（通信与信息系统专业论文）非理想信道状态信息移动通信系统的性能研究.pdf

山东大学博士学位论文 n q | 2 盯2 e b 7 p q ，( 7 ) s ) 圪值f f a m c p s a m b e r p e r c s l 0 f d m 加m o s i s 0 m i s o n n c e c s n r m s e m m s e l s m l l 心 符号说明 白高斯噪声的双边功率谱密度 白高斯噪声的方差 每个信息比特的能量 信道信噪比s n r 相关系数 平均衰落功率 信道信噪比概率密度函数 针对瞬时信噪比所做的功率控制 目标误包率 a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g 自适应调制编码 p i l o ts y m b o la s s i s t a n tm o d u l a t i o n 导频符号辅助调制 b i te r r o rr a t e误比特率 p a c k e te r r o rr a t e包错误率 c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n信道状态信息 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 t y 正交频分复用 m u l t i p l ei n p u t sa n dm u l t i p l eo u t p u t s 多输入多输出 s i n g l ei n p u ta n ds i n g l eo u t p u t 单输入单输出 m u l t i p l ei n p u t sa n ds i n g l eo u t p u t 多输入单输出 n e u r a ln e t w o r kc h a n n e le s t i m a t i o n神经网络信道估计 c h a n n e ls i g n a l t o - n o i s er a t i o信道信噪比 m e a ns q u a r ee r r o r 均方误差 m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r最小均方误差 l e a s ts q u a r e 最d x - - 乘算法 m a x i m u ml i k e l i h o o d 最大似然 m a x i m u map o s t e r i o rp r o b a b i l i t y最大后验概率估计 7 山东大学博士学位论文 a c m a s e f e c h 触 a d a p t i v ec o d e dm o d u l a t i o n a v e r a g es p e c t r a le f f i c i e n c y 自适应编码调制 平均频谱有效性 f o r w a r de r r o rc o d ec o r r e c t i o n 前r 句g t t 错码 h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t 混合自动请求重传 c l d c r o s s l a y e rd e s i g n 跨层设计 q o sq u a l i t yo fs e r v i c e p d f p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n m r cm a x i m u mr a d i oc o m b i n e 8 服务质量 概率密度函数 最大比合并 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 必z 趸 日 期：2 幽2 幺2 之 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 丛。墨 导师签名 山东大学博士学位论文 摘要 无论在通信系统的理论研究还是在工程应用中，信道状态信息都具有重要的 作用和意义，因为它是进行正确检测和译码的基础，是可靠通信的保障。所以近 来通信技术在非理想信道状态信息条件下的性能研究越来越受到专家的重视。本 篇论文的工作就是探讨非理想信道状态信息的移动通信系统的性能，基本内容包 括无线移动通信信道的特性、系统中信道估计的方式方法等。在信道估计的方式 方法中，以导频辅助调制( p s a m ) 的信道估计方式为主要内容，考虑在保证系统 服务质量( q o s ) 条件下，如何优化导频符号的插入间隔和功率分配等问题，以实 现系统的最优估计性能。针对无线移动通信信道特性，考虑信道估计对移动通信 系统中关键技术的性能的影响，分析非理想信道状态信息系统性能的变化等等。 在对系统性能进行分析时，去除信道状态信息完全已知的假设，以非理想信 道状态信息为前提，在接近实际系统环境的条件下，以信道估计和预测手段获取 信道信息，进而对系统性能进行研究。信道估计和预测以最小均方误差( m m s e ) 为准则，采用p s a m 方式，这是一种有效的辅助信道估计手段，可以有效地获取 信道信息并进行信道跟踪，现已被多个通信标准所采纳，例如w c d m a ， c d m a 2 0 0 0 等等。同时，p s a m 也带来一些问题，一方面，因为导频的间隔决定 了系统对信道的采样频率，因此，导频间隔的大小影响了信道估计和预测的准确 度。另一方面，由于导频的插入消耗了系统部分的发送功率和传输带宽，因此降 低了系统的频谱有效性。所以，系统中的导频设计将直接影响系统估计性能和系 统的服务质量。此外，p s a m 也与信道特性密切相关，为此，研究无线信道的特 性并根据其特性来设计p s a m ，是本文研究的主要内容。 信道估计和p s a m 设计是本文的主线，贯穿始终，在此基础上，本文探讨了 非理想信道状态信息下的各种通信系统及关键技术。