（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统同步和信道估计的联合优化.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 m i m o o f d m 作为m i m o 和o f d m 技术的结合，不仅可以高速率、大容量地通信传 输，而且有很好的抗噪声和多径的能力。因此，m i m o o f d m 系统及其相关技术成为了无 线通信领域研究的热点和重点。 论文首先介绍了m i m o 和o f d m 技术的原理，建立出一个完整的m i m o o f d m 系统 仿真平台，对系统的性能进行了评估并给出仿真结果。然后，论文对m i m o o f d m 系统 定时同步和载波频偏同步的算法进行了研究和仿真分析，鉴于m i m o o f d m 系统对同步 和信道估计偏差非常敏感，定时恢复、频率同步和信道估计之间又存在密切联系，论文采 用一种m i m o o f d m 系统信道估计与定时同步反馈迭代的联合优化方法提高了系统的同 步性能。考虑到系统的性能优化和算法简化，迭代联合优化处理分为三步，首先进行帧同 步、载波频偏估计和补偿、符号定时，然后进行信道估计并利用信道估计的结果对符号定 时进行反馈迭代，提高符号定时的精度，最后完成对残余频偏进行跟踪和补偿。论文中改 进了传统的帧同步算法，减少了运算量，提高了同步性能。论文还改进了l s 信道估计算 法，通过对时域信道冲击响应去噪，提高了信道估计值的准确度。论文最后给出了联合优 化算法在不同天线结构和不同信道环境下的性能比较与仿真分析，得出了一些有益的结 论。 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 a b s t r a c t a st h ec o m b i n a t i o no fm i m oa n do f d m ，m i m o o f d mt e c h n i q u eg i v e sh i g hs p e e dd a t a t r a n s f e ri nm u l t i - p a t hf a d i n gc h a n n e l i nr e c e n ty e a r s ，m i m o - o f d mh a se m e r g e da so n eo ft h e m o s ts i g n i f i c a n tt e c h n i c a lb r e a k t h r o u g h si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s f i r s t l y ，t h ep a p e rd e s c r i b e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fm i m oa n do f d m ，c o n s t r u c t saw h o l e m i m o - o f d ms i m u l a t i o np l a t f o r ma n dg i v e ss i m u l a t i o nr e s u l t st oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m t h e nw ei n v e s t i g a t ea n da n a l y z et h ea l g o r i t h m so ff r a m es y n c h r o n i z a t i o n ，f r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o na n ds y m b o lt i m i n gi nm i m o - o f d ms y s t e m c o n s i d e r i n gt h a tm i m o o f d m s y s t e m i s e x t r e m e l ys e n s i t i v e t o s y n c h r o n i z a t i o n a n dc h a n n e le s t i m a t i o n i m p e r f e c t i o n s ， m e a n w h i l e ，t h et i m i n g ，f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na n dc h a n n e le s t i m a t i o nm a ya f f e c te a c ho t h e r ， t h ep a p e ri n v e s t i g a t e saj o i n tc h a n n e le s t i m a t i o na n ds y n c h r o n i z a t i o ns c h e m et o i m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fs y n c h r o n i z a t i o ni n i t e r a t i v ew a y t h es c h e m