（电子科学与技术专业论文）高速移动ofdm系统信道估计研究.pdf

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的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了论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，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：咝日期：翌! 兰年月盟日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论 文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复 印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将 本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提 供信息服务。 作者签名叁型堡! 堑哿师签名趟, , , j7 日期：世年月丝日 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 o f d m ( 正交频分复用) 具有频谱利用率高、抗衰落能力强等优 点，被认为是下一代移动通信的关键技术之一，并将应用到高铁等高 速移动通信环境。在高速移动环境下，信道变成了快时变的频率选择 性衰落信道。因信道时变性产生的多普勒频移在严重影响o f d m 系 统性能的同时会破坏o f d m 系统子载波间的正交性并带来了严重的 载波间干扰。载波间干扰将严重地影响信道估计的准确性进而导致 o f d m 系统性能急剧下降，因此如何在高速移动环境下准确地进行信 道估计是o f d m 系统亟需解决的关键性难题之一。 本文主要对高速移动环境下o f d m 系统的信道估计展开研究。 首先分析o f d m 技术原理，给出o f d m 的基带系统模型。通过研究 无线信道的物理传播特征与统计特征，分析了无线信道的大小尺度衰 落特征。重点分析了因信道时变性产生的载波间干扰并建立适用于高 速环境的无线信道模型。研究o f d m 的信道估计方法，重点就信道 估计的导频结构、信道估计准则等展开研究并仿真分析。在此基础上， 针对高速o f d m 系统信道的快时变特性，本文提出了一种基于q r 矩阵分解算法的低复杂度迭代信道估计方法。该方法将检测到的数据 符号作为新的导频符号反馈到信道估计模块以提高信道估计精度，同 时引入了一个加权因子以减少原始导频符号带来的传播误差。在迭代 估计过程中，利用q r 矩阵分解算法对导频符号矩阵进行分解，降低 了导频符号矩阵的维数从而大大降低了迭代计算的复杂度。仿真结果 表明，相比于传统的迭代信道估计方法，该方法迭代收敛更快。在归 一化多普勒频移达到o 1 时，与传统信道估计方法相比，该方法的 b e r 性能具有2 3 d b 的s n r 性能提升。 关键词正交频分复用，时变信道，子载波间干扰，迭代信道估计 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t o f d mi sb e c o m i n gw i d e l yu s e di nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sd u et o i t sh i g hb a n d w i d t he f j i c i e n c ya n dr o b u s t n e s sw i t hr e g a r dt om u l t i p a t h f a d i n gc h a n n e l i ti sc o n s i d e r e dt ob eo n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rn e x t g 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 n s ， w h i c h c a nb ea p p l i e di nh i 曲 m o b i l i t ys c e n a r i o s ，s u c ha sh i g h - s p e e dh i g h w a yc o m m u n i c a t i o n i nh i g h m o b i l i t yo f d ms y s t e m s 。