o 和o f d m ，其中，m i m o 技术能够使通信系统的传输速率 成倍的增加，却不需要加大发射功率或增加带宽，而o f d m 技术在减弱信道的频 率选择性衰落影响、有效抵抗符号间干扰、提高频谱利用率等方面具有优判旧。 由于无线信道是时变信道，具有衰落、空间相关等特性，所以给 m i m o o f d m 技术的实现带来了巨大的挑战。另外，由于准确的信道状态信息 ( c s i ) 对m i m o o f d m 系统获得良好的性能是不可缺少的，因此信道估计成为 m i m o - o f d m 系统中的关键部分，引起了广泛的关注和研究。 1 2 新一代移动通信系统的关键技术 未来移动通信系统需要提供更高的系统容量、更高的数据传输速率、支持更 多的业务，如何实现这一目标就成为研究人员的共同课题。正交频分复用技术 ( o f d m ) 和多输入多输出技术( m i m o ) 以其突出的优势，成为未来移动通信 系统的关键技术。 1 2 1o f d m 技术简介 o f d m 采用多载波进行数据的传输，它采用多载波的原理可以等效为信号 复用，也可以等效为对信号的调制。它通过把一个高速的串行数据流转换成n 个并行的子数据流，使得每一个子数据流的符号周期扩大了n 倍，从而具有抗 频率选择性衰落信道的能力。再通过插入循环保护前缀( c p ) 到每个o f d m 符 号之前( c p 的长度一般应大于信道的最大时延扩展) ，以消除符号间干扰【引。这 就是o f d m 的基本原理。 首先，o f d m 符号将调制符号映射到正交的子载波上，下式表示了它的通 带信号： 第1 章绪论 m 悖r 赢一半弘印卅 m ， 其中，喀表示第f 路的基带复数符号，是子载波数目，z 是载波中心频率，r 表示符号周期。o f d m 信号的基带形式为： 譬一- x ( f ) = 哆。e x p ( j 2 c r 专t ) = d w f 【o ，丁】( 1 - 2 ) f _ 一譬”2 其中，d ：( d o ，磊，如q ) 表示并行发送符号矢量，w ：( e _ j 2 9 n = r 1 2 t ，p j 2 l r 罕) 为 调制矢量，是标准正交的，即满足w w 日= 1 ，式中信号的虚部和实部分别对应正 交分量和同向分量。 由于o f d m 符号的各个子载波之间是正交的，所以我们解调其中的第k 路 子载波，可以得到如下表达： f e x p 2 每) 黑哆+ 譬酬2 幸) a r t = t + 尹 m 3 ， 上述积分充分利用了复正弦信号的周期积分特性。 由于o f d m 符号各个子载波之间是正交的，因此可以采用i f f t f f t 来实现 o f d m 的调制和解调，使o f d m 系统更加容易实现。 o f d m 技术的特点体现在如下几个方面： ( 1 ) 通过插入循环前缀，o f d m 可以有效对抗多径信道带来的i s i 。 ( 2 ) o f d m 通过采用正交重叠的子信道传输数据可以更加有效地利用有限 的频谱资源。 ( 3 ) o f d m 的调制和解调可以采用球f 1 忭f t 来实现，以提高系统的处理速 度。 ( 4 ) 通过使用不同数量的子载波，o f d m 系统中的上行业务和下行业务可 以是非对称的。 ( 5 ) 可以有效降低频率选择性衰落信道对接收信号的影响。 ( 6 ) 上面介绍的都是o f d m 的的优点，o f d m 还有两个缺点，它们是：o f d m 系统易受频率偏差的影响和存在较高的峰均功率蚪6 4 1 。 1 2 2m i m o 技术简介 m i m o 技术是多入单出( m i s o ) 与单入多出( s i m o ) 技术的结合，具有两 第1 章绪论 者的优势和特征，m i m o 系统在发送端和接收端同时采用多根天线，利用无线信 道的多径，建立空间并行传输信道，不需要增加带宽和发射功率，就可以成倍地 提高无线通信的数据速掣6 5 】。 m i m o 系统的框图如图1 1 ，具有坼根发射天线与。根接收天线，发射数 据流x 空时编码后变为肌路子数据流，经调制以及射频模块处理后，在相同的 频段同时经，根天线发射出去；经过无线信道的散射、反射、绕射传播后，沿 不同路径到达接收端，由。