首先，除针对正交频分复用 ( o f d m ) 的信道估计特性，提出了相应的改进方案外；其次，基于单输入单输出 ( s i s o ) 系统，讨论了系统采用自适应编码调制( a m c ) 技术时，当引入信道估 计误差，系统性能与理想信道估计情况下的差别。并且根据性能损失，提出了p s a m 的最优设计方案：再次，在多输入单输出( m i s o ) 和多输入多输出( m i m o ) 系 山东大学博士学位论文 统中，推导了非理想信道状态信息条件下采用最大比合并后的输出信噪比的闭合 表达式，并根据m i m o 信道特性讨论了空间相关性的各种影响等等。最后，在独 立的物理层的研究基础上，考虑将非理恕信道状态信息的研究扩展到跨层设计领 域，通过对跨层中误差和不确定因素的分析，提出了跨层中p s a m 的最优设计方 案，并对非理想环境下的跨层性能进行了理论推导和分析。本论文研究以信息论、 通信原理和数字信号处理等为理论基础。以数学理论是概率与统计、微积分、优 化算法为手段。 具体的主要工作和创新点如下： l 、 基于宏小i 又：及微小区m i m o 信道模型比较了m i m o 信道存两种传输环境中 的空间相关特性，通过数值分析方法得到了两类信道空间相关性随发送端、 接收端天线阵列的分布而变化的特征曲线，并分析比较了信道参数，如到达 角的角度扩展等，对空间相关性的影响。在此基础上，讨论了空间相关系数 对系统功率有效性和频带有效性的影响，定义了在不同传输环境下，影响系 统b e r 性能的空间相关系数的门限。 2 、 在o f d m 系统中，将一般的估计算法与小波去噪相结合，将该方法用于频域 上的信道衰落因子的估计，充分利用了小波去噪在低信噪比时去加性噪声的 有效性，比较了结合小波去噪的估计方法与现有估计方法性能差别，指出各 自存在的优缺点。 3 、 利用神经网络所具有的不断学习和记忆的优点，将基于l m e ( 1 e a s tm e a ne r r o r ) 算法的神经网络系统用于o f d m 系统的信道估计中，主要特点是可以通过两 个子网络分别估计出采样时刻信道的幅度值和相位值。并且根据无线通信信 道随时间变化快的特性，如果适当地插入导频符号，在信道相关时间内，利 用导频符号训练神经网络可以更新信道的估计值，在估计的同时完成跟踪。 4 、 在已有的误差函数的基础上，结合信道的功率谱特性，分析了a m c 系统的 估计性能；从无线移动信道的特性出发，修正了评价信道估计性能的均方差 函数的表达式，发现了对信道估计性能起关键性作用的信道参数，例如，莱 斯因子，到达角的角度扩展等等：通过对相关的系统性能的分析，总结了这 些信道参数对估计性能乃至整个系统产生影响的方式，同时发现，由于估计 误差的存在，系统选择自适应编码调制方案的信道信噪比( c s n r ) 的门限也 2 山东大学博士学位论文 有相应的改变。 5 、在p s a m 的导频分配研究中，利用衰落信道的二阶统计特性，推导出用以确 定导频符号间隔的算法，定义了导频问隔的局部量和全局量，证明了由算法 得到的局部量的自适应特性，同时证明了全局量是一个更紧的上界。 6 、 提出了跨层设计中的自适应p s a m 方案。首先，根据信道的统计特性定义了 导频插入的间隔：其次，以修正的平均频谱利用率为目标函数，根据最优化 原理，得到了导频符号和信息符号间功率的最优分配原则。对非理想信道状 态信息的跨层设计模型的性能函数，如误包率( p e r ) 、平均频谱效率( a s e ) 函数进行了理论推导和修正，得到闭合表达式。 关键词：信道估计，信道状态信息，p s a m ，a m c ，h a r q ，m i m o ，s t b c 3 山东大学博士学位论文 ab s t r a c t s y s t e mr e s e a r c ha n da n a l y s i sw i t hi m p e r f e c tc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) p l a ya v e r yi m p o r t a n tr o l ei nc o m m u n i c a t i o na r e a t h ep a p e ra i m st os t u d ya n da n a l y z es y s t e m p e r f o r m a n c e so nc o n d i t i o no fi m p e r f e c tc s i c h a r a c t e r i s t i c so fm o b i l er a d i oc h a n n e l s ， e s t i m a t i o nm e t h o d sa n da l g o r i t h m s ，c o m p a r i s o n sb e t w e e np e r f e c tc o n d i t i o n sa n d i m p e r f e c to n e sa n ds oo na r em a i nc o n t e n t s i nt h i s p a p e r e s p e c i a l l y ，p i l o ts y m b o l a s s i s t e dm o d u l a t i o n ( p s a m ) s c h e m ei sam a i nt o p i ch e r e i n t e r e s tq u e s t i o n si n c l u d e h o wt od e s i g np i l o ts y m b o l s ，s u c ha st h ep i l o t - i n s e r t i o nf r e q u e n c ya n dt h ep o w e r a r r