w i r e l e s sc h a n n e lb e c o m e sf a s tt i m e - v a r i a n t f r e q u e n c ys e l e c t i v ec h a n n e l 刃陀d o p p l e rs p r e a dc a u s e db y t i m ev a r i a n c e w i l ls e v e r e l ya f f e c t 也ep e r f o r m a n c eo fo f d ms y s t e m ，a n da tt h es a m e t i m ed e s t r o yt h eo r t h o g o n a l i t yb e t w e e no f d ms u b c a r r i e r sw h i c hw i l l 1 c a dt oas e r i o u si n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e a n di c im a k e st h ec h a n n e l e s t i m a t i o nn ol o n ga c c u r a t e t h e r e f o r e ，c h a n n e le s t i m a t i o nb e c o m e sa c r i t i c a lp r o b l e mi nh i g hm o b i l i t y0 f d ms y s t e m s i nt h i sp a p e r , w em a i n l ys t u d yt h ec h a n n e le s t i m a t i o ni nh i g h m o b i l i t y0 f d ms y s t e m s f i r s t l y , w ea n a l y z et h ep r i n c i p a l s o fo f d m t e c h n o l o g i e sa n dp r o p o s et h eb a s e b a n ds y s t e mm o d e l t h e n ，w es t u d y t h e p h y s i c a la n ds t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew i r e l e s sc h a n n e l ，e s p e c i a l l y f o c u so na n a l y z i n gl a r g eo rs m a l ls c a l ef a d i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h e w i r e l e s sc h a n n e la n dt h ei c ic a u s e db yd o p p l e rs p r e a d ，a n de s t a b l i s ha w i r e l e s sc h a n n e lm o d e lf o rh i g hm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s c e n a r i o s s e c o n d l y , w es t u d yt h ec h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d si no f d ms y s t e m s ， e s p e c i a l l yr e s e a r c ho np i l o ts t r u c t u r e s ，c h a n n e le s t i m a t i o nc r i t e r i a f i n a l l y w ea n a l y z et h ec h a n n e le s t i m a t i o np e r f o r m a n c eb yc o m p u t e rs i m u l a t i o n s r e g a r d i n g t h ef a s tt i m e v a r i a n tf r e q u e n c ys e l e c t i v ec h a n n e lo fh i g h - s p e e d o f d m s y s t e m w ep r o p o s ea l o wc o m p l e x i t yi t e r a t i v ec h a n n e le s t i m a t i o n m e t h o db a s e do nq rm a t r i xd e c o m p o s i t i o na l g o r i t h m ) i nt h i sm e t h o d ，t h e d e t e c t e ds y m b o l sa r ef e e db a c ka sa d d i t i o n a lp i l o