ei n c l u d e st h r e e s t a g e s f o r p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n ta n ds i m p l i c i t y a tt h ef i r s ts t a g e ，t h ef r a m es y n c h r o n i z a t i o n ， f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na n ds y m b o lt i m i n ga r ec o m p l e t e d a tt h es e c o n ds t a g e ，c h a n n e l i m p u l s er e s p o n s ei so b t a i n e da n db yu t i l i z i n gt h eu s e f u li n f o r m a t i o ni nc h a n n e li m p u l s er e s p o n s e t h ep e r f o r m a n c eo fs y m b o lt i m i n gc a nb ei m p r o v e di ni t e r a t i v ew a y c a r r i e rp h a s et r a c k i n ga n d e q u a l i z a t i o ni so b t a i n e da tt h et h i r ds t a g e i nt h ep a p e r ，w ep r o p o s ea ni m p r o v e dm e t h o df o r f r a m es y n c h r o n i z a t i o n ，i th a sl o w e rc o m p l e x i t ya n db e t t e rs y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c et h e nt h e t r a d i t i o n a lo n e w ea l s oo p t i m i z et h el sc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d ，t h ep e r f o r m a n c eo fc h a r m e l e s t i m a t i o nc a nb ei m p r o v e db yr e m o v i n gt h en o i s ec o m p o n e n to ft i m e d o m a i nc h a n n e li m p u l s e r e s p o n s e a tl a s tw eg i v ec o m p a r i s o n sa n da n a l y s i so ft h ejo i n to p t i m i z a t i o ns c h e m ei nd i f f e r e n t c h a n n e lc o n d i t i o n su n d e rt h em i m o - o f d ms i m u l a t i o np l a t f o r mo fd i f f e r e n ta n t e n n as t r u c t u r e s ， i nw h i c hw e g i v es o m eu s e f u lc o n c l u s i o n s 南京邮电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 含为获得南京邮电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：粒日期：幽 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：杜导师签名 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工 学通信与信息系统 研究方向： 移动通信与无线技术 作 题 者：2 0 0 5 级研究生朱玲指导教师邵世祥 目：m i m o o f d m 系统同步和信道估计的联合优化 英文题目：t h ej o i n to p t i m i z a t i o no fs y n c h r o n i z a t i o na n dc h a n n e l e s t i m a t i o ni nm i m o o f d ms y s t e m 主题词： 正交频分复用多输人多输出同步信道估计 k e y w o l d s ： 迭代算法联合优 o f d mm i m o c h a n n e le s t i m a t i o n j o i n to p t i m i z a t i o n 化 s y n c h r o n i z a t i o n i t e r a t i v ea l g o r i t h m 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 无线通信发展到了今天，越来越多的服务内容对数据传输速率提出了越来越高的要 求。