a n g e m e n tb e t w e e np i l o ts y m b o l sa n d i n f o r m a t i o ns y m b o l s ，t og u a r a n t e et h e m i n i m u mc h a n n e le s t i m a t i o ne r r o ra n dt h er e q u i r e dq u a l i 妙o fs e r v i c e ( q o s ) t h e f u n c t i o na n di m p a c t so fc h a n n e le s t i m a t i o no nf u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s w i t ha d v a n c e dt e c h n i q u e sh a v ea l s ob e e ni n v e s t i g a t e dh e r e m o r e o v e lt h ew o r kf o c u s e so i lt h ea c q u i r e m e n to fc h a n n e li n f o r m a t i o n t h e m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ( m m s e ) a l g o r i t h mi su s e df o rc h a n n e le s t i m a t i o na n d p r e d i c t i o n p s a mi sv i e w e da saf a c i l i t a t e dm e t h o dt oa c q u i r ec h a n n e l i n f o r m a t i o n p s a mi sa l le f f i c i e n tc h a n n e lt r a c k i n gs c h e m ea n dh a sb e e na d o p t e db ym a n y c o m m u n i c a t i o ns y s t e ms t a n d a r d s ，s u c ha sw c d m a ，c d m a 2 0 0 0a n ds oo n h o w e v e r , t h e r ea r es o m ep r o b l e m sc a u s e db yp s a m p i l o ts y m b o l sc o n s u m ep a r to ft h e t r a n s m i t t e dp o w e ra n db a n d w i d t h ，w h i c hi nt u r nr e d u c e st h es p e c i a le f f i c i e n c y s o ，i ti s n e c e s s a r yt od e s i g nt h ep i l o ts y m b o l so p t i m a l l yb e c a u s ei ti m p a c t sb o t he s t i m a t i o ne r r o r a n d s y s t e mp e r f o r m a n c e a n d a n o t h e rn e c e s s a r y p o i n t i s t ou n d e r s t a n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fm o b i l er a d i oc h a n n e l sb e c a u s et h e ya r er e l a t e dt op s a m s y s t e m sr e f e r r e d h e r ei n c l u d es i n g l ei n p u ta n ds i n g l eo u t p u t ( s i s o ) s y s t e m , m u l t i p l ei n p u t sa n ds i n g l eo u t p u t ( m i s o ) s y s t e m , m u l t i p l ei n p u t sa n dm u l t i p l eo u t p u t s ( m i m o ) s y s t e ma n ds oo n m a i nt e c h n i q u e si n c l u d eo 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 h i p l e x i t y ( o f d m ) ，a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ( a m c ) ，c r o s s l a y e rd e s i g na n d s oo n t h em a t h e m a t i ct o o l si n c l u d es t a t i s t i ca n dp r o b a b i l i t y ，t h eo p t i m i z a t i o na n ds oo n m a i nw o r ka n di n n o v a t i o n sc o n t a i nf o ll o w i n gp o i n t s 1t h es p a c ec o r r e l a t i o nh a sb e e na n a l y z e di nd i f f e r e n t p r o p a g a t