ts i g n a lt or e f i n ec h a n n e l e s t i m a t i o nr e s u l t s aq rm a t r i xd e c o m p o s i t i o nm e 血o di sp r o p o s e dt o i m p l e m e n ta l o wc o m p l e x i t yc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m ，a n daw e i g h t c o e f f i c i e n ti sp r o p o s e dt oi m i t a t et h ee r r o rp r o p a g a t i o nb r o u g h tb yt h e o r i g i n a lp i l o ts y m b o l s i nt h ei t e r a t i v ep r o c e s s i n g ，t h ep i l o ts y m b o l m a t r i x i sd e c o m p o s e db yu s i n gq rm a t r i xd e c o m p o s i t i o na l g o r i t h m t h u s ，t h e d i m e n s i o no fp i l o t s y m b o l m a t r i xi sr e d u c e d ，w h i c hm a k e st h e i i 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p u t a t i o ns i m p l e a st h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w , t h ep r o p o s e dc h a n n e l e s t i m a t i o nm e t h o dc o n v e r g e sf a s t e rt h a nc o n v e n t i o n a lc h a n n e le s t i m a t i o n m e t h o d s w h e nt h ed o p p l e rs p r e a dc o m e st oo 1 ，t h eb e rp e r f o r m a n c e o ft h ep r o p o s e dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mh a sag a i no f2 - 3 d bs n r f o rt h es a l l l eb e r ，n e a r l ya c h i e v et h ep e r f e c tc h a n n e le s t i m a t i o n k e yw o r d so f d m ，t i m e v a r y i n g c h a n n e l ，c h a n n e le s t i m a t i o n ， i n t e r - c a r r i e r - i n t e r f e r e n c e i i i 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录。i v 第一章绪论1 1 1 课题背景与研究意义1 1 2o f d m 技术概述2 1 3o f d m 系统优缺点2 1 40 f d m 系统信道估计研究现状与分析4 1 5 本文主要研究内容安排。6 第二章o f d m 技术原理与系统模型8 2 1o f d m 基本原理8 2 1 10 f d m 调制9 2 1 2o f d m 解调1 0 2 2 基于i d f t d f t 的o f d m 实现10 2 3o f d m 系统基带系统模型1 2 2 4 本章小结1 3 第三章无线信道特性与信道模型1 4 3 1 无线信道传播特性1 4 3 - 2 大尺度衰落1 5 3 - 3 小尺度衰落1 5 3 4 常用统计信道模型1 7 3 4 1 平坦衰落信道的克拉克模型1 7 3 4 2j a k e s 信道模型19 3 4 3 频率选择性衰落信道模型1 9 3 5 仿真结果与分析2 0 3 5 1 大尺度衰落仿真分析2 0 3 5 2 频率选择性衰落信道仿真分析2 1 3 6 本章小结2 3 第四章o f d m 系统信道估计研究2 4 4 1 信道估计的基本原理2 4 4 2 信道估计方法2 5 w 中南大学硕士学位论文 目录 4 3 基于导频辅助的信道估计方法2 6 4 , 3 i 基于块状导频的信道估计方法2 7 4 3 2 基于梳状导频的信道估计2 8 4 4 信道估计准则2 9 4 4 t 1 最小二乘估计( l s 、2 9 4 4 2 线性最小均方误差估计( l m m s e ) 3 0 4 4 3 基于奇异值分解的低复杂度的l m m s e 信道估计3 l 4 5 仿真结果与分析3 2 4 5 1 块状导频与梳状导频信道估计m s e 性能比较。