根天线接收；接收机对各接收信号采用正确的信号 处理技术加以处理，恢复出原始数据。 空 信 时 y 解 宿 码 图1 - 1m i m o 系统框图 概括地说，m i m o 系统主要能获得以下两种性能增益：空间复用增益和空间 分集增益【6 5 1 。系统通过采用空间复用对各收发天线对之间独立的衰落路径加以 利用，形成多个并行的空间子信道，同时传输不同的信息流，提高系统容量。系 统通过提供分集增益来保证信息的可靠传输，通过让发射机发送多个独立的衰落 副本，降低发送信号被同时深衰落的概率，保证信号的正确接收。 空间复用增益和空间分集增益之间的折中实际上就是系统容量和系统可靠 性的折中，一种增益的提高是以降低另一种增益为代价的，需要综合考虑平衡这 两种增益。 m i m o 技术的主要优点阐述如下： ( 1 ) 频谱效率高。m i m o 系统通过采用空间复用技术提高频谱利用率，在 特定信道情况下，线性提高系统容量。 ( 2 ) 可靠的链路性能。m i m o 采用空间分集对抗信道的衰落，保证链路的 可靠传输。 ( 3 ) 广阔的覆盖范围。通过对所有天线接收到的信号进行相干合并，可以 实现波束成型增益，随着接收天线的增加可以获得更大增益，这相当于提高接收 端的信噪比，因而m i m o 技术可以扩大信号的覆盖范围。 4 第1 章绪论 1 2 3m 【m o o f d m 系统 随着o f d m 在无线通信系统中的广泛应用，人们开始将多天线信号处理技 术应用到o f d m 系统中，构成m i m o o f d m 系统，以大大提高衰落信道下的信 道容量和接收信号质量【9 , 1 0 , 1 1 】。 m i m o o f d m 系统原理如图1 2 所示，待发送的数据经过信道编码后，再 进行m i m o 空时编码。空时编码后的发送数据分成从路数据流， x 1 ( 露) ，工2 ) ，x 坼( 七) ，( 七= 1 ，忉( 为一个o f d m 符号的采样点数) ，对这坼路 数据流进行o f d m 调制，最后将o f d m 作并串转换并加上循环前缀，由发送天 线发送出去。 发送信号经过无线衰落信道后，由接收天线接收。接收端先对模拟信号数字 化处理，然后去掉o f d m 符号的循环前缀并进行o f d m 解调( 可以消除符号间 干扰) ，得到路频域信号y 1 ) ，y 2 ( 后) ，y 地( 尼) ，( 后= l ，忉。m i m o 解码模块 利用信道信息对。路数据流进行空时译码，再经过信道译码恢复出发送数据。 信道 m i m o撇j 、 0 1 1 d m 编码 编码 调制 v o m 图1 - 2m i m o - o f d m 系统原理框图 在上述m i m o o f d m 系统的基带处理过程中，空间复用、发送分集、干扰 消除、接收分集、同步、软译码、自适应调制、编码以及信道估计是其实现良好 性能的关键技术，本文重点要研究的就是其中的信道估计技术。、 因为m i m o o f d m 系统的接收端接收的信号是发送端各个天线发送的数据 经过空间子信道叠加的结果，所以使接收信号的时、频同步，信道估计等处理变 得更加复杂，信道- t d i 计更具挑战性。 1 3 研究背景及意义 m i m o 和o f d m 技术的结合使未来移动通信系统具有对抗衰落、信道容量 高、传输速率高的特点，已经成为宽带多媒体应用系统的主要方案。但是 m i m o o f d m 系统的优良性能离不开自适应编码调制、相干检测、空时解码等 关键技术，而这些关键技术需要准确的信道信息。信道估计作为获得实际信道特 s 第1 章绪论 征的一种手段，在m i m o o f d m 系统中扮演了非常重要的角色。怎样使信道估 计值逼近真实信道响应值是一个热门的课题，在国内外得到了广泛的研究。 信道估计技术可以分为盲估计、非盲估计和介于其间的半盲估计【6 6 1 。盲估 计是通过发送信号的统计特性来估计信道响应；非盲估计是通过导频或者训练序 列来估计信道响应；半盲信道估计则是以上两种信道估计在传输效率和收敛速度 之间折中结果，以较少的训练序列估计信道响应。 