i o nc o n d i f i o n s i n c l u d i n gt h em i m om a c r o c e l la n dm i c r o c e l la p p l i c a t i o n s t h ec h a r a c t e r i s t i c s c u r v e sd e s c r i b i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p a c ec o r r e l a t i o na n da n t e n n ad i s t a n c e 4 山东大学博士学位论文 - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一i i h a v eb e e no b t a i n e da c c o r d i n gt ot h en u m e r i c a la n a l y s i s e f f e c t so ft h es p r e a do f a n g l eo fa r r i v a lo ns p a c ec o r r e l a t i o n sh a v ea l s ob e e ni n v e s t i g a t e d b e s i d e s ，t h e i m p a c to fs p a c ec o r r e l a t i o n so ns y s t e m p e r f o r m a n c e sh a sb e e nd i s c u s s e d h e r e t h r e s h o l d so fs p a c ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t sw h i c hi n f l u e n c eb e rp e r f o r m a n c e u n d e rd i f f e r e n tp r o p a g a t i o n sh a v ea l s ob e e nf o u n dt h r o u g hb e ra n a l y s i s 2i no f d ms y s t e m s t h ew a v e l e td e n o i s i n gh a sb e e nc o m b i n e dw i t hu s u a lc h a n n e l e s t i m a t i o nm e t h o d s t h en e ws c h e m ew a su s e dt oe s t i m a t et h ef a d i n gc h a n n e lg a i n s i nf r e q u e n c yd o m a i n i tr e d u c e dt h ei m p a c to fa d d i t i v en o i s ee f f i c i e n t l ya n d i m p r o v e ds y s t e mp e r f o r m a n c e sw i t h o u te x t r a lc o m p l e x i t y i th a sa l s ob e e np r o v e d t h a tt h i ss c h e m ei sa d a p t i v et od i f f e r e n tc h a n n e lc o n d i t i o n s 3b a s e do na d v a n t a g e so fl e a r n i n ga n dm e m o r yi nn e u r a ln e t w o r k ，a n dc o m b i n e d w i t hl m ea l g o r i t h m , an e wa l g o r i t h mo fc h a n n e lt r a c k i n ga sw e l la san o v e l c h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o dh a sb e e np r o p o s e di no f d ms y s t e m s p i l o ts y m b o l s w e r ep l a c e da tac e r t a i ni n t e r v a l t h en e u r a ln e t w o r kc h a n n e le s t i m a t o r ( n n c e ) e s t i m a t e db o t ha m p l i t u d ea n da n g l ev a l u e so fac o m p l e xr a n d o mp r o c e s s ，a c c u r a t e l y a n di tu p d a t e dv a l u e sa c c o r d i n gt on e wp il o ts y m b o l st oc o m p l e t et h et r a c k i n g 4 r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nm e a ns q u a r ee r r o r ( m s e ) e s t i m a t i o na n dag e n e r a lp o w e r s p e c t r a lo fc h a n n e l sh a v eb e e nd i s c u s s e d am o d i f i e de x p r e s s i o no fm s ef u