（通信与信息系统专业论文）无线ofdm系统训练序列设计与频偏估计技术研究.pdf

摘要 摘要 止交频分复用技术和多输入多输出技术都是新代移动通信系统中的关键 技术。二省相结合可以得到m i m o o f d m 系统，它能提供更好的传输质量、更高 的数据速率，具有更为广阔的应用前景。但是，o f d m 系统对载波频偏很敏感， 很小的载波频偏都将导致o f d m 接收机性能的显著下降。因此，准确的载波频偏 估训是o f d m 系统正常t 作的前提。奉论文对o f d m 系统中的载波频偏估训及 相应的训练序列设计技术做了深入的研究；其主要工作和创新之处在于： 首先从单天线o f d m 系统中的训练序列设计与频偏估计问题入手，提出通 过具有良好件质的c h u 序列来生成频偏估计训练序列，并构造了一种全新的频域 i j i l 练序列结构。进而从理论上详细分析了该种新结构：将峰均功率比问题引入 频偏估计训练序列设计领域，并研究出一种低计算复杂度且能显著降低训练序 列峰均功率比的新方法。从最大似然估计理论出发，充分利用训练序列中高能 量导频不等间距的结构特点，设计了针对该结构特点的频偏估计查找表。显著降 低了整数频偏估计的复杂度；利用训练序列中e h c h u 序列生成的等间距导频，实 现高精度小数频偏估计。理论上分析出采用c h u 序列在对抗无线信道多径效应方 面的显著优势。通过广泛全面的计算机仿真，验证了所提出训练序列、序列结构 及频偏估计算法的有效性、可靠性。 随f 舌，将单天线o f d m 系统中的u i i 练序歹哇设计与频偏估计问题扩展到更具 挑战性的m i m o o f d m 系统中，对频率选择性衰落信道中适下m i m 0 o f d m 频 偏估计的训练序列做了深入的探讨，研究小基于c h u 序列来设计m i m o o f d m 频 域训练序列的新方法利用序列结构信息、循环矩阵的分解、变量乘积的分解、 矩阵秩的性质，首次从理论上系统全面地分析出m i m o o f d m 系统基于训练序 列的频偏估计一致件问题。与该种序列及结构相适应。提出首先估计整数频偏 然后估计小数频偏，并从理论上分析山将频偏分为整数频偏与小数频偏分别进 行估计的a j 靠性，从而为该种低复杂度频偏估计实现方案找到了理论依据进 而得到了两个p i l 练序列设计准则；利用训练序列的结构特点，将小数频偏估计 与u i a 中的d o a 估计联系起来，进一步利用所设计的几何映射及相应矩阵的列 东南大学博i 学协论义 共轭对称属性将相应的复系数多项式转换为文系数多项式进而分析山小数频 偏町通过相应实系数多项式方程的根而估计出来；推导山频偏估计的c r b ，进 而得到频偏估计的e m c b 界，从而评估了相应频偏估计算法的性能。 最后，根据上述m i m o o f d m 频域训练序列，深入地分析了m d d o o f d m 系 统中基于多项式建模的频偏估计问题进而研究出两种简化的m i m o o f d m 频 偏估计算法。设计训练序列使其结构满足适当的条件，根据相应矩阵 j 1 匀h e r m i t i a n 属性和实对称属性，分析出代价函数多项式方程根的成对性进 而分析出整数频偏与小数频偏可同时通过直接多项式求根方法估计出来；通过 对导数多项式求根方法与直接多项式求根方法的深入分析揭示出二者在仙计 上的等效性以及后者在实现上的优越性，从而突破了新近文献中的常规看法。从 多元统计分析理论出发利用训练序列的良好相关属性。对代价遁数多项式的 阶导数进行因子分解，进一步利用v a n d e r m o n d e 矩阵秩的性质，从理论上分析出 通过多项式因子可实现低复杂度频偏估计；通过必要的假设和近似，推导出该 简化算法关于频偏估计的均方差，进而得到了对该算法的参数进行优化的方法， 从而实现高精度频偏估计。计算机仿真结果很好地验证了理论分析结果。 关键词：无线通信系统j e 交频分复用。多输入多输出，频率选择性衰落信道 频域训练序列，频偏估计 u a b s t r a i ：t a b s t r a c t b o t ho 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 ) a n dm u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) a r et h ek e yt e c h n i q u e si nn e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i nc o m p a r i s o nw i t hs i n g l e a n t e n n ao f d m s y s t e m s m u l t i p l e - a n t e n n a o f d m s y s t e m sc a np r o v i d eb e t t e rt r a n s m i s s i o nq u a l i t ya n dh i g h e rd a t ar a t e h o w e v er b o t hs i n g l e - a n t e n n aa n dm u l t i p l e a n t e n n ao f d m s y s t e m sa l ev e r ys e n s i t i v et oc a r r i e r f r e q u e n c yo f f s e t ( c f o ) a n de v e nv e r yl i t t l ee r em a yo b v i o u s l yd e g r a d et h er e c e i v e r