在l t e , w i m a x 等宽带移动通信系统中规定了采用导频的信号传输方式。现 行的基于o f d m 系统采用导频的信道估计方法有最小平方一( l s ) 信道估计、线 性最小均方误差( 删s e ) 估计、基于离散傅里叶变换( d f t ) 的信道估计以 及最大似然( m l ) 信道估计等【3 8 】。其d 0 l s 信道估计方法虽然简单容易实现，但 对噪声敏感，l m m s e 信道估计方法虽然估计精度高，但计算复杂度高，且需要 知道信道统计信息。 在传统的m i m o 系统信道估计研究中，均假设多天线之间的信道是相互独立 的，而实际的m i m o 系统的天线不一定满足丰富散射的环境条件，因而各个子信 道之间可能具有相关性。m i m o 系统各个子信道的这种相关性会使系统性能下 降，如何减少m i m o 系统各个子信道相关性带来的性能损失成为了当前的研究热 点。文献【6 】针对空间相关的平坦衰落m i m o 系统提出了一种参数化的信道估计方 法，采用双射线m i m o 信道模型，对信道矩阵和信道空间相关性参数化处理，通 过估计参数来提升信道估计的性能。文献 5 】提出了一种新的采用正交基来近似 发送端和接收端的相关函数的信道估计方法，来估计空间相关的m i m o 衰落信 道。这些m i m o 系统的空间衰落相关信道估计方法虽然能提高空间衰落相关信道 的估计精度，但不能直接应用到m i m o o f d m 系统中。 一些针对m i m o o f d m 系统的空间相关信道估计方法也得到了普遍的研 究，文献 5 1 1 针对接收相关的m i m o o f d m 系统提出了一种空时联合的信道估计 方法，以进一步提高系统的性能。文献 2 9 1 针对慢衰落的空间相关m i m o o f d m 系统，假设发送端和接收端均知道信道相关矩阵，提出了一种m m s e 的信道估计 器，同时分析了优化训练序列的方法。文献 7 】针对m i m o o f d m 系统的空间相 关问题，提出了一种基于状态空间模型的估计方法，采用了卡尔曼滤波来估计信 道响应，同时可以跟踪时变信道的变化。文献 4 9 1 提出了一种低复杂度的维纳滤 波结构，可以在时、频、空域独立进行维纳滤波，以降低三维联合维纳滤波的复 杂度。 以上这些空间相关信道估计方法要么是针对单载波m i m o 系统的，不能直接 应用到m i m o o f d m 系统中，要么由于复杂度较大而难以实用，要么需要估计 噪声或要求已知信道相关信息而通用性不强。本课题主要研究如何利用空间相关 第1 章绪论 性以提高信道估计的精度，同时保证复杂度不大以及有普遍的适用性。如果移动 终端处于高速运动状态，将引起信道状态的快速变化，从而导致子载波干扰 ( i c i ) ，严重信道估计的精度。为了适应高速移动场景的需要，研究一种能利 用空间相关性提高信道估计精度并可以消除子载波间干扰的方法。这些研究致力 于提高信道估计精度，提升系统的性能，保证m i m o o f d m 系统传输的鲁棒性， 具有理论意义和实际意义。 1 4 论文研究内容及结构安排 本文聚焦于m i m o o f d m 系统中的空间相关衰落信道的估计技术研究以及 利用空间相关信息进行信道估计和子载波干扰( i c i ) 消除的联合算法的研究。 其中m i m o o f d m 系统的空间相关信道估计算法研究主要针对静止或者低速移 动场景，研究细节涉及如下两个方面： 1 ) 从信号处理理论角度，选择最优准则，并在该准则下分析信道估计算法 的性能。为了提高信道估计的精度，就要尽可能的去除噪声的影响，但针对不同 的问题有不同的信号处理方案，这些方案一般都依赖于相应的准则。本论文拟采 用线性最小均方误差准则( i n 厘s e ) 来分析相关的空域子信道的频域信道衰落 系数。 2 ) 将1 ) 中的线性最小均方误差准则( l m m s e ) 方法应用到空域。由于各 子信道时域相关和频域相关通过傅里叶变换可以对等，因而在各子信道频域响应 值之间应用线性最小均方误差准则( l m m s e ) ，尽可能去除噪声的影响。