n c t i o n h a sb e e nd e d u c e d 1 h i se x p r e s s i o ni n c l u d e ss e v e r a li m p o r t a n tc h a n n e lp a r a m e t e r s ， s o m eo fw h i c ha f f e c tt h ee s t i m a t ep e r f o r m a n c es i g n i f i c a n t l y , s u c ha sr i c ef a c t o r , t h es p r e a do fa n g l eo fa r r i v a l ( a o a ) a n ds oo n t h e n ，t h ep e r f o r m a n c ec r i t e r i a a s s o c i a t e dw i t he s t i m a t ee r r o rf u n c t i o nw a sa n a l y z e d a n di m p a c t so ft h e s ec h a n n e l p a r a m e t e r s o nc h a n n e le s t i m a t i o na n ds ) s t e m p e r f o r m a n c e s w e r ee x p l o r e d t h r e s h o l d so fc h a n n e ls i g n a l - t o n o i s er a t i o ( c s n r ) i na m cs y s t e m sa r ea l s o i n f l u e n c e db ym s e t h i sa f f e c t i o nh a sa l s ob e e ni n v e s t i g a t e dh e r eu n d e rd i f f e r e n t p r o p a g a t i o nc o n d i t i o n s 5s c h e m e so fp i l o ts y m b o l si na d a p t i v ep i l o ts y m b o l sa s s i s t e dc o d e dm o d u l a t i o n s y s t e m sh a v eb e e no p t i m i z e d an e wa l g o r i t h mh a sb e e ne x p l o r e dt od e t e r m i n et h e i n t e r v a lo fp i l o ts y m b o l sa c c o r d i n gt ot h es e c o n do r d e rs t a t i s t i c so ff a d i n gc h a n n e l s b o t hp a r t i a lp a r a m e t e ra n dg l o b a lp a r a m e t e rw e r ed e f i n e d t h ea d a p t a t i o no fp a r t i a l p a r a m e t e ra n dt h ee f f i c i e n c yo fg l o b a lp a r e m e t e rh a v eb e e np r o v e d i tw a sa l s o f o u n dt h a tt h eg l o b a lp a r a m e t e rw a sat i g h t e rb o u n d i n f l u e n c e so ft h i sn e w 6 山东大学博士学位论文 、 i i i i - a l g o r i t h mo nw h o l es y s t e m sh a v ea l s ob e e nt e s t e d 6 a d a p t i v ep s a l ms c h e m e sw i t h i m p e r f e c tc s ih a v eb e e np r o p o s e db a s e d0 n c r o s s 1 a y e rd e s i g nw h i c hc o m b i n e sp h y s i c a ll a y e r 州md a t al i n kl a y e r t h ep u r p o s e i st oo p t i m i z es y s t e mb y a d ju s t i n gt h er e s o u l c ea n dp o w e rt ot h ev 撕鲥0 no f c h a n n e ic o n d it i o n si no r d e rt o m e e ts y s t e mp e r f o r m a n c e s a d a p t i v e s c h e m e s i n c l u d e a d a p t i v es p a c i n ga l l o c m i o no f p i l o ts y m b o l sa n d a d a p t i v ep o w e r a 盯狮g e m e n tb e t w e e np i l o ts y m b o l sa n di n f o r m a t i o ns y m b o l s t h e s es c h e m e sw e r e e m p i o y e dt of a c i l i t a t ec h a n n e le s t i m a t i o na n dp r e d i c