p e r f o r m a n c e a c c u r a t ec f o e s t i m a t i o ni st h e r e f o r ev e r yi m p o r t a n ti no r d e rt or e a l i z e t h es i g n i f i c a n ta d v a n t a g e so f o f d ms y s t e m s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h et r a i n i n gs e q u e n c e d e s i g na n dc f oe s t i m a t i o nt e c h n i q u e si no f d ms y s t e m sa r ei n v e s t i g a t e d t h em a i n c o n t r i b u t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na ms h o w na sf o i l o w s ： f i r s t l y t h et r a i n i n gs e q u e n c ed e s i g na n dc f oe s t i m a t i o ni ns i n g l e - a n t e n n ao f d m s y s t e m sa r ei n v e s t i g a t e d t h ec h us e q u e n c ew i t hg o o dp r o p e r t yi su t i l i z e d t oc o n s t r u c t t h ef r e q u e n c yd o m a i nt r a i n i n gs e q u e n c e t h en e wt r a i n i n gs t r u c t u r ei sf u r t h e rp r o p o s e d a n da n a l y z e d i n d e t a i l ，t h e 胪a i ( - t o a v e r a g e p o w e r r a t i o ( p a p r ) p r o b l e m o f t h e t r a i n i n g s e q u e n c ei sa l s od i s c u s s e d a n dal o wc o m p l e x i t ym e t h o dw h i c hc a nd e c r e a s et h ep a p r o ft h et r a i n i n gs e q u e n c eg r e a t l yi sp r o p o s e d b ye x p l o i t i n gt h ed i s t i n c t i v e l ys p a c e d p i l o tt o n e sw i t hh i g he n e r g y ，i n t e g e rc f o i se s t i m a t e dt h r o u g ht h ep r e d e f i n e dl o o k u p t a b l ew i t hg r e a tc o m p l e x i t yr e d u c t i o n ，b ye x p l o i t i n gt h eu n i f o r m l ys p a c e dp i l o tt o n e s g e n e r a t e df r o mt h ec h us e q u e n c e ，f r a c t i o n a lc f oi se s t i m a t e dt h r o l l g ht h eb e s tl i n e a r u n b i a s e de s t i m a t i o np r i n c i p l ew i t hh i g ha c c u r a c y a n a l y t i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e t r a i n i n gs e q u e n c eg e n e r a t e df r o mt h ec h us e q u e n c ec a l lc o m b a tt h em u t t i p a t he f f e c t o fw i r e l e s sc h a n n e l st oag r e a te x t e n t c o m p r e h e n s i v es i m u l a t i o nr e s u l t sv e i l f yt h e e f f e c t i v i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ep r o p o s e dt r a i n i n gs e q u e n c e 。