空间 相关衰落矩阵也可以通过实时的估计得到，文中对空间相关衰落矩阵的获取做了 改进，以进一步提高空间相关衰落矩阵的估计精度。 空间相关信道估计和子载波干扰( i c i ) 消除的联合算法的研究则是针对高 速移动场景的情况。在高速移动场景中，由于信道时变引起的子载波干扰( i c i ) 使信道估计算法不能起到很好的效果，必须通过其它方法来解决。虽然有些方法 可以通过频率均衡消除i c i ，有些方法从i c i 消除和信道估计及解码方面联合处 理，但不能同时解决i c i 和空间相关的影响。本文首先分析子载波干扰系数的特 性，然后运用空间相关信道处理方法估计更加精确的子载波干扰系数，接着进行 i c i 消除，进而解出更加准确的发送信息。 论文的结构安排如下： 本文第1 章简要介绍了m i m o 技术和o f d m 技术，并对m i m o o f d m 系 统做了描述。说明了信道估计是实现这些技术良好性能的关键，给出了空间相关 信道估计的研究现状和存在的问题。阐述了研究的背景、目的和意义，最后引出 7 第1 章绪论 了本文的主要研究点：空间衰落相关的m i m o o f d m 系统信道估计。 第2 章主要介绍了无线信道、多天线无线信道的空间相关信道模型及空间相 关性对m i m o 系统容量的影响。首先介绍了无线信道的衰落类型：大尺度衰落、 中尺度衰落和小尺度衰落，分析了小尺度衰落的特点和小尺度衰落的类型。小尺 度衰落从时延扩展角度分为平坦衰落信道和频率选择性信道，从多普勒扩展角度 分为慢衰落信道和快衰落信道。接着介绍了m i m o 系统中的信道情况，由于收 发两端引入多根天线，每根发送天线和每根接收天线构成一个子信道，这些子信 道由于收发天线周围散射环境不理想以及天线之间的间距过小而存在衰落相关 性，子信道的空间衰落相关使得m i m o 系统的容量受到损失。 第3 章提出了一种空间衰落相关的m i m o o f d m 系统信道估计算法。首先 描述了m i m o o f d m 系统信道模型；接着分析了m i m o o f d m 系统的传统信道 估计技术，重点阐述了基于导频符号的信道估计涉及的三个方面：( 1 ) 发送端对 导频符号的选择与插入位置的选择；( 2 ) 接收端对导频位置的信道信息估计；( 3 ) 通过导频位置的信道信息获取整个信道信息 6 7 1 。在分析了一种空间衰落相关的 m i m o 系统的信道估计技术和一种m i m o o f d m 系统的空间衰落相关信道估计 方法后，提出了一种新的空间衰落相关的信道估计技术。 第4 章针对空间衰落相关信道估计方法不能解决移动台高速移动引入的子 载波干扰问题，提出了空间相关信道估计和i c i 消除的联合算法。首先分析了子 载波干扰产生的原因，然后分析了i c i 消除的方法，最后对所提算法进行详细分 析，并给出了仿真结果。 第5 章对全文作出了总结，对下一步的工作进行了展望。 1 5 符号缩写与说明 本文使用小写粗体字母表示矢量，大写粗体字母表示矩阵， e ) 表示数学 期望， ( ) 、( ) r 、( ) 日、( ) 、( ) 分别表示矩阵共轭、转置j 共轭转置、逆、 伪逆，a ( ) 表示求矩阵的迹，o 表示克罗内克积。在本文中，用i i 表示表示矩 阵的行列式，1 1 1 l 表示取模。e ( ) 表示求和运算，m a x ( ) 表示求最大值，m m ( ) 表 示求最小值，v e c ( ) 表示矢量化操作。 此外，表1 1 列出了本文使用的缩写符号及中英文对照。 8 第1 章绪论 表卜1术语的英文全称和缩写 謦翅圈隧疆瞄曩圜豳西磁蟹嚣爱! 