（电磁场与微波技术专业论文）mimo系统接收机中分集合并与频域均衡的研究与实现.pdf

摘要 m i m o 系统接收机中 分集合并与频域均衡的研究与实现 研究生：陈炜 指导教师：洪伟教授王海明硕士 摘要 多输入多输出( m i m o ) 技术可以大幅提高无线通信系统的容量，改善无线通信系 统的误码率性能，能够满足未来移动通信系统高数据速率、高可靠性和高速移动性的要 求。正因为如此，m i m o 技术得到了越来越多国内外学者的关注。本课题的来源是本实 验室承担的国家“8 6 3 ”重大项目：“新型天线与分集技术”，主要研究其中m i m o 接收 机的分集合并和均衡技术，并在m i m o 实验验证系统的现场可编程逻辑器件中对接收 分集合并和频域均衡模块进行了验证。 首先，文中介绍了课题背景和m i m o 技术的发展状况，描述了m i m o 技术的基本 原理和其中的一些关键技术，包括信道编解码，交织，空时分组码，导频，循环前缀插 入，i d f t d f t 运算。然后对o f d m 系统与采用频域均衡的单载波m i m o 系统之间的 关系进行了分析。 其次，结合m i m o 技术的基本原理，本文详细介绍了分集合并技术和频域均衡技术 方案，由此给出了t d d c f d e 空时联合检测算法。 接着，本文介绍了将浮点数据描述的算法向定点数据描述的算法的移植过程，阐明 了本方案在定点实现时所需考虑的一些关键问题，并给出了移植后的定点算法方案。在 此基础上，对定点数据描述的算法性能进行了仿真，以估计其相对于浮点算法的性能损 失。仿真结果表明算法的定点化修改对系统总体性能影响有限。 最后本文介绍了该方案的具体实现内容。该方案的主要算法在x 1 l 1 n x 公司的 v i r t e x i i 系列现场可编程逻辑器件( f p g a ) 中进行了验证。 关键词：m i m o ，o f d m ，f p g a ，分集合并，频域均衡，空时分组码，循环前缀 定点仿真。 a b s t r a c t i n v e s t i g a t i o n so nt d d c a n df d ei nt h em i m o r e c e i v e r m s c a n d i d a t e ：w e ic h e n a d v i s o r s ：p r o f w e th o n g ， a n dh a im i n gw a n g ：a b s t r a c t b e c a u s eo fi t sp r o m i s eo fd r a m a t i cc a p a c i t yi m p r o v e m e n t s ， o u t s t a n d i n gc a p a b i l i t yi n e l i m i n a t i n gi s ia n dh i g hs p e e dd a t at r m a s m i s s i o nc a p a b i l i t y ，m o r ea t t r a c t i o ni sf o c u s e do nt h e 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 ) s y s t e mt h i sp r o j e c ti n v e s t i g a t e s t h ed i v e r s i t y t e c h n o l o g ya n df r e q u e n c y d o m a i ne q u a l i z a t i o ni nm i m os y s t e ma n di t si m p l e m e n t a t i o ni n f p g a t h i st h e s i sf i r s ti n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n dh i s t o r yo fm i m os y s t e m ， a n dd e s c r i b e s m i m op r i n c i p l e sa n dk e yt e c h n o l o g i e si n c l u d i n gc h a n n e lc o d i n ga n dd e c o d i n g ，i n t e r l a c e ， s t b c ( s p a c e t i m e db l o c k c o d e d ) ，p i l o t ，c p ( c y c l i cp r e f i x ) a n di m p l e m e n t i n gm o d u l a t i o n a n dd e m o d u l a t i o nb yi d f t d f t i ta l s oa n a l y s e st h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e sb e t w e e n c p - s cf d es y s t e ma n dc p o f d ms y s t e m s ow eh a v eap r i m a r yu n d e r s t a n d i n gf o rt h e w h o l em i m os y s t e m ： s e c o n d l y ， w i t ht h e u n d e r s t a n d i n go ft h ew l m l es c h e m eo fs y s t e m ，t h i sp a p e r p a r t i c u l a r l yd e s c r i b e dt h ee s s e n t i a li d e aa n dt h er e a l i