而频谱资源严重不足已经日益成为制约无线通信事业发展的瓶颈。因此，如何充分开 发利用有限的频谱资源，提高频谱利用率，已经成为当今无线通信技术研究的热点之一。 在提高频谱利用率的同时，保证传输的可靠性也是一个重要的问题。未来的无线通信应用 对应用环境有更高的要求，这就要求新的无线通信技术能够适应更加恶劣的信道，能够克 服各种不利影响，比如多径衰落。 o f d m ( 正交频分复用) 技术和m i m o ( 多输入多输出) 技术正是在这样的大前提下 被提出来的，成为当今无线通信研究的热点。o f d m 是一种高效的调制方式，因其优越的 抗多径能力和频谱利用率而被广泛地应用到宽带数字通信的各个领域。m i m o 技术可以通 过各个发送天线间的联合编码获得分集增益，从而提高可靠性，也可以通过空间复用获得 成倍增长的信道容量。 虽然m i m o 技术和o f d m 技术的结合为无线信道高速数据传输描绘了美好的前景， 但同时也带来了巨大的挑战，二者的结合不可避免的引出了下列新的问题： ( 1 ) 二者如何结合 ( 2 ) 结合系统中的同步如何实现 ( 3 ) 结合系统中的信道估计如何实现 ( 4 ) 其它的一些问题 同步算法则是调整收发两端不一致的因素，信道估计算法是对无线信道衰落状况的估 计，这两个算法是直接对接收信号进行处理的，是保证接收机系统性能的关键部分。定时 恢复、频率同步和信道估计之间又存在密切联系，因此，我们在考虑同步性能的同时需要 利用信道估计的信息，将两者联合优化，最大程度提高接收机估计、检测和判决的性能。 1 2 课题主要任务及安排 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 在现有文献中，信道估计和定时、频偏同步的联合实现来最大程度提高m i m o o f d m 系统的同步性能，是广泛采用的方法。但许多算法并不是最优的，有些算法用信道估计的 信息改进定时、频偏同步的性能，但是信道估计并不是基于m i m o o f d m 最优的性能， 所提供的有效信息以及准确度都是有限的。另外，有些算法对信道估计和同步采用不同的 前导序列，即分别实现信道估计和同步算法，但这牺牲了数据的传输率，还有很多改进工 作需要去做。本文首先建立出完整的m i m o o f d m 系统仿真平台，然后对m i m o o f d m 系统定时同步和载波频偏同步的算法进行了研究和仿真分析，接着采用一种m i m o o f d m 系统信道估计与定时同步反馈迭代的联合优化方法提高了系统的同步性能，最后根据仿真 结果，对定时偏差估计、频率偏差估计、信道估计精度以及系统的b e r 性能进行了全面的 分析。论文中改进了传统的帧同步算法，减少了运算量，提高了同步性能，改进了l s 信 道估计算法，通过对时域信道冲击响应去噪，提高了信道估计值的准确度。本文的章节安 排如下： 第一章绪论。简单介绍了课题研究的背景和意义。 第二章m i m o o f d m 理论基础。首先详细介绍了m i m o 和o f d m 技术的特点，然 后分析两者结合的必要性，给出了m i m o o f d m 系统的发送、接收方案框图。 第三章m i m o o f d m 仿真平台。各个技术的实现并非孤立，我们需要事先搭建出一 个完整的系统仿真平台，然后充分利用系统的资源选取最佳技术方案。为此我们建立了发 送端、信道、接收端的模型，m i m o 系统采用a l a m o u t i 提出的空时分组码技术，o f d m 系 统采用i e e e 8 0 2 1 l a 作为物理层协议，采用多径瑞利衰落信道，添加了高斯噪声、帧前冗 余数据、载波频偏、相位噪声，尽可能接近实际情况。最后对系统的性能进行了评估并给 出仿真结果。 第四章m i m o o f d m 系统定时同步和载波频偏同步。首先对传统的帧同步方法进行 改进，将短训练符号的延时自相关窗口的长度取为9 个短训练序列长度，此时自相关曲线 会出现一个明显的峰值而不是一个平台，利用该峰值出现的位置就可以进行帧同步的判 断，提高同步。i n 工- 台月匕v , 的同时减少了计算量。帧同步建立后，再利用短训练序列的自相关完成 载波频偏估计和补偿。最后利用长训练序列接收信号和本地信号的互相关完成定时同步， 确定各个o f d m 符号的精确起始位置。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第五章m i m o o f d m 系统信道估计及其对定时同步的反馈迭代。首先设计出同步和 信道估计联合优化的整个流程：帧同步、载波频偏估计和补偿、符号定时、信道估计、信 道估计对定时同步的反馈迭代、残余频偏跟踪。然后改进了l s 信道估计方法，通过对时 域信道冲击响应去噪，提高了信道估计的准确度。采用一种利用时域信道冲击响应信息对 定时同步进行反馈迭代的算法，提高了符号定时的精度。最后给出了联合优化算法在不同 天线结构和不同信道环境下的性能比较与仿真分析。 第六章论文总结与展望。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o - o f d m 技术 第二章m i m o o f d m 技术 m i m o o f d m 是m i m o 技术和o f d m 技术的合成，之所以成为研究的热点并认为是 b 3 g 4 g 未来移动通信物理层最有希望的核心技术，必然有其鲜明的特点： 2 1m i m o 技术 2 1 1m i m o 基本原理 最早的多天线概念是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出的。