疆两委爱髯 a w g na d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e 加性白噪声 b e rb i te r r o rr a t e 误比特率 c d m ac o d e - d i v i s i o nm u l t i p l e - a c c e s s 码分多址 c s ic h a n n e ls t a t e s t a t i s t i c a li n f o r m a t i o n 信道状态信息 c p c y c l i cp r e f i x 循环前缀 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 a t i o n 离散傅里叶变换 f f t f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m 快速傅里叶变换 i c ii n t e r s u b c a r r i e ri n t e r f e r e n c e 子载波间干扰 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 符号问干扰 l m m s el i n e a rm i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r线性最小均方误差 l t e l o n gt e r me v a l u a t i o n 长期演进 l sl e a s ts q u a r e 最小平方 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 多输入多输出 m l m a x i m u ml i k e l i h o o d 最大似然 m s em e a ns q u a r ee r r o r 均方误差 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 正交频分复用 m u l t i p l e x i n g p a p rp e a kt oa v e r a g er a t i o峰均比 s i s o s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t 单输入单输出 s n r s i g n a lt on o i s er a t i o信噪比 s t b c s p a c et i m eb l o c kc o d e 空时块编码 s v d s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n 奇异值分解 t d m a t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s 时分多址 9 第1 章绪论 _ 一 1 0 第2 章无线信道和多天线的空间相关 第2 章无线信道和多天线的空间相关性 在现代无线通信系统中，传输环境的随机性使得无线信道成为研究难点。由 于多径效应的存在，并且各径上信号的幅度和相位不同，使得接收信号的相位和 幅度是随机波动的，从而产生了多径衰落。 无线信道可以根据距离尺度用三种传播模型来表征：大尺度衰落模型、中尺 度衰落模型和小尺度衰落模型【6 6 】。其中小尺度衰落是影响无线通信系统性能的 重要因素，它一方面归咎于多径效应，另一方面归咎于移动台和基站之间的相对 一一t 还动o m i m o 系统在发送端和接收端均采用多根天线，利用无线信道的多径，建立 空间并行传输信道【1 2 , 1 3 】。在许多情形下，m i m o 信道矩阵的元素可以简单地建模 为独立同分布( i i d ) 的复高斯变量，m i m o 信道容量与发送天线和接收天线的数 量成线性增长关系 1 4 , 1 s 1 。然而，由于实际天线之间的间距不是足够大以及传播环 境中散射不充分，所以m i m o 子信道之间并不是进行独立衰落传播，这些子信 道之间的衰落呈现出一定的相关性，这种相关性导致m i m o 信道的容量下降，因 此研究信道的空间相关性是非常重要的 1 6 , 1 7 】。 本文的研究内容就是利用信道的空间衰落相关性来提高信道估计的精度，进 一步提升m i m o o f d m 通信系统的性能。 2 1无线衰落信道的主要特性 对信道估计的研究离不开对无线信道的分析和把握。这里先简要介绍无线信 道的特性，然后介绍无线信道的类型，为后文的m i m o 系统的信道模型、信道 空间相关性以及信道估计研究做铺垫。 2 1 1 信道特性分析 在分析无线信道的特性时，