3 2 4 5 - 2 梳状导频不同准则下的性能分析3 3 4 6 本章小结3 4 第五章高速移动o f d m 系统信道估计研究，3 5 5 1 高速移动o f d m 系统信道估计存在困难3 5 5 ，2 高速o f d m 系统因多普勒频移产生的i c l 分析3 5 5 , 2 ，1 多普勒频移的形成原因分析3 5 5 2 2 载波间干扰分析3 7 5 3 低复杂度的迭代信道估计方法3 8 5 3 1 导频位置信道信息的初次估计3 9 5 3 - 2 数据符号位置信道信息估计3 9 5 3 3 基于q r 算法的迭代信道估计4 0 5 4 仿真结果与分析4 l 5 5 本章小结4 3 第六章结论与展望4 4 6 i 本文工作总结4 4 6 2 下一步工作展望4 4 参考文献4 6 致谢5 1 硕士期间发表论文及成果一5 2 v 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景与研究意义 第一章绪论 随着信息技术的快速发展，通信对人类生活、学习及工作等各方面的作用越 来越重要，而人们对物质生活追求的提高也大大地刺激了通信产业的发展。受蜂 窝通信特别是移动互联网和智能终端迅猛发展的推动，通信系统和技术朝着高速 率、低延时、大容量、多业务及可扩展等方向发展。在信道带宽一定时，如何有 效提高频谱利用率是现阶段无线通信领域最为活跃的研究热点之一，国内外研究 取得了大量的技术创新和研究成果。 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 ) 是一种 高效的多载波传输技术，同时也是下一代移动通信的关键技术之一。o f d m 将 发送数据分成并行的交织比特数据流并调制到不同频率的子载波进行发送，使得 多径频率选择性衰落信道变成了平坦衰落信道【l 捌。同时通过在每个o f d m 符号 中插入循环前缀( c y l i xp r e f i x ，c p ) 能够有效地对抗信道多径衰落且可消除符号间 干扰嘲f i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 。由于o f d m 具有这些传统多载波技术无法 比拟的优势，因而被3 g p pl t e 和w i m a x 等第4 代移动通信标准所采用。而如 何有效利用o f d m 系统最大限度地提高通信系统性能是无线通信中的研究热点。 信道估计是o f d m 系统进行相干解调的前提和基础【3 】，信道估计性能的好 坏直接影响o f d m 系统的接收机性能。而在高速移动o f d m 无线通信中，信道 估计又是极具挑战性的难题之一。首先，由于多径衰落造成的小尺度效应以及距 离衰减等引起的大尺度效应使得无线信道成为快时变的频率选择性衰落信道；其 次，由于发送机与接收机间的相互移动造成的多普勒频移在影响系统性能的同时 引入了严重的载波间干扰( i m e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ，i c i ) ，载波间干扰会大大降低 o f d m 系统信道估计的精确度：最后，信道估计过程中涉及大量复杂的矩阵运 算，这使得信道估计不易实现。 综上所述，信道估计是o f d m 接收机的关键组成部分之一，一个性能优秀 的信道估计方法是o f d m 系统实现高速和有效通信的前提。而现阶段高速移动 环境下的信道估计还存在许多问题需要解决。因此，研究一个复杂度低且具良好 鲁棒性的信道估计方法具有重要的学术和应用价值。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2o f d m 技术概述 利用频分复用的方式将发送数据分成并行的交织比特数据流并调制到不同 频率的子载波上发送，最早出现在上世纪5 0 年代的c o l l i n sk i n e p l e x t l l 系统中。 该系统的调制方式为q p s k ，采用2 0 个频谱相互重叠但正交的正弦波作子载波， 这可以视为o f d m 技术的雏形。相互重叠而正交的子载波分布结构极大地提高 了信道的频谱利用率。然而，由于需要使用正弦波发生器来产生相应的正弦子载 波，o f d m 系统的子载波数极其有限，因此o f d m 技术的应用大大受限。 1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和p a u lm e b e r t 提出了一种基于d f t t d f t 的 o f d m 系统实现方法 2 】。该方法大大降低了o f d m 系统实现的复杂度，使得 o f d m 系统的实现不再需要昂贵而复杂的正弦波发生器及相干解调器。