他最初的设想是利用多天线来抑制 信道衰落，而现在的m i m o ( m u l t i i n p u t m u l t i o u t p u t ) 技术是通过增加发射天线和接收天 线的数目，在收发两端之间形成多个并行传输信道，利用这些信道进行数据的并行传输来 提高通信速率。同传统的s i s o ( s i n g l e - i n p u t s i n g l e - o u t p u t ) 信道相比，m i m o 信道可以提 供更大的通信容量和更高的传输速率。一个m i m o 系统可以这样来简单定义：一个在收发 两端同时采用多天线技术的无线通信系统【l 】。m i m o 技术真正意义上的研究是从上世纪八 十年代开始的1 2 1 ，随后有更多的文章对它进行了理论上的分析【3 1 ，从那以后，m i m o 技术 成为无线通信技术研究中的热点。现在，m i m o 技术已经被第三代移动通信标准( w c d m a ) 所采用，同时在最新的无线局域网( w l a n ) 8 0 2 1 l 标准中也采用了m i m o 技术。在未来 的宽带无线通信系统中，m i m o 技术更是被认为是核心技术之一。 根据收发两端的天线数量，m i m o 系统还包括s i m o ( s i n g l e - i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 系统 和m i s o ( m u l t i p l e i n p u ts i n g l e - o u t p u t ) 系统。 m i m o 系统的核心思想就是：时间上的空时( s p a c e t i m e ) 信号处理同空间上的分集 结合起来【l 】。时间上的空时信号处理一般是通过在发送端采用空时码( s p a c e t i m ec o d e s ) 来实现的，目前常见的空时码有空时分组码( s p a c e t i m eb l o c k sc o d e s ) 、空时格栅码 ( s p a c e t i m et r e l l i sc o d e s ) 、分层空时码( l a y e r e ds p a c e - t i m ec o d e s ) 等。空时码的主 要思想是利用空间和时间上的两维编码来实现定的空间分集和时间分集，从而降低信道 误码率，而空阔上的分集是通过增加空间上的天线分布来实现的。这样做的好处是能把原 来对用户来说是有害的无线电波的多径传播转变成对用户有利。最为重要的一点是m i m o 技术在多个方面提升无线通信系统性能的同时并不需要占用更多的无线带宽，所需要的仅 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m l m 0 0 f d m 技术 仅是通信硬件设备和系统复杂度的增加。这项优点使得m i m o 技术在频谱资源紧缺的现状 下变得更加吸引人。 图2 一l 所示为m i m o 系统的原理图。传输信息流s ( 七) 经过空时编码形成m 个信息子 流c ，酝) ，f _ l m ，这m 个子流由m 个天线发射出去，经空间信道后由n 个接收天线接 收，多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流。这m 个信息子 流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并不增加带宽。若各发射接收天线间 的通道响应独立，则m i m o 系统可以产生多个并行空间信道，通过这些并行空间信道独立 地传输信息，使得数据传输率得以提高。可见，m i m o 将多径无线信道与发射、接收视为 一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率，这是一种近于最优的空域时域 联合的分集和干扰抵消处理。 ，：( 后) r j ( k ) s ) ：传输信息流c ) ：发送信息子流， ) ：接收信息子流 图2 1m i m o 系统的原理图 图2 - 2 则是一个基本的m i m o 信道模型，采用m 个发送天线，n 个接收天线，设为 第f 个发送天线到第- ，个接收天线之间的复信道增益( c h a n n e lg a i n ) 。h 为n xm 的信道 矩阵。 5 ) ) e ： q 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o o f d m 技术 图2 - 2m i m o 的信道模型 h = 啊。啊： h 2 l7 1 2 2 。： 啊 ， ： h m n ( 2 1 ) 系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。对于发射 天线数为，接收天线数为m 的多入多出( m i m o ) 系统，假定信道为独立的瑞利衰落信 道，并设、m 很大，则信道容量c t 4 1 近似为： c = m i n ( m ，n ) l bl o g ：( o 2 ) ( 2 - 2 ) 其中b 为信号带宽，p 为接收端平均信噪比，m i n ( m ，n ) 为m ，n 的较小者。