t h et r a i n i n gs t r u c t u r ea n d t h ec f oe s t i m a t i o na l g o r i t h m s e c o n d l y ，t h em o r ec h a l l e n g i n gt r a i n i n gs e q u e n c ed e s i g na n dc f oe s t i m a t i o ni n m i m e o f d ms y s t e m sa r ei n v e s t i g a t e d ，t h et r a i n i n gs t r u c t u r ew h i c hi ss u i t a b l ef o r t i t 东南大学博i 学付论史 c f oe s t i m a t i o ni nm i m 0f r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l si sc o n s t r u c t e dan e w m e t h o dt og e n e r a t et h et r a i n i n gs e q u e n c e sf r o mt h ec h us e q u e n c ei sp r o p o s e d w i t ht h e p r o p o s e dt r a i n i n gs e q u e n c e s 。t h ee s t i m a t i o ni d e n t i l i a b i l i t yp r o b l e mi nm i m o - o f d m s y s t e m si sa n a l y z e di nd e t a i lb yu t i l i z e dt h et r a i n i n gs t r u c t u r e ，t h ed e c o m p o s i t i o no ft h e c y c l i cm a t r i x t h ed e c o m p o s i t i o no ft h ep r o d u c to ft h ev a r i a b l e sa n dt h er a n kp r o p e r t y o ft h em a t r i x b yt h ea i do ft h et r a i n i n gs e q u e n c e sa n dt h et r a i n i n gs t r u c t u r e ，i ti sp r o p o s e d t of i r s te s t i m a t ei n t e g e rc f oa n dt h e nf r a c t i o n a lc f o a n a l y t i c a lr e s u l t ss h o wt h e r e l i a b i l i t yo ft h et w o s t e pe s t i m a t i o na p p r o a c h ，w h i c hi nt u r ne s t a b l i s h e st h et h e o r e t i - c a lb a s i so ft h el o wc o m p l e x i t ya p p r o a c h t w ot r a i n i n gs e q u e n c ed e s i g np r i n c i p l e sa r e t h e no b t a i n e d b ye x p l o i t i n gt h ep e r i o d i cp r o p e r t yo ft h et r a i n i n gs t r u c t u r e ，f r a c t i o n a l c f oe s t i m a r i o ni sr e l a t e dt od i r e c t i o no fa r r i v a l ( d o a ) e s t i m a t i o ni nu n i f o i t ni i n e a r a r r a y s ( u l a ) t h eg e o m e t r i cm a p p i n ga n dt h ec o l u m nc o n j u g a t es y m m e t r i cp r o p e r t y o ft h ec o r r e s p o n d i n gm a t r i xa r ef u r t h e re x p l o i t e dt ot r a n s f o r mt h ec o m p l e xp o l y n o m i a l c o r r e s p o n d i n gt of r a c t i o n a lc f oe s t i m a t i o ni n t oar e a lp o l y n o m i a l f r a c t i o n a lc f o i st h e ne s t i m a t e df r o mt h er o o t so ft h ec o r r e s p o n d i n gr e a lp o l y n o m i a le q u a t i o n t h e c r a m e r - r a ob o u n d ( c r b ) o ft h ec f oe s t i m a t i o ni sd e d v e d ，a n dt 1 1 ee m c bi st h e n o b t a i n e da n du t i l i z e dt oe v a l u a t et l l ee s t i m a t i o np e r f o r m a n c e f i n a l l y ，b a s e do nt h ea b o v ef r e q u e n c yd o m a i nt r a i n i n gs e q u e n c e s ，t h