基于 d f t s d f t 的o f d m 实现方式大大地推进了o f d m 用于无线通信的实用进程。 受限于当时的微电子技术，o f d m 技术并没有被广泛应用于实际通信系统中。 然而对o f d m 系统及相关技术的研究并未停止。如a b r a h a mp e l e d 和a n t o n i o r u i z 第一次提出了循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 的概念n ，他们证明了o f d m 系 统可通过在o f d m 符号问插入一定长度的c p 来降低因信道多径效应产生的符 号间干扰。 8 0 年代中末期，随着数字信号处理和集成电路技术的发展，d f t h d f t 的运 算速度和性能及实现成本都有了显著提高和改善，o f d m 开始真正意义上应用 于无线通信系统中。1 9 8 5 年，c i m i n i 分析了基于o f d m 技术的无线通信系统的 性能【4 】，这是o f d m 正式用于无线通信的开端。随后，o f d m 在无线通信中得 到了广泛的应用。如欧洲的数字音频广播( d i g i t a la u t ob r o a d c a s t i n g ，d a b ) ”j ， d v b t - j t d i g i l a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) ，3 g p pl o n g 和7term e v o l u t i o n ( l t e ) l 6 j w i m a x t 1 等准4 代移动通信标准。 1 3o f d m 系统优缺点 o f d m 是一种高效的多载波传输技术，与传统的多载波传输技术相比， o f d m 技术的优势主要体现在以下几方面： ( 1 ) 更高的频谱利用率。传统的多载波传输技术需要在各子载波信道间留有 保护频带，且子载波占用带宽更大，信道的频谱利用率低。如图1 1 所示，o f d m 系统的子载波相互重叠且正交，这样的子载波分布使得在同样的信道带宽内可包 含更多的子载波，频谱利用率更高。 ( 2 ) 良好的抗多径干扰能力。o f d m 系统将数据分成并行的交织比特流调制 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 到不同的予载波，相应的每个子载波上的数据时间更长，大大减少了多径传输的 干扰。同时，文献 3 ， 4 醯b f l j ，o f d m 可通过插入循环前缀的方式消除多径效 应带来的码间干扰。 图1 10 f d m 系统频域于载波分布图 ( 3 ) 可实现高速数据传输。o f d m 系统结合分集技术和高效的资源分配算法 可实现数据的高速传输。 ( 4 ) 可用于多用户接入。o f d m 可以用作多址接入技术，使得多个终端可同 时与基站进行通信。 ( 5 ) 技术容易实现。文献 2 已证明采用d f t i d f t 可实现o f d m 系统的调 制与解调，现阶段的集成宅路技术已可以完全实现。 虽然o f d m 系统具有上述优势，理论和实际表明，o f d m 在移动通信中仍 然存在着以下亟需解决的问题： ( 1 ) 准确的信道估计。由于相干解调具有比非相干解调更好的解调性能，因 此被广泛应用于无线通信系统。而信道估计是o f d m 系统进行相干解调的前提 和基础，能否准确估计出信道信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，c s i ) 关系到o f d m 系统能否解调出o f d m 符号。一方面，快时变的频率选择性衰落信道给信道估 计带来了极大的困难；另方面，随着o f d m 发送机和接收机的移动速度越来 越快，多普勒频移带来的i c i 会直接影响信道估计的精确性。因此，一个性能优 异的信道估计算法对o f d m 系统极其重要。 ( 2 ) 较高的峰均功率l | ：( p e a k t oa v e r a g e p o w e r r a t i o ，p a p r ) 。o f d m 信号是由 各个子载波上的数据信号叠加而成，与传统的单载波相比，o f d m 具有更大的 峰均功率比。高的峰均功率比让射频放大器的设计与实现更加困难。而个射频 放大器如果不能满足动态信号范围就会使发送信号产生畸变，使得o f d m 系统 性能急剧下降。 ( 3 ) 严格的同步。由于o f d m 系统对同步误差极为敏感，因此o f d m 需要 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 具有严格的帧同步和载波同步。一方面，只有找到帧的起始位置才能准确移除 c p ，因此对o f d m 系统收发机提出了更严格的定时要求；另一方面，由于信号 在传输过程中不可避免的会产生频率失真，因此需要在接收机端严格地进行载波 同步才能进行随后的数据处理。 ( 4 ) 高速移动环境下的载波间干扰问题。高速移动环境下，多普勒频移在影 响系统性能的同时也带来了严重的子载波间干扰。子载波间干扰严重影响系统性 能和信道估计的精确性，因此高速移动环境下的子载波间干扰消除是一个非常重 要和有价值的研究课题。 1 40 f d m 系统信道估计研究现状与分析 在单载波系统中，信道估计是一个经久不衰的研究课题。如图1 - 2 所示，在 o f d m 系统中，信道冲激响应( c h a n n e li m p u l s er e s p o n s e ，c i r ) 被视为一个时变 的有限冲激响应( f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ，兀r ) 滤波器，其中的滤波器系数即是需 要估计的信道参数 8 1 0 虽然单载波信道估计的一些技术仍然可以用于o f d m 系 统的信道估计，但是o f d m 系统的多载波传输特征使得信道估计必须进行创新。 图卜20 f i ) m 系统信道的时域与频域表示 如图1 3 所示为o f d m 系统的频域模型，其中o f d m 数据被调制到正交的 子载波。为了准确地进行相干解调，必须准确估计出这些子载波上的信道信息。 与单载波传输系统类似，这些时域信道信息可以用一个f i r 滤波器模型表征 其中的f i r 系数和延迟等即是需要估计的变量。同样的，o f d m 也可通过估计 c i r 的频域表示c f r ( c h a n n e lf r e q u e n c yr e s p o n s e ，信道频率相应) 来完成对整个 信道的估计。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 。苦苦坠e ：兽竺： a 0 一巷_ 一各韭 基l a 。 “，忡。 f “和 a mt 杏分j 曷一一“ i 图1 30 f d m 系统频域模型 根据是否使用导频序列，o f d m 系统中的信道估计方法可分为2 类：盲信 道估计和非盲信道估计方法。盲信道估计方法根据接收信号的统计特征对信道进 行估计 9 , 1 0 l ，其优点是无需额外的导频信号，o f d m 系统的频谱利用率更高。但 是由于其在信道估计过程中需要大量的统计数据，因而系统计算复杂度高且不易 实现。而且在快衰落信道条件下，采用盲信道估计的o f d m 系统性能急剧下降 j j ”。非盲信道估计方法则通过插入导频的方式采完成信道估计，这些导频序列对 接收端是已知的。在一定程度上，导频序列的插入降低了系统的效率，但是却大 大提升了系统的性能。由于非盲信道估计具有更好的系统性能，l t e 等第4 代移 动通信标准都采用非盲信道估计方法【6 】。本文主要对非盲信道估计进行研究。 基于导频辅助的信道估计方法基本原理是在o f d m 的发送端插入一定数量 接收端已知的导频序列【1 2 , 1 3 ，在接收端提取接收到的导频信号并根据一定的准则 估计出导频位置的信道信息h d ( t ) 。最后通过插值方法估计出所有位置的信道信息 h f t ) ( i 4 】。虽然通过增加插入导频的密度可增加信道估计的精确度，但是这样会造 成o f d m 符号的开销因而降低频谱效率。 信道估计的估计准则主要包含有；l s ( l e a s ts q u a r e ，最小二乘法) 、 m m s e ( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r , 最小均方误差法) 、m l ( m a x i m u ml i k eh o o d ， 最大似然法) 以及它们的衍生方法。在上述几种方法中，l s 方法最简单，计算复 杂度低且实现容易，但是其对噪声和误差的敏感度高，性能较差【i “。m m s e 方 法估计精确度高，对噪声和误差的敏感度低，性能优秀，但是计算复杂度高，实 现困难 i “。因此在信道估计准则的选择上，必须综合考虑性能和复杂度。 信道估计中的插值方法主要有线性内插 1 7 】、二阶内插、分段线性插值【1 9 】、 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 高阶插值【2 0 1 以及变换域插值等。信道估计精确性的提高伴随着插值方法的复 杂度提高，因此o f d m 系统的插值方式的选择需要根据系统设定。 在高速移动环境下，多普勒频偏使得无线信道变成快时变的频率选择性衰落 信道。多普勒频偏在破坏o f d m 系统子载波间正交性的同时引入了严重的载波 间干扰( i c i ，i n t e rc a r r i e ri n t e r f e r e n c e ) 。因此，传统的基于信道时不变假设【2 2 j 和 基于块状导频【2 3 2 4 的信道估计方法不再适用于高速移动o f d m 系统。