上式表 明，功率和带宽固定时，m i m o 系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增 加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其 容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言，多入多出对于提高无线通信系统的容量具 有极大的潜力。 利用m i m o 技术既可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。 前者是利用m i m o 信道提供的空间复用增益，后者是利用m i m o 信道提供的空间分集增 益。实现空间复用增益的算法主要有b l a s t 算法、z f 算法、m m s e 算法和m l 算法。 m l 算法具有很好的译码性能，但是复杂度比较大，对于实时性要求较高的无线通信不能 满足要求。z f 算法简单容易实现，但是对信道的信噪比要求较高。性能和复杂度最优的就 6 b b k _ _ i u 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o o f d m 技术 是b l a s t 算法。该算法实际上是使用z f 算法加上干扰删除技术得出的。而目前m i m o 技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有分层空时码、空时分组码、空时 格状码。 2 1 2m i m o 优缺点 m i m o 是能够把有效性和可靠性都发挥到极致的技术，达到极致的有效性可以通过分 层空时复用来实现，但同时引入增强的空时干扰，导致可靠性下降，另外，达到极致的可 靠性可以通过空时编码来实现，但同时利用冗余导致有效性下降。可以说，m i m o 的本质 就是分集与复用的关系。 m i m o 技术的优点可以通过下面三个增益来总体概括： 1 ) 阵列增益 阵列增益是指由于接收机通过对接收信号的相干合并而获得的平均s n r 的提高。在发 射机不知道信道信息的情况下，m i m o 系统可以获得的阵列增益与接收天线数成正比。 2 ) 复用增益 在采用空间复用方案的m i m o 系统中，可以获得复用增益，即信道容量成倍增加。信 道容量的增加与m i n ( n r ，n 尺) 成正比，n r 和尺分别为发射天线数和接收天线数。 3 ) 分集增益 在采用空间分集方案的m i m o 系统中，可以获得分集增益，即可靠性性能的改善。分 集增益用独立衰落支路数来描述，即分集指数。在使用了空时编码的m i m o 系统中，由于 接收天线或发射天线之间的间距较远，可以认为它们各自的大尺度衰落是相互独立的，因 此分布式m i m o 系统不仅可以获得上述的小尺度衰落分集，还可以获得大尺度衰落分集， 即宏分集。 m i m o 技术的缺点具体表现在： 1 ) 空间相关 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o o f d m 技术 空间特性是维系m i m o 性能的关键，无论从有效性的并行子信道和可靠性的分集指数 都和空间独立性有关，空间相关导致的低秩和低分集指数都极大影响着m i m o 的信道容量 和误码性能。 2 ) 空间干扰 这是空时复用最直接的影响，在没有空间分集可以利用的系统中恢复各发射天线等功 率的信号必定造成的判决性能的下降，接收端的干扰消除算法是保证系统性能的关键。 2 2o f d m 技术 2 2 1o f d m 基本原理 o f d m 思想早在2 0 世纪6 0 年代【5 】就已经提出，但由于实用模拟滤波器实现起来的系 统复杂度较高，所以一直没有发展起来。在2 0 世纪7 0 年代，s b w e i n s t e i n 提出用离散 傅立叶变化( d f t ) 实现多载波调制，为o f d m 的实用化奠定了理论基础1 6 】。在8 0 年代， l j c i m i n i 首先分析了o f d m 在移动通信应用中存在的问题和解决方法1 7 j ，从此以后， o f d m 技术在移动通信中的应用得到了迅猛的发展【8 】【9 】。 o f d m 是一种无线环境下的高速传输技术，该技术的基本原理是将高速串行数据变换 成多路相对低速的并行数据并对不同的载波进行调制。这种并行传输体制大大扩展了符号 的脉冲宽度，提高了抗多径衰落的性能。传统的频分复用方法中各个子载波的频谱是互不 重叠的，需要使用大量的发送滤波器和接受滤波器，这样就大大增加了系统的复杂度和成 本。同时，为了减小各个子载波间的相互串扰，各子载波间必须保持足够的频率间隔，这 样会降低系统的频率利用率。而现代o f d m 系统采用数字信号处理技术，各子载波的产生 和接收都由数字信号处理算法完成，极大地简化了系统的结构。同时为了提高频谱利用率， 使各子载波上的频谱相互重叠( 如图2 3 所示) ，但这些频谱在整个符号周期内满足正交 性，从而保证接收端能够不失真地复原信号。 图2 3 正交频分复用信号的频谱示意图 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o _ o f d m ：技术 o f d m 调制器如图2 4 所示。