z a t i o np r i n c i p l eo fd i v e r s i t yt e c h n i q u e m a df r e q u e n c y d o m a i ne q u a l i z a t i o nt e c h n i q u e i tt h e r e o u te d u c e st h eu n i t e ds p a c e t i m e d e t e c t i n ga r i t h m e t i c t h i r d l y ，t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ea r i t h m e t i cm o d i f i c a t i o no ft h es c h e m e sf i x - p o i n t r e a l i z a t i o n a f t e rs e t t i n gf o r t ht h eq u e s t i o n sw h e nt h es c h e m ei sr e a l i z e dt ob ef i x - p o i n t p r o g r a m ，t h ep r a c t i c a ls c h e m ei sp r e s e n t e d w i t ht h i su n d e r s t a n d i n g ，f i x p o i n tp r o g r a m s s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea l s og i v i n gt oa n a l y z et h ep e r f o r m a n c el o s i n g t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e t h em o d i f i c a t i o n se f f c c ti sv e r yl i m i t e dt ot h et o t a ls y s t e m sp e r f o r m a n c e l a s t l y ，t h i sp a p e rp r e s e n t ss o m ec o n t e n tr e a l i z e di nad e m os y s t e m t h em o d u l ew o r k s i nf p g aw ei m p l e m e n t e dt h et d d cm o d e lf d em o d e lo fm i m os y s t e mw i t hv h d li nt h e f p g av i r t e x 一1 im a n u f a c t u r e db yx i l i n xc o m p a n y 【k e yw o r d s l ：m i m o ，o f d m ，t d d c ，f d e ， s t b c ， c p ，e q u a l i z a t i o n s i n g l e c a r r i e r ，f i x e d p o i n ts i m u l a t i o n 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，除了文中特另l j ) j i l 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判。与我一同： 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：狱! 垄日 期：丝蚴，厂 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致。除在保密期内的保密论文外，允许沦 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。 研究生签名：鱼! 壶铷虢磋日期：砌， 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 移动通信是当今通信领域内最为活跃、发展最为迅速的领域之一，也是将在新世纪 对人类生活和社会发展有重大影响的科学技术领域之一。在过去2 0 年，移动通信已经 经历了第一代模拟通信、第二代数字通信和第三代宽带多媒体通信三个阶段。尽管为高 速业务和多媒体业务设计的第三代移动通信系统( 3 g ) 在通信容量和质量方面比第二代 移动通信系统有了较为明显的改善，但由于其核心技术未能发生革命性的变革，无法在 有限的无线频率资源上提供广泛的覆盖，并使数据传输速率达到l o o m b p s 以上乃至更 高，以提供宽带移动多媒体业务的服务u j 。继第三代以后的下一代移动通信系统“b e y o n d 3 g ”或“4 g ”的技术研究和标准建议工作已经展开，国际电信联盟已着手有关标准的 组织工作。新一代移动通信( b e y o n d3 g 4 g ) 将可以提供的数据传输速率高达 1 0 0 m b i v s ，甚至更高，支持的业务从语音到多媒体业务，包括实时的流媒体业务。数据 传输速率可以根据这些业务所需的速率不同动态调整。这些挑战和任务要求新一代移动 通信系统需要频谱效率极高的技术，其中多输入多输出m i m o 、多天线技术可使蜂窝通 信的信道容量不受限制地提高，这为未来移动通信技术的发展指明了方向【l j 【2 j 。 1 2m i m o 技术简介 m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 系统，该技术最早是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落，是为了使无线电波实现大容量传输而采用的 一种空分复用方式( s p a c e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 。