针对高速 移动o f d m 系统下的信道估计问题，文献 2 5 1 中作者提出了一种估计信道时变量 并在信道估计阶段通过插值获取所有信道信息的信道估计方法。但是该方法信道 时变量估计粗略，只能部分消除载波间干扰，信道估计精确度低。在此基础上， 文献【2 6 】提出了一种在插值过程中进行迭代估计的信道估计方法。文献【2 7 ，2 8 在 迭代过程中将软解调获得的数据符号作为新的导频信息反馈到信道估计模块，使 信道估计性能进一步提高。然而，这些方法都没有精确考虑多普勒频偏对信道产 生的影响，信道估计也未包含多普勒频偏信息，这使得高速移动o f d m 系统信 道估计的精确性大大降低。同时，这些方法都没有考虑信道估计迭代过程中因旧 导频产生的传播误差，这在降低信道估计精确度的同时也降低了迭代的收敛速度。 1 5 本文主要研究内容安排 本文主要对o f d m 系统的信道估计进行研究，特别是快时变信道条件下的 低复杂度迭代信道估计算法研究。具体内容安排如下： 第l 章主要介绍o f d m 中信道估计的研究背景与研究意义，着重分析了 o f d m 和信道估计的研究现状等。 第2 章主要介绍o f d m 技术的基本原理及发展历程，着重阐述o f d m 系统 调制解调的基本原理与i d f t d f t 实现方式。最后给出o f d m 的系统模型，该 o f d m 系统模型是本文信道估计算法实现的基础和前提。 第3 章主要分析无线信道的基本物理特征及统计特征。分析无线信道的大尺 度衰落和小尺度衰落特性，特别是高速环境下信道快时变性对信号传播的影响。 给出本文使用的j a k e s 模型，后文对信道的分析均是以j a k e s 模型为基础。最后 以j a k e s 信道模型为基础，仿真分析无线信道的大尺度效应和小尺度效应，给出 了一个4 径瑞利衰落信道的时域和频域分析图。 第4 章对o f d m 系统的信道估计算法进行研究。研究内容包括：不同导频 结构的信道估计性能，主要分析块状导频和梳状导频的信道估计m s e 性能i 分 析不同估计准则对信道估计性能的影响，主要的准则包括l s 、m m s e 以及 l m m s e 等：最后仿真对比分析在不同多普勒频移动下的基于块状导频和梳状导 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 频的m s e 性能，并以梳状导频为基础仿真分析不同估计准则下的信道估计m s e 和b e r 性能。 第5 章分析了o f d m 系统在高速移动环境下因信道时变性产生的i c i ，针对 现有信道估计方法存在的误差大问题，提出了一种基于q r 矩阵分解算法的低复 杂度迭代信道估计算法，并仿真分析不同多普勒频移下该信道估计算法的b e r 性能。 第6 章回顾本文工作并总结，对本研究课题作了展望，对本文尚未解决的问 题提出了自己的观点。 中南大学硕士学位论文 第二章o f d m 技术原理与系统模型 第二章o f d m 技术原理与系统模型 o f d m 是一种高效的多载波传输技术，它具有频谱利用率高，抗衰落能力 强等优点，因而被l t e 等第4 代移动通信标准采用。本章将首先介绍o f d m 的 技术原理及基于i d f t d f t 的调制解调实现，作为后续理解信道估计的基础，本 章还将介绍o f d m 系统的基本基带系统模型。 2 1o f d m 基本原理 o f d m 是多载波传输技术的一种，它将信道以子载波的形式分成不同的正交 子信道。与传统的多载波传输技术相比，o f d m 系统的不同点有： ( 1 ) 如图2 - 1 所示，o f d m 系统的子载波时域波形为简单的矩形脉冲形状， 对应的频域波形为s i n c 函数。 。：厂 _ 。【f 子载波谱j 掣磐”i 九ji ， l 厂”b q 于十厂_ _ 十。州 上， 一。v 。 时域颇域 图2 - 10 f d m 子载波的时域和频域示意图 ( 2 ) 更多数量的窄带子载波。如图2 - 2 所示，传统的多载波传输技术因子载 波频谱不重叠且需要留出保护频带使得子载波数量较少，频谱利用率低。与普通 的f d m 技术不同，o f d m 系统的子载波间相互重叠且正交，这样的子载波分布 结构极大地提高了系统的频谱利用率。 图2 - 2 普通多载波传输技术子载波分布 8 中南大学硕士学位论文 第二章o f d m 技术原理与系统模型 2 1 1o f d m 调制 在w e i n s t e l n 和p a u lm e b e r t 提出o f d m 的d f t 1 d f t 实现之前， o f d m 调制器的基本结构如图2 3 所示。它包含有n c 个复调制器，对应n c 个 o f d m 子载波。 ! 虬 帅 ! 