要发送的串行二进制数据经过数据编码器形成了m 个复 数序列，此复数序列经过串并变换器变换后得到码元周期为t 的m 路并行码，码型选用 不归零方波。用这m 路并行码调制m 个子载波来实现频分复用。 图2 - 4o f d m 调制器 在接收端也是由这样一组正交信号在一个码元周期内分别与发送信号进行相关运算 实现解调，恢复出原始信号。o f d m 解调器如图2 - 5 所示。 c o s ( 酬) 杰 。月俐 7 拶 7 ， ，冈 ，昂仞。 d 渺 。、 y i 串 d ( m ) 数 l l 并据 信道7 s i n ( 田o )c o s ( 执- i c ) 变 解 且陋砂 换码 一 ， 器器j 。k 入一 j b - l l 7 、6 厂1 i s i s ( o s , , 曲 图2 5o f d m 解调器 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o - o f d m 技术 然而上述方法所需设备非常复杂，当m 很大时，需要大量的正弦波发生器，滤波器， 调制器和解调器等设备，因此系统非常昂贵。为了降低o f d m 系统的复杂度和成本，我们 考虑用离散傅立叶变换( d f t ) 和反变换( i d f t ) 来实现上述功能【10 1 。 2 2 2o f d m 优缺点 o f d m 技术的优点具体表现在： ( 1 ) 抗码间干扰能力强。 o f d m 通过把高速率数据流进行串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相 对增加，从而有效地减少由于无线信道的时间弥散所带来的符号间干扰( i s i ) ，减少了接 收机做均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，而仅仅通过采用插入循环前缀的方法 来消除i s i 的不利影响。 ( 2 ) 频带利用率高。 传统的频分多路传输方法为了避免产生载波间干扰( i c i ) ，将频带分为若干个不相干 的子频带来并行传输数据流，各个子信道之间要保留足够的保护频带，这样频谱利用率就 很低。而o f d m 系统各个子载波的频谱相互重叠，每个子载波都采用矩形脉冲成型，频谱 是s i n e 函数，在频域上很好地保证了各个子载波信号之间的正交性，而没有信道问干扰的 发生。因此与常规的频分复用系统相比，o f d m 系统可以最大限度地利用频谱资源。当子 载波个数很大时，系统的频谱利用率趋向于2 b a n d h z 。 ( 3 ) 系统实现简单 各个子载波地正交调制和解调可以采用离散傅立叶反变换( i d f t ) 和离散傅立叶变换 ( d f t ) 来实现。在子载波数目很大的系统中，利用快速傅立叶逆变换( i f f t ) 和快速傅 立叶变换( f f t ) 来代替i d f t d f t 可以有效降低运算量。目前，随着大规模集成电路技 术与d s p 技术的发展， i f f t f f t 实现起来都非常容易。 ( 4 ) 支持非对称性业务 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o o f d m 技术 在无线数据业务中，业务需求一般是不对称的，通常下行链路中的传输数据量要大于 上行链路中的数据传输量，这就要求物理层支持非对称高速率数据传输，o f d m 技术可以 通过在上行链路和下行链路中采用不同的子信道数目来满足非对称业务的传输需求。 ( 5 ) 易于同其他技术结合使用 目前的无线通信采用不同的接入技术来提供服务，而o f d m 技术很容易同其他接入技 术结合使用，构成o f d m a 系统。目前主要有多载波码分多址m c c d m a 、跳频o f d m 以及o f d m t d m a 等，这样就允许多个用户同时利用o f d m 技术进行信息传输。 o f d m 技术的缺点具体表现在： ( 1 ) 对载波频偏和相位噪声非常敏感 o f d m 技术由于各个子信道的频偏是相互重叠的，区分各个子载波的方法是利用它们 之间的正交性，这就对正交性条件提出了严格的要求。由于无线信道的时变性，在传输过 程中出现的无线信号载频偏移和发射机与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使 o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，导致严重的子信道间干扰( i c i ) 。 ( 2 ) 存在较高的峰值平均功率比 多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得 到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，导致较大峰值平均功率k i ：( p a r ) 。 这就对发射机内放大器的线性度提出了很高的要求，因此可能带来信号畸变，使信号的频 谱发生变化，从而导致各个子信道问的正交性遭到破坏，产生干扰，使系统的性能恶化。 2 3m i m o 与o f d m 两种技术的结合 m i m o 和o f d m 技术结合的系统做到了扬长避短，既有效对抗了m i m o 系统中的频 率选择性衰落，又提高了o f d m 系统中的系统容量和频谱利用率，因此，m i m o o f d m 系统及其相关技术必将成为未来移动通信领域研究的热点和重点。