ep o l y n o m i a l b a s e dc f oe s t i m a t i o ni nm i m o o f d ms y s t e m si sf u r t h e ri n v e s t i g a t e d a n dt w os i m - p l i f i e dc f oe s t i m a t i o na l g o r i t h m sa r ep r o p o s e d b yd e s i g n i n gt h et r a i n i n gs e q u e n c e s t om e e tc e r t a i nc o n d i t i o na n da n a l y z i n gt h er o o t d i s t r i b u t i o no ft h ep o l y n o m i a le q u a t i o n sc o r r e s p o n d i n gt ot h ec o s tf u n c t i o n ，i ti sp r o p o s e dt oe s t i m a t eb o t hi n t e g e rc f o a n df r a c t i o n a lc f o t h r o u g ht h ed i r e c tp o l y n o m i a lr o o t i n ga p p r o a c h a n a l y t i c a lr e s u l t s r e v e a lt h a tt h ed e r i v a t i v ep o l y n o m i a lr o o t i n ga p p r o a c hi se q u i v a l e n tt ot h ed i r e c to n ei n e s t i m a t i o na n dt h el a t t e ri ss u p e r i o rt ot h ef o r m e ri nc o m p l e x i t y ，w h i c hc o r r e c tt h ev i e w p o i n t si nt h er e c e n tp a p e r b ye x p l o i t i n gt h eg o o dc o r r e l a t i o np r o p e r t yo ft h et r a i n i n g s e q u e n c e s ，t h ep o l y n o m i a lc o r r e s p o n d i n gt ot h ef i r s t o r d e rd e r i v a t i v eo f t h ec o s tf u n c t i o ni sf a c t o r - d e c o m p o s e d 。t h ec f oi st h e ne s t i m a t e df r o mt h ep o l y n o m i a lf a c t o rw i t h l o wc o m p l e x i t yb yu t i l i z i n gt h er a n kp r o p e r t yo ft h ev a n d e r m o n d em a t r i x t h em e a n s q u a r ee r r o ro ft h ec f o e s t i m a t i o ni sd e r i v e da n df u r t h e re m p l o y e dt oo p t i m i z et h ed a a b s t r a c t r a m e t c r o ft h es i m p l i f i e da l g o r i t h mf o rah i g h e re s t i m a t i o na c c u r a c y s i m u l a t i o nr e s u l t s a g r e ew e l lw i t ha n a l y t i c a lr e s u l t s k e yw o r d s ：w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m s ，o f d m 。m i m o 。f r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l f r e q u e n c yd o m a i nt r a i n i n gs e q u e n c e 。f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n v 竹号说聊 符号说明 向量、矢量或矩阵的共轭 矢晕或矩阵的转置 矢量或矩阵的共轭转置 模p 运算 取实部运算 取虚部运算 反余切运算 取向量的辅角运算 取符号运算，且s i g n ( o ) = 1 期望运算 k r o n c c k e r 乘积 s c h u r - h a d a m a r d 乘积 e u c l i d e a n 范数 离z 最近的整数 矢量z 的第m 个元素 矢量z 循耶向下移m 位所得到的矢量 以矢量z 的元素为对角元素的对角矩阵 矩阵x 的第m 行第n 列的元素 ” m 蛳刚 酬埘 酬咐 p 。 m 圳 她陬 东南大学博i 学竹论义 t r ( x ) r a n k ( x ) d e t ( x ) 1 0 0 0 0 p 。