型- a o m j a l ，8 1 ”s 一 p + 矿本- 一 型二务j 出 图2 - 30 f d m 调制器 由图2 3 可知，在m t u t 曼( m + 1 ) t u 时间内，o f d m 信号x ( t ) 为 n 一1 ”一1 z ( f ) = 艺耳( f ) = 2 0 ：e 膨学( 2 - 1 ) k = 0k = 0 其中坼( f ) 为第k 个子载波( 五= k a f ) 上的已调信号，调制信号为。易知o f d m 的信号是基于分块传输的，在每一个o f d m 符号内，n c 个调制符号并行传输。 调制符号一般由星座映射产生，如6 4 q a m 或1 6 q a m 等。 根据系统信道带宽和子载波频率间隔的不同，o f d m 的子载波个数可从数 十到上干。子载波频率间隔与系统的应用环境相关，因为无线信道的最大时间弥 散和多普勒频移都会影响o f d m 系统的子载波间隔选择。一旦确定了o f d m 系 统的子载波间隔，就可根据信道带宽确定子载波的个数。o f d m 系统的子载波 个数和间隔的选择一般需要综合考虑各方面因素，最终目标是提供高速和高质量 的通信服务。如3 g p pl t e 协议在传输信道带宽为1 0 m h z 时的系统子载波频率 间隔为1 5 k h z 。 o f d m 系统的子载波间相互正交，即在m t u t ( m + 1 ) t u 时间内，任意 两个o f d m 子载波相互正交，即 _ ) 阳“) 五 x k i ( f p 也( r ) 出=f 吒e 2 础1 妒8 止础2 斯= 0 k 。岛( 2 - 2 ) m m 中南大学硕士学位论文 第二章o f d m 技术原理与系统模型 o f d m 系统的基本传输原理即为用星座映射后的信号调制一系列的正交子 载波纯( f ) ，其中纯( f ) 为 瓣等l 由于纯( ，) 之间相互正交，因而o f d m 可以将数据并行传输且互相不产生干 扰，数据传输速率更高。 2 12 0 f d m 解调 图2 - 4 所示为o f d m 系统的解调器原理与结构框图。 斟2 - 40 f d m 解调器的基本原理图 由图2 - 4 可知，o f d m 系统的解调器包含有多个相关器，每一个相关器对应 单个子载波。由式( 2 - 3 ) i i ，o f d m 系统子载波间相互正交，因此在理想情况下 解调的各子载波间不产生干扰。这种情况下各相关器的输出结果分别为对应的调 制信号唧。 非理想情况下，如快时变的无线衰落信道条件下，o f d m 系统子载波间的 正交性被信道的时间弥散性破坏从而产生了严重的载波间干扰，而载波间干扰会 对0 f d m 系统的解调和检测带来严重的影响。因此o f d m 系统在相干解调之前 需要对信道精确估计。 2 2 基于i d f t d f t 的o f d m 实现 由2 1 1 和2 12 节可知，o f d m 的调制与解调需要大量昂贵而复杂的正弦 波发生器和相关器，这使得o f d m 的实用性大大降低。事实上这也不是o f d m 常用的实现方式。o f d m 的i d f t d f t 实现使得o f d m 真正应用到了无线通信 中南大学硕士学位论文 第二章o f d m 技术原理与系统模型 等领域”，因此本节主要介绍o f d m 的i d f t d f t 实现方式，这对于理解o f d m 系统具有非常重要的意义。 式( 2 1 ) 所示x ( t ) 为一时间连续的o f d m 信号。对该信号以采样频率 f s = h = n f 进行采样，令虬表示o f d m 系统的子载波个数，根据奈奎斯 特采样定理易知n 大于虬。 采样后的o f d m 离散信号为 x = x o ) = q 8 9 。蜘= a k e 脚“”= e 皿“( 2 - 4 ) n c - i n c一1 一l 其中 n ：i a 女 0 5 。n c ( 2 - 5 ) a k 2 10 n c k n 由式( 2 4 ) 可知，序列n n c u 符g - a 。，a ，a 。的离散傅里叶逆变换，其余 部分用0 补足。 图2 - 5 基于i d f t 的o f d m 调制 在i d f t 模块之后为串并变换及d a 变换。由于i d f t 可通过快速算法i f f t 实现因而可以大大减少o f d m 的系统复杂度，这也是目前o f d m 最常用的实现 方式。值的注意的是，n n c 可视为o f d m 系统的过采样率，一般情况下不为整 数。如3 g p pl t e 在信道带宽为1 0 m h z 时的子载波数为6 0 0 ，i f f t 的大小经常 选择为1 0 2 4 。这时系统的采样率为f s = 1 t = = ，其中 = 。 o na f1 53 6mhzaf 1 5 k h z 与o f d m 调制类似，o f d m 的解调也可通过d f t 高效实现a 图2 - 6 所示即 为o f d m 解调的d f t 实现原理，由图可知d f t 的快速算法取代了传统的相关 器大大降低了系统实现的复杂度。 中南大学硕士学位论文 第二章o f d m 技术原理与系统模型 图2 - 6 基于d f t 的o f d m 解调