t i o n r e s u l t sa b o u ti m p a c t s0 f t h e s es c h e m e so n s y s t e mp e r f o r m a n c e sa sw e l la s c o m p a r i s o n sw j t hp e 琥c t c o n d it i o n sh a v ea l s ob e e ns h o w nh e r e b e s i d e s ，p e ra n da s ef i u n c t i o r i s 、n m p e r f e c tc s ih a v eb e e nm o d i f i e dc o n s i d e r i n gw i t hi m p e r f e c tc s i k e yw o r d s ：c h a n n e le s t i m a t i o n ，c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，p s a m ，a m c ，h a r q ， m i m o ，s t b c 山东大学博士学位论文 第一章绪论 在过去的几十年里，移动通信技术得到了迅猛的发展和广泛的应用。2 0 0 1 年， “国家8 6 3 计划”启动了面向b 3 g 4 g 的移动通信发展研究计划未来通用无线 环境研究计划( f u t u r et e c h n o l o g yf o ru n i v e r s a lr a d i oe n v i r o n m e n t ，简称f u t r u e 计 划) 其主要目标是面向未来无线通信领域的发展趋势与需求，重点突破新一代移 动通信系统关键技术，逐步建立一个集大范围蜂窝移动通信、区域宽带无线接入 和短程无线连接为一体的通用无线电环境，对新一代无线与移动通信产业的跨越 式发展创造条件。 在2 0 0 5 年1 0 月1 8 日结束的i t u r w p 8 f 第1 7 次会议上，i t u 给了b 3 g 技 术一个正式的名称i m t - a d v a n c e d 。按照国际电信联盟的定义：i m t - 2 0 0 0 技术和 i m t - a d v a n c e d 技术拥有一个共同的前缀“i m t ”，表示移动通信；当前的w c d m a 、 h s d p a 等技术统称为i m t - 2 0 0 0 技术；未来的新的空中接口技术，叫做 i m t - a d v a n c e d 技术。按照i t u 对i m t - a d v a n c e d 的定义，当用户处于静止或者低 速移动时，i m t - a d v a n c e d 应当能够支持1 0 0 0 m b p s 的数据业务速率；当用户处于 高速移动状态时，i m t - a d v a n c e d 应当能够支持1 0 0 m b p s 的数据业务速率。与b 3 g 技术相比，i m t - a d v a n c e d 技术的性能要高一个数量级。与此相对应，i m t - a d v a n c e d 的商用时间也将在2 0 1 0 年以后，即在b 3 g 技术商用以后。目前，虽然国际上正积 极开展i m t - a d v a n c e d 技术的预研工作，但是，对究竟采用什么样的技术才能达到 预定目标方面，各个国家都还没有一个明确的认识。作为一项重要的概念创新， 基于q o s 的无线网络跨层自适应传输技术无疑为新一代无线通信网络结构的研究 提供了众多的机遇和挑战。这些机遇和挑战集中体现在这种全新网络结构中物理 层和高层的紧密作用与相互影响上。 1 1 研究背景 在无线通信系统的研发中，信号处理一直发挥着关键的作用。随着对通信系 统高容量和高可靠性需求的增加，信号处理技术显得日益重要，而信号处理中的 估计和预测技术的作用更加突出。众所周知，信道状态信息是信号处理中不可缺 少的信息，但是由于信道的时变特性使得系统很难获得准确和实时的信道状态信 9 山东大学博士学位论文 息，因此信道的时变特性是提高无线通信系统容量和可靠性的主要障碍。为此， 快速实时的信道估计与均衡便成为有效的通信系统中必不可少的信号处理技术。 与此同时，对通信系统的研发也越来越多地由理想状况下的理论分析转入非理想 信道信息状况下的系统性能分析，信道的估计和均衡技术的作用和地位己不可忽 略。 信号的统计检测与估计理论是在第二次世界大战期间由于战争对雷达与声纳 技术的需求而逐步形成与发展起来的。其理论基础是信息论，所采用的数学工具 是概率论、随机过程以及数理统计，它是现代通信、雷达、声纳以及自动控制技 术的理论基础，存模式识别、射电天文学、遥感遥测、资源探测、天气预报、精 神及生物物理学、系统辨识乃至医学及社会等领域中得到广泛应用。检测与估计 理论可以分为检测理论与估计理论两大部分，而估计理论又可分为参量估计与波 形估计两部分。波形估计称为滤波理论，比如w i e n e r 滤波理论及k a l m a n 滤波理 论等。参量估计指当噪声或干扰过程可以用有限个实参数所描述时的估计问题， 例如当噪声或干扰是一个已知功率谱密度( 或协方差函数) 的平稳高斯过程时的 估计问题，主要应用于通信、雷达及声纳等实际场合。参量估计又称最佳估计， 是以噪声或干扰的统计特性完全确知为基础的，估计也不仅仅局限于对现实参量 的估值，也可以对其历史甚至未来进行估值。总之，许多实际问题要求我们精确 估计信号的参量，然而信号不可避免地受到噪声与干扰的破坏，所以就其性质来 说是随机的，而我们所能得到的只能是对信号参量的在某种最佳意义上的估计， 信道状态信息的估计是参量估计的一种。 同时，移动通信的研究要兼顾有效性和可靠性的目标，在有效性方面，链路 自适应是一种可以有效提高系统频带利用率的技术，“自适应”的基本思想是根据 信道状态的优劣动态地调整系统参数，为提高传输的有效性，充分调动时、频、 空等方面的各种资源并实现资源的优化分配。