q j o 碌 l n ， 已知 i n x n i 矩阵x 的迹 矩阵x 的秩 方阵x 的行列式 0 1 全l 矢量 0 1 全o 矢量 px q 全0 矩阵 反对角线上元素全音i j 为1 的q q 交换矩阵 nxn 归一化) f t 矩阵 n n 单位阵 矩阵j k 的第k 个列矢量 矩阵h 的第k 个列矢量 矩阵j 的最后列所组成的矩阵 英义缩略语 a w g n b e r b l u e b 3 g c a z a c c f o c p c r b d a d f t d o a e m c b e s p r i t f c e f c f 0 f d m f f r f i m 英文缩略语 a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e b i l e r c 叮r a l e b e s tl i n e a ru n b i a s e de s t i m a t i o n b e y o n d3 r d g e n e r a t i o n c o n s t a n ta m p l i t u d ea n dz e r oa u t o - c o r r e l a t i o n c a r d e rf r e q u e n c yo f f s e t c y c l i cp r e f i x c t a m e r r a ob o o n d d a t aa i d e d d i s c r e t ef o u r i e rt m n s f o m d i r e c t i o no fa m v a l e x t e n d e dm i l l e ra n dc h a n gb o u n d e s t i m a t i o no fs i g n a lp a r a m e t e r sr o t a t i o n a li n v a r i a n c et e c h n i q u e s f r a c l i o n a lc f oe s t i m a t o r f r a c t i o n a lc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t f 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 f a s tf o u r i e rt r a n s f o l l n f i s h e r i n f o r m a t i o nm a t r i x 尔南大学博i 学付论义 f u t u r ef u t u r et e c h n o l o g i e sf o rau n i v e r s a lr a d i oe n v i r o n m e n t i c e l c f o i c i i d f t i r 可 i i d i s i m a i m i m o m l m m s e m u s i c n d a n l s o f d m p a p r r p c r s s i n r i n t e g e rc f o e s t i m a t o r i n t e g e rc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e r r r a n s f o r i l l i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a r t s f o r m i n d e p e n d e n t l ya n di d e n t i c a l l yd i s t r i b u t e d i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e m u l t i a n t e n n ai n t e r f e r e n c e m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m a x i m u ml i k e l i h o o d m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r m u l t i p l es i g n a lc l a s s i f i c a t i o n n o n d a t aa i d e d n o n l i n e a rl e a s ts q u a r e 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 p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o r e p e a t e dp h a s e r o t a t e dc h u r a n d o ms e q u e n c e s s i g n a l - t o i n m r f e r e n c e p l u s - n o i s er a t i o x l v 英上缩略语 s i s o s n r u l a z a c z c z 3 g s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t s i g n a l t o n o i s er a t i o u n i f o r ml i n e a ra r r a y s z e r o c o r r e l a t i o nz o n e 3 r d g e n e r a t i