m i m o o f d m 技术【1 1 】【1 2 】 是通过在o f d m 传输系统中采用阵列天线实现空间分集，提高了信号质量，是联合o f d m 和m i m o 而得到的一种新技术。它同时利用了时间、频率和空间三种分集技术，使无线系 统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m i m o o f d m 技术 图2 - 6 和图2 7 分别为m i m o o f d m 系统的发送、接收方案框图。该系统有f 个发 送天线和m 个接收天线。在发送端和接收端各设置多重天线，可以提供空间分集效应， 克服电波衰落的不良影响。这是因为安排恰当的多副天线提供多个空间信道，不会全部同 时受到衰落。输入的比特流经串并变换分为多个分支，每个分支都进行o f d m 处理，即经 过编码、交织、映射、插入保护间隔、i f f t 变换、加循环前缀等过程，再经天线发送到无 线信道；接收端进行与发送端相反的信号处理过程，即去循环前缀、f f t 变换、解码等等。 同时进行信道估计、定时、同步、m i m o 检测等技术，来恢复原来的比特流。 富 编 码 并 转 换 r v f 编 - - i ) 码 插入 + l f f t加循 发 + 保护 _ 环前 - - - 4 1 ) 送 间隔+ 缀 插入 - - - 1 1 , i f f t加循 发 保护_环前 + 送 间隔缀 图2 - 6m i m o o f d m 系统的发送方案框图 图2 7m i m o o f d m 系统接收方案框图 2 4 本章小结 本章详细介绍了m i m o 和o f d m 技术，分析了两者的优缺点以及结合的必要性，既 有效对抗了m i m o 系统中的频率选择性衰落，又提高了o f d m 系统中的系统容量和频谱 利用率，最后给出了m i m o o f d m 系统的发送、接收方案框图。 1 2 词；捆 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章m i m o o f d m 系统仿真平台的建立 第三章m i m o o f d m 系统仿真平台的建立 本文讨论的各种技术的仿真都要在本章所建立的系统平台上实现。 3 1 无线信道模型 无线信道按随机时变性可以分成三类：自由空间传播损耗与弥散、阴影衰落及多径衰 落【1 3 】【1 4 1 。前两种属于大尺度衰落，主要影响无线通信的距离或者无线电波的覆盖范围，通 过合理的天线布局等可以消除其不利影响，在般的蜂窝系统中，由于小区规模相对较小， 这种大尺度衰落对移动通信系统的影响并不需要单独加以考虑。后一种属于小尺度衰落， 在数十个波长范围或极短时间内呈现快速剧烈的随机性起伏，严重影响信号的传输质量， 并且不能通过简单的手段来加以消除。 小尺度衰落存在三对重要关系： 1 ) 时延扩展与频率选择性衰落 信号在无线信道中传播时会出现多径传播的现象，接收机会收到经过不同路径到达的 同一信号的多个副本，于是称发射信号在传播过程中发生了时延扩展盯，这有可能导致符 号间干扰。体现在频域就是产生频率选择性衰落，即信号在不同频率上遭受的衰落是不同 的。遭受独立衰落的平均频率间隔用相干带宽b 。来表示，b 。= 1 2 n o ，见图3 - 1 。 2 ) 频率扩展与时间选择性衰落 无线信道还具有时变特性，这种时变性是由发射机、接收机或无线信道中物体的运动 产生的，这些运动会导致接收信号的频率因为多普勒效应而发生扩展，称为多普勒扩展， ：i ，= 吖旯是最大多普勒频率( d 是收发两端的相对运动速度，名是载波波长) 。体现在时域 上就是产生时间选择性衰落，即信号在不同时间遭受的衰落是不同的。遭受独立衰落的平 均时间间隔用相干时间t 来表示，疋= 9 1 6 7 r f , ，见图3 1 。 3 ) 角度扩展与空间选择性衰落 1 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章m i m o o f d m 系统仿真平台的建立 无线信号在本地散射体影响下还会呈现角度上的扩展，导致天线阵列的各个元素之间 存在一定的相关性，这就有可能产生空间选择性衰落，即信号在不同的空间位置上遭受的 衰落是不同的。遭受独立衰落的平均距离用相干距离d c 来表示，d c = 2 ，彳是载波波长。 t 发 送 信 号 符 号 周 期 。平坦快衰落： 频率选择性快衰落 i i i 平坦慢衰落； 频率选择性慢衰落 i i i 发送基带信号带宽 图3 1 无线信道衰落特性 无线信道的时域冲激响应 l l 厅( ，f ) = 啊o 声( _ o ) ) 1 = 0 ( 3 一1 ) 其中l 表示多径数目，啊o ) 和f 疋) 分别表示第，条径的时域信道衰落和时域信号延迟。 h t ( t ) = lh ，o ) 。 ( 3 - 2 ) 通常假设相位办o ) 服从【_ 万，万】内的均匀分布，而根据幅度岛( ，) 1 分布的不同，称信道 服从不同的衰落分布，其中r a y l e i g h 衰落分布、r i c i a n 衰落分布和n a k a g a m i 衰落分布应 用比较广泛。 r a y l e i g h 分布常用于描述平坦衰落信号或独立多径分量接收包络统计时变特性，很好 的描述了非直视路径( n l o s ) 的散射环境。