通信双方使用天线阵列，在空间上 分割同频率频道无线电波，同时进行并行传输。根据收发两端天线数量，相对于普通的 s i s o ( s i n g l e i n p u ts i n g l e o m p u t ) 系统，m i m o 还可以包括s i m o ( s i n g l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ) 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，信道容量随着天线数量 的增大而线性增大，也就是说可以利用m i m o 信道成倍地提高无线信道容量，在不增 加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高【2 j m i m o 技术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贝尔实验室的b l a s t 算法【4 j 、z f 算法、m m s e 东南大学坝士学位论文 算法、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。 我们采用的是m m s e 算法。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 的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一 定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。本方案采用的是空时块码【5 j 。 凭借在提高系统频谱利用率方面卓越的性能表现，多输入多输出( m i m 0 ) 技术已 经成为移动通信技术发展进程中炙手可热的课题，传统无线通信理论一直将多径传播视 为造成无线信号衰落的干扰之一，而m i m o 系统恰恰利用了传播环境的多径特性，可 大幅度地提高频谱利用率，从而可大大缓解频谱资源紧缺的现状。 1 3课题工作 整个m i m o 实验系统原理框图如图1 所示，下面针对几个主要模块分别说明它们 的作用。 信源厂 厂一 l 一信道编码一一交织卜一一 l ： 信宿l _ j 解码k j 解交织- 4 解调 【。_ j 一一一 图1m i m o 系统原理框图 ( 1 ) 信道编码和译码 由于m i m o 技术依赖于多径传播中多条路径得到的接收信号，因此它本身就利用 了信道的分集特性，当信道衰落不是太深时，均衡就无法再利用信道的分集特性来改善 系统性能了。而信道编码可显著的改善数字信号在传输过程中由于各种噪声和干扰而造 成的随机差错。当信道中产生连续性突发差错时，只要结合交织技术，就可以有效对抗 突发差错。 ( 2 ) 空时分组码 广义的m i m o 技术涉及广泛，主要包括发射分集技术和空间复用技术。而其中的 空间复用技术，指的是在不同的天线上发射包含同样信息的信号( 信号可能并不相同) ， 从而达到空间分集的效果。发射分集主要是空时码技术，关于空时分组码的原理下面将 有详细地介绍。 第一苹绪论 ( 3 ) 导频( p i l o t s ) 符号和循环前缀( c p ) 通信系统可以利用导频符号或者训练序列的信息进行同步，但插入的导频符号需要 占用一定的带宽和发射功率，降低了系统的有效性。m i m o 系统采用插入循环前缀来完 全消除符号间串扰。关于循环前缀的原理下面将有详细地介绍。 ( 4 ) 分集合并 分集技术是指在通信过程中，系统能提供发送信号的复本，使得接收机能获得更准 确地判断。根据获得独立路径信号的方法不同可以分为时间分集、频率分集和空间分集。 空间分集技术没有时延和环境的限制，能够获得更好的系统性能。 下面章节将对其中的原理作详细的解释。 ( 5 ) 均衡技术 。 均衡技术主要是抗多径扩展引起的符号间干扰。在数字通信系统中，如果系统带宽 内的信道频率响应是非平坦的，那么在时域上，信道的冲激响应就会有时延扩展。这种 时延扩展又称为信道弥散，所有存在信道弥散的时分系统都可以用均衡器来减小由于符 号间干扰而引起的系统性能下降。 下面章节将对其中的原理作详细的解释。 ( 6 ) 信道估计 在多天线发送与接收系统( m i m o ) 最佳接收机的设计当中，需要估计出信道的有 限冲激响应以实现快速的时域分集合并以及频域均衡。 信道估计器的设计包括两方面的内容：一个是导频信息的选择；另一个是设计出复 杂度较低、导频跟踪性能良好的信道估计器。因为估计器的性能与导频信息的传送方法 有关，因此这两方面是相互关联的 6 】。 1 4 本论文内容安排 本论文共包括七章： 第一章简述了课题背景和m i m o 技术的发展历史、应用现状，讲述了课题工作。 第二章介绍了m i m o 单载波系统的基本原理，以及m i m o 系统的构成，并对c p o f d m 系统与m i m o 系统进行了简单得比较和推导。 课题工作主要包含在第三、四、五、六章。 第三章详细讲解了时域分集合并算法。 第四章详细讲解了频域均衡算法。 第五章分析了定点仿真中各种因素对系统的影响并进行了m a t l a b 仿真，比较了仿真结 果。 第六章详细论述了用v h d l 语言在f p g a 上的算法实现。 第七章给出论文工作总结和下一步将要进行的工作。 数据在任何信道中进行传输时，由于噪声和干扰的客观存在，总会不可避免地产生 传输错误。而在所有的应用环境中，过量的传输误码都是不能容忍的。因此，信道编 解码模块在任何通信系统中都是不可缺少的重要部分。 信道编解码算法根据传输信道的误码特性进行设计，它能在系统的接收端对传输错 误进行纠正，从而降低误码率、提高整个系统的数据传输的可靠性盯8 | 。 