o n x v 插图索； 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 罔2 5 图2 6 图2 7 罔2 8 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 ，9 图3 1 0 图3 1 i 图3 1 2 图3 1 3 罔4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 插图索引 基带等效离散时间o f d m 系统模型8 o f d m 系统信噪比损失随载波频偏变化情况1 2 两段式_ l 吉】期重复时域训练序列结构图，1 5 多段式周期重复时域训练序列结构图，1 6 i 明治式周期重复时域训练序列结构图1 6 扩展三明治武周期重复剐域训练序列结构图1 6 零导频频域训练序列结构图1 7 非零导频频域训练序列结构罔1 8 s l s o o f d m 频偏估计模型框图2 1 频域训练序列结构图2 2 基于频域训练序列的整数频偏估计算法示意图。2 9 f b e 与l n e 算法复杂度比较3 5 p a p r 随i 变化情况，3 5 信道a ：概率足随n o 变化情况3 6 信道b ：概率p c 随d 变化情况3 6 信道a ：平均频偏误差随o t 变化情况3 7 信道b ：平均频偏误差随。变化情况，3 7 信道a ：均力误差随e ，0 变化情况3 8 信道b ：均方误差随e 0 变化情况3 8 信道a ：t u r b o 编码s i s o o f d m 系统的b e r 性能比较，3 9 信道b ：t u r b o 编码s i s o o f d m 系统的b e r 性能比较3 9 m 蹦0 o f d m 系统模型，4 3 【 彳( m ，一( 。) h 、i 【 彳( 一，一”( ，) h l 与( ( 一7 一”( ；) 随r ( 厶) 变化情况5 3 频偏估计性能随不同训练序列变化情况 频偏估计性能随不同a 值变化情况 频偏估计性能随不同发送天线的数目变化情况 x v l 】 5 4 6 4 6 5 东南大学博j 学付论文 图4 6频偏估计件能随不同接收天线的数日变化情况6 5 图5 1复系数多项式求根频偏估计算法的性能比较，8 3 图5 2实系数多项式求根频偏估计算法的件能比较8 3 图5 3频偏估计算法a 在低信噪比时的估计性能，8 4 图5 4 频偏估计算法d 的估计性能随q 值变化情况( i 。 笛= 3 ，5 ，l l ) 8 4 图5 5 频偏估计算法d 的估计性能随q 值变化情况( z u 笛1 ：一 3 ，7 ，1 4 ) ) 8 5 图5 6频偏估计算法d 与其他频偏估计算法的性能比较8 5 x v l l l 表格素j 表格索弓 表3 i 频偏f 计查找表 表3 2 f b e 与l n e 算法复杂度比较 x 1 x 2 8 3 2 东南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 含为获得东南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：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、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) 授权东南大 学研究生院办理。 研究，j ，签名导师签名 r 期 第1 章绪论 第1 章绪论 现代社会已步入信息时代，人类社会生活对通信的需求越来越高，世界各 国都在致力于现代通信技术的研究与开发。移动通信是现代通信系统不可缺少 的重要组成部分。目前移动通信已从模拟通信发展到了数字通信阶段，并且正 朝着个人通信这一更高阶段发展。未来移动通信的目标是任何人能在任何时州、 任何地点以任何方式与任何人( 简称5 a ) i i l 进行快速可靠的通信。 1 1 论文研究背景 现代移动通信技术的蓬勃发展始于2 0 世纪8 0 年代中期，从当时第代模拟 移动通信系统商用开始至今短短的几十年时间经历t 2 0 世纪9 0 年代初第二代 数字移动通信系统扶萌芽到完善的整个发展过程，直到今天人们对第三代移动 通信系统( 3 g ，3 r d g e n e r a t i o n ) 的商用开发。移动通信的发展潜力巨大，它已经越 来越广泛地渗透进人们的日常生活。成为我国乃至世界上各国主要的高新技术 支柱产业之一。人们对移动通信的各种需求和要求与日俱增，是推动移动通信飞 速发展的主要原冈之一，而技术的发展则从本质上构成了移动通信发展的基石。 第一代移动通信系统采用模拟调频技术，且局限于语音业务；其通信质量 差、用户容量小、价格高、业务单一。难以适应社会的需求。与第一代移动通信 系统相比，第二代移动通信系统中采用了更多的数字信号处理技术，其主要业 务包括数字移动电话和低速率数据业务：它较好地满足了人们对语音的需求， 凶此在世界范围内得以广泛应用，成为了人们生活当中不可缺少的通信手段 之。3 g 的设计 j 标足实现1 4 4 k b p s 的牟载通信速率、3 8 4 k b p s 的步行通信速率 和2 m b p s 的室内通信速率。在业务卜更j j u 重视移动多媒体业务，语音业务占的比 重越来越小。目前3 g 正在仝球范围内逐步推向市场。尽管第三代移动通信的目 的是提供一个具有多媒体接入能力的无线接入手段，但目前3 g 所能提供的通信 特宽爿一不能满足人们不断增长的需求，存用户容量上也存存着很大的不足。 进入2 l 世纪后，人们更加迫切期望新一代移动通信系统能够支持高速数 据和各种多媒体q k 务具有足够的系统容量、高保密性和高服务质量，能够 尔南大学礴l 学付论义 真正意义上实现5 a 通信。