自适应技术近年来被广泛应用于无 线通信系统中，其不仅被应用于物理层的研究，而且越来越多地被应用于跨层设 计中。显然，在自适应技术中，起关键性作用的是信道状态信息的估计和预测精 度。 为此，本文将以信道估计算法为基础，着眼于信道估计对通信系统影响的研 究，分析和研究在非理想信道状态信息( c s i ) 的条件下通信系统的性能，并提出 1 0 山东大学博士学位论文 相应的估计设计方案。主要内容涉及无线移动通信环境、信道建模、信道的空间 相关性、信道估计中的算法，如最小二乘算法( l s ) 、最大似然算法( m l ) 和最 小均方误差算法( m m s e ) 等。在此基础上，研究了典型通信系统，如o f d m 系 统中的信道估计方法，以及最小均方误差估计在a m c 系统和跨层设计中的应用及 其对系统性能的影响。此外，通信系统中最常用也是最有效的信道估计技术是导 频辅助调制技术( p s a m ) ，因此本文还重点研究了导频辅助技术在未来移动通信 系统中的优化问题。 以下将简要介绍一下与本论文相关的一些技术背景和研究现状，包括移动通 信环境、o f d m 技术、链路自适应技术以及跨层技术等。 1 2 无线移动信道 研究移动通信系统必须首先了解无线移动传播环境的特性。移动通信必须利 用无线电波进行传输，电波不仅会随着传播距离的增加而发生弥散损耗，而且会 受到地形、建筑物的遮蔽而发生“阴影效应”。信号经过反射、折射和绕射的影响 会经历各种不同的衰落，此外，由于运动的影响，信号会产生多普勒频移、产生 随机调频，而且会使电波的传播特性发生快速的变化。因此，对无线移动传播环 境建立正确的信道模型在无线移动通信领域就显得至关重要。目前，关于信道建 模已有相当成熟的理论，早在1 9 9 6 年欧洲就成立了各种研究小组致力于无线移动 信道的研究，例如c o s t 、r a c ec o d i t 、r a c ea t d m a 等等。1 9 8 9 年的c o s t 2 0 7 模型确定了一系列无线环境的多径参数，该模型通过大量试验测试评估了不同环 境，例如城区、郊区、山区等无线环境参数，具有很好的仿真参考价值。c o s t 2 0 7 为g s m 系统的研发提供了很好的参考模型：之后。c o s t 2 3 1 对c o s t 2 0 7 进行了 扩展，使其为第二代、第三代移动通信系统的研究提供了可靠的信道平台：此外， c o s t 2 5 9 也为灵活的个人无线通信系统提供了所需信道模型。目前，研究的热点 集中在m i m o 信道的建模和研究上，而研究的核心还是m i m o 信道的空间相关性 问题。m i m o 信道中最常见的两类信道模型是o n e r i n g 模型和椭圆模型。利用空 间技术就要掌握m i m o 信道的空间特性，因此空间失量信道的研究、建模和仿真 受到越来越多的重视。 山东大学博士学位论文 1 3o f d m 技术 1 3 1o f d m 的发展历史 美国军方在2 0 世纪五六十年代创建了世界上第一个多载波调制( m c m ) 系 统，在1 9 7 0 年衍生出了采用大规模子载波和频率重叠技术的o f d m 系统。由于 o f d m 的实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接收机震荡器的稳定性以及射 频功率放大器的线性要求等因素使得o f d m 技术在以后相当长的一段时间里的发 展脚步放缓了。2 0 世纪8 0 年代，大规模集成电路让快速傅立叶变换( f f t ) 技术 的实现不再是难以逾越的障碍，一些其它难以实现的困难也都得到了解决，自此， o f d m 走上了通信的舞台，逐步迈入高速m o d e m 和数字移动通信的领域。2 0 世 纪9 0 年代，o f d m 开始被欧洲和澳大利亚广泛应用于广播信道的宽带数据通信， 数字音频广播( d a b ) 、高清晰度数字电视( h d t v ) 和无线局域网( w l a n ) 。随 着d s p 芯片技术的发展，格栅编码技术、软判决技术、信道自适应技术等相对成 熟技术的应用，o f d m 技术的实现和完善指日可待。在新一代w l a n 技术标准如 美国的i e e e8 0 2 1 1 a 和欧洲e t s i 的h i p e r l a n 2 中，均采用了o f d m 技术。i e e e 8 0 2 1 l a 工作在5 g h z 频带，采用o f d m 调制技术，速率可达5 4m b i t s 。除了无线 局域网标准外，o f d m 还在宽带无线接入( b w a ) 中得到应用，所谓宽带是指速 率高于1 0 m b i t s 的传输系统，宽带无线接入系统是针对微波及毫米波段中新的空 中接口标准，b w a 的标准i e e e8 0 2 1 6 a ，物理层采用了o f d m 技术。在b w a 领 域，还形成了一些各具特色的专利技术，如c i s c o 和l o s p a n 公司的v e c t o ro f d m ( v o f d m ) ，w i l a n 公司的w i d e b a n do f d m ( w o f d m ) ，f i a r i o i l 公司的 f l a s h o f d m 等。 1 3 2o f d m 中的关键技术 o f d m 的主要思想是在频域内将给定信道分成许多正交的子信道，在每个子 信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道 具有频率选择性，但是单个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带 传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。 由于在o f d m 系统中各个子信道的