i 啊o ) i 服从以下分布”1 ： p g ) = 五，z o 1 4 ( 3 3 ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章m i m o - o f d m 系统仿真平台的建立 其中，q 是包络检波之前的接收信号包络的时间平均功率，即互( i 元，o ) 1 2 ) ：2 q 。 对于存在直射路径( l o s ) 的散射环境，包络检波器的输出就会在多径分量上叠加一个 直流分量，此时i 啊( f ) l 服从r i c i a n 分布 p g ) ：言p 一等。心。)p g ) = 言p 百，。( 斟g o ，彳o ) ( 3 - 4 ) 其中，e ( i h , 0 ) 1 2 ) ：彳2 + 2 q 。般采用k 因子作为r i c i 锄分布的主要参数， k ) = 1 。l 。g 五a 2 。 ( 3 5 ) n a k a g a m i 分布是为了符合经验数据而提出的，因此对于一些实验数据的拟合比 r a y l e i g hr i c i a n 分布要好。此时l 啊o ) l 服从以下分布： p 阱南叶x 狮p 一一。 ( 3 6 ) 其中q ：e ( p o ) 1 2 ) 为信道增益幅度的平均功率，m f 称为衰落数，表示为 聊，= q 2 e ( i 岔( ，) 1 2 一q ) 2 ，所，互1 ( 3 - 7 ) 当聊，= 1 2 时，它是单边高斯分布；当聊= 1 时，它是r a y l e i g h 分布；当m r 趋于无穷 时，概率密度函数变成冲激函数，信道成为无衰落的静态信道。 3 2 多径环境下m i m o o f d m 系统信号模型 信号模型的推导如下i 1 1 】【1 2 i ： 考虑一个有n 7 个发送天线，n r 个接收天线( 7 1 n 尺) 的m i m o o f d m 系统。o f d m 的子载波数为k 。发送端的基带信号为： 姒归去薹鬻斛瓦弦廊扣妣 p 8 ， 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章m i m o - o f d m 系统仿真平台的建立 这里，材。( f ) 表示第n 个发送天线的基带信号，k 表示o f d m 子信道数， 既小i ”= 1 ，n ；k = o ，k 1 ) 表示第n 个发送天线，第i 个o f d m 符号的第k 个子信道上 发送的信号。五= 乃+ 咒是整个o f d m 符号周期，包括数据周期乃和保护间隔死。g ( r ) 为成形函数，由下式给出： 妒舻釜 再把基带信号上变频到发射信号，得到： s 。( f ) = 。( 咖m 斫。+ 卉 ( 3 - 9 ) ( 3 1 0 ) 石为发送天线上的载波频率，办为发送天线上的载波相位。这里需要作一些说明： 1 ) ( 3 - 1 0 ) 式中的载波频率和相位严格来说应该是厶和九，即第n 个发送天线上的载 波频率和相位。但是因为各个发送天线的载波是由同一晶振经混频得到，各个天线的载波 频率可以近似认为是相等：而混频、滤波所引入的相位偏差和后面经信道引起的相位偏差 比要小得多，可以忽略不计。所以，各个发送天线的载波在这里认为是同频同相就不再区 别写作厶和九，统一为六和，。这样简化下面的推导。 2 ) ( 3 1 0 ) 式中可以看到，最( f ) 的频域是简单的频移，就是说s 。( f ) 的频域不对称。我 们知道，实际能发送的只有实信号，实信号的频域是对称的，就是& ( f ) 的实部，即 r e 【( ，) 】= r e u 。( f ) p 7 2 斫。+ 卉】( 3 - 1 1 ) 这才是我们实际发送的信号。因为在后面的讨论中还要下混频，同样也要取实部。为 了推导的简化，就只对频谱作单边的搬移，不取实部，不影响推导的结果。 假设从发送天线n 到接收天线m 有三栅条发送路径，并将第乙。条路径的信道复增益写 作a 。那么从发送天线n 到接收天线m 的信道向胂为 16 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章m i m o o f d m 系统仿真平台的建立 一1 向。肘( f ) = 口k 6 ( t f 。朋) 在接收端，接收天线m 所接收到的信号是所有发送天线发送的信号叠加： n r _ ( ，) = s 。( r ) + ( ，) + ，2 ( f ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 这里玎( f ) 表示信道加性噪声，它是所有发送天线到接收天线m 的噪声和。因为加性噪 声对后面的推导没有直接影响，为简便起见不再对各个发送天线的加性噪声分开描述。 接收端对收到的信号下变频，得到： z 。( f ) = 乇( f ) p 一7 2 而7 + 南( 3 - 1 4 ) 这里的厶和九表示相干载波的频率和相位。因为相干载波是在接收天线m 上的载波， 在联合解码以前，接收天线m 上的信号和其它接收天线上的信号不发生关系，所以f o 和九 与前面的力和办不同，不需要强调厶和的概念。 忽略加性噪声，采样后的接收信号变成： z 。，f ，6 = z 。( f 瓦+ 6 丁+ r ) 这里z 州，6 表示在第m 个接收天线上，第i 个o f d m 符号的第b 个采样点的值。 ( 3 - 1 5 ) 设采样误差为a k ，在6 = k g a k ，k g 一似+ 1 ，k g a k + k 一1 上作k 点f f t ，就 得到第m 个接收天线上第i