在技术和市场的双轮驱动卜| ，新代移动通信系统 的研究以及标准化已被提上只程。目前，超三代( b 3 g ，b e y o n d3 g ) 移动通信 研究己成为国际性的研究热点。美国高通、德国西门子、韩国i 星、e t r i 和r 本卜丌厂rd o c o m o 等国际知名企业和研究机构都开展了对b 3 g 技术的研究。为改 变我国通信产业发展长期处于被动跟踪的局面，继我国第三代移动通信研究开 发取得巨大进展之后，我国于2 0 0 1 年底制定并启动了未来移动与无线通信发展 的f u t u r e ( f u t u r et e c h n o l o g i e sf o rau n i v e r s a lr a d i oe n v i r o n m e n t ) 计划f 2 1 其丰h 应 的b 3 g 研究工作也已经正式列入国家“十一五”8 6 3 计划和具有较高学术水平的 国家自然科学基金项目。 甘前，对b 3 g 未) k 移动通信系统土要存在以下几点共识：支持全f p 高速分组 数据传输，数据速率为数十兆b p s 甚至数百k b p s ；支持高的终端移动性。移动速 度高达每小时几百公里：支持高的传输质量数据业务的误码率低于1 0 6 ；提供 高的频谱利用率，高达每赫兹1 0 比特；提高功率效率，发射功率降低1 0 d b 以上； 有效支持在用户数据速率、用户容量、服务质量和移动速度等方而大动态范围 的变化1 2 - 5 1 。 为满足上述需求，b 3 g 未来移动通信系统需要在删络体系和系统架构等力 面具有全新的面貌，在信号处理关键技术和理论研究方面也要有所突破。 1 2 论文研究内容 未来移动通信系统迫切需要采用更加先进的信号处理技术提高频谱利用 率、提高传输速率和系统容量。在此背景下，具有较高频谱利用率的技术成为 新一代移动通信系统研究中的关键技术，其中较为重要的有o f d m ( o r t h o g o n a l f 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 ) 多载波技术和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 ) 多人线技术1 6 i 。 o f d m 是一种高频谱利j j 率的并行传输技术，兑思想是使川多个并行的子 载波传输数据，并使相邻子载波间隔等于一个子载波的带宽，子载波之问相互正 交1 7 - 1 0 1 。在理想情况下，接收端可以利用子载波之间的正交件互不十扰地对各 子载波进行解调。o f d m 技术的一个最人优势就是对抗多径衰落。由于整个传输 带宽被分成多个窄带的子载波因而每个子载波内信号可视为平坦衰落的。其 2 第1 章绍论 实，这种并行传输的概念最早出现在2 0 世纪6 0 年代中；c i i 的文献中l ，这方面更 早期的研究可追溯皇j j 2 0 世纪5 0 年代旧1 3 i 。在o f d m 技术n 勺发展过程中，有两次e 跃性的发襞：第 次弋跃出现在1 9 7 1 年。w e i n s t e i n 和e b e r t 提出使用离散傅里叶 变换来实现多载波笨带的调制和解调l “而第二次飞跃是p e l e d 和r u i n 在1 9 8 0 年 提m 的采用循环前缀( c rc y c l i cp r e f i x ) 来做保护间隔，以保证各子载波信号在 经过色散信道后仍保持正交f 皓l 。这两次改进使o f d m 成为一项可实现的技术： 前者使得多载波调制解调的实际赢用得到极大简化。后者砸1 j 实现了利用循环卷 积方便在频域进行信道均衡等各种数字信号处理。 m i m o 多天线技术大体町以分为三类：波束成型技术、空间分集技术和空间 复用技术0 6 1 。波束成型技术是根据电磁波理论，利用天线阵元之闻的相关件- 来 产生对准期望用户的波束，抑制其他方向干扰达到改善信干噪比的目的。而 通常说的m i m o $ 0 力求天线阵元之间不相关，利用相互独立的多通道系统从而 有效挟得宁问分集增益和空间复用增益，达到改善系统性能、提高频谱效率的 目的。起初的多天线系统只是集中在基站放置多根天线，利用波束成型或者发 送分集来改善系统信噪比性能。1 9 9 5 年t e l a t a r 首次将香农信道容量扩展到多 灭线系统，提出收发都采用空间复用方式的多天线系统可在不增加带宽和发送 功率的前提f 使系统容量线性增长，理论上证明了多人线技术通过引入空问资 源来提高信息传输效率的大能力i 1 8 1 ：随后，f o s c h i n i 也给出了类似的理论结 果9 i 。n ：时白j 资源和频率资源利用几乎达到饱和的情况f 。这种方式开辟了 。块新的人地：从定角度讲，空间瓷源与时间资源、频率资源相比几乎拥有 无限可发掘能力。姒尔实验章在2 0 世纪9 0 年代中后期一系列研究成果的出台。 对m i m o 多天线技术的研究起了很大的推动作用，开创了无线通信的一场新的 技术革命1 8 - 2 3 1 。 o f d m 由于具有频谱效率高，抗频率选择性衰落和窄带干扰的优点，非 常适合存无线通信信道传输，也是当前新一代移动通信系统中采用的主流技 术。m i m o 和o f d m 技术的结合能提供更大的频谱效率、更高的数据速率；在 当前频谱资源越来越紧张、对数据速率要求越来越高的形势下，m i m o o f d m 具 有更为广阔的应用前景f 2 4 郐1 。但是s i s o o f d m 和m i m o o f d m 都有一个，k 同的 缺点对同步误差尤其是载波频偏( c f o ，c a r d e rf r e q u e n c yo f f s e t ) 非常敏感，只占 子载波间隔一小部分