本文在高斯叠加噪声和多径衰落的信道环境下，对同样传输速率和调制方式 ( 1 6 q a m ) 的单载波系统的误码性能进行了仿真。 ： 仿真参数为载波频率2 4 g h z ，移动台相对速度为5 k m n ，采用2 发4 收方式，采用 1 6 q a m 调制，( 2 ，1 ，9 ) 卷积码，1 6 x 4 矩阵交织器，频域滚降因子为0 2 5 的4 8 阶平 方根升余弦基带脉冲成形滤波器。在相同信噪比条件下仿真所获得的解调信号星座图分 别如图2 图3 所示。 测试信道环境 c h1 g a u s s 信道，作为系统抗噪声能力的参考 c h2 5 k m h 步行信道，参考模型 ( c o s t 2 0 7 室外到室内步行信道环境 多径数目：3 最大时延：3 1 a s 多径衰减：o ，一1 5 d b ，一3 0 d b c h31 2 0 k m h 高速信道，参考模型( ( c o s t 2 0 7 车速信道环境 多径数目：6 最大时延：1 0 9 s 多经衰减：0 ，6 d b ，一1 2 d b ，一1 8 d b ，一2 4 d b ，一3 0 d b 多径衰落仿真信道使用c h2 ，5 k m h 步行信道参考模型。 4 - 口5d0 5 i m p h a s ea m p l i t u d e 图2m i m o 系统的解调星座图( f a d i n g ) 图3m i m o 系统的解调星座图( a w g n ) 10 圣 1d _ a 重1 0 4 叱 童1 1 3 缶 山 田 1 1 3 - 6 1 1 3 。 一 一卜ba w g n i o bf a d i n g 占i 戊 _ - f _ 。一j i 、曲 - 一 矗 j 。、 ! 、 i i ie ；：i ：i i i= ：k ：= = ：= ：k ：= = ：= ：= ：= z = = = = ：= = 一 ：i 、 ： ： l i 1 ： 粕 ：量薯i 爱： 。l 0246 s n ro fr e c e i v e ds i g n a lf r o mr x ( d b ) 图4m i m 0 2 x 系统在a w g n 信道、多径衰落信道下的仿真误码特性 5 弓吾盖詈n1巴pejo 东南大学硕= 学位论文 统计结果如图4 所示。 在图4 中共有两根统计数据曲线，其中： 标记有“v ”的统计数据曲线表示m i m o 单载波传输系统在a w g n 信道下的误码 率特性； 标记有“o ”的统计数据曲线表示m i m o 单载波传输系统在多径衰落信道下的误码 率特性。 仿真采用的多径信道模型与图2 图3 采用的仿真信道模型相同。 由图4 可以明显地看出，在a w g n 信道环境下m i m o 系统的性能比在多径衰落环 境下好1 2 d b 。 信道对m i m o 系统的误码性能影响主要有两个方面：其一是信道的衰落因素，衰落 会造成解调信噪比的严重恶化；其二是信道上的叠加噪声。同时系统还会受到多径效应 引起的符号间噪声干扰( i s i ) 。信道纠错编码有两种可采取的基本方案：一种是有反馈 的方式，另一种是无反馈的方式。在有反馈的方式中，接收端采用一定的数据校验算法 对收到的数据进行检测，如果发现传输过程出现错误，则会通过反向信道要求发射端重 新传送数据。这种方式不要求接收端具有纠错和数据恢复能力，因而十分简便。不过， 有反馈的纠错编码方法只适用于高质量的信道环境，在信道信噪比很低的情况下，数据 重传的概率会很高，这将会严重影响到系统的传送效率，使信道的有效利用率下降。 无反馈的信道编码方式又可称为前向纠错编码( f e c ) ，它是近年来信道纠错编码算 法的研究热点。在这种编码方式中，发射机将待传送的数据序列输入f e c 模块进行特 定的算法处理，获得含有冗余信息的编码数据，接收机则利用数据中的冗余信息对传输 错误进行检测和纠正。这种方式虽然需要在信道上传送一些冗余信息，降低了有效的数 据传输速率，但是它不需要整块数据的重复传输，所以对信道利用率的影响比较小。 f e c 编码算法种类繁多【2 j ，按照它们对信息处理方法的不同，基本上可以被分为分 组码和卷积码两大类。分组编码将输入的信息序列以k 个码元为一组，然后根据一定的 运算规则产生r 个冗余校验码元，它们仅与本组的信息元有关。分组编码算法将校验元 和有效信息码元按一定规则进行组合，便获得长度为n = k 竹的一个编码分组。在卷积 编码中，每输入k 个码元，编码器就输出长为n 的编码码元，其中有( n k ) 个冗余校验元， 它们不仅与当前的k 个输入信息元有关，而且还与前( m 一1 ) x k 个输入信息元有关。通常 用记号“( n ，k ，m ) ”来描述卷积码的基本参数，其中，n 是编码器输出端的个数；k 是编 码器输入端的个数；m 一1 是编码器移位寄存器中存储单元的个数，称为编码存储位数。 分组码的特点是结构简单、运算量较小，不过其纠错能力却比较差。相比较而言， 卷积码的纠错能力就比较好。令s = m 表示卷积码的编码约束长度，这个参数说明编码 过程中互相约束的码段长度，它的值越大，纠错能力也越强，不过其编码器和译码器的 结构也越复杂。 m i m o 系统中对纠错编码方案的选择方法和一般的数字通信系统是类似的，它主要 受以下两个因素的影响： 第二章m i m o 单载波系统基本原理 1 ) 编解码方案的复杂程度。一般来说，采用复杂的算法往往会获得较为良好的纠错 效果。然而过分复杂的编解码方法却会对系统的硬件设计带来不必要的负担，同时也会 造成资源的浪费。 2 ) 数据传输率的损失。任何编解码算法对误码率的改善效果都是以传输冗余信息为 代价的，在信道容量有限的情况下，这必然会造成系统有效数据率的下降。 这些码的生成多项式的一般形式为：g ( d ) = 岛“9 越+ 如一1 小1 + + g l d 革1 。 b ( 2 ，1 ，9 ) 卷积码的生成多项式和有关性能参数如 表2 1 所示。 表2 1 本文采用的( 2 ，1 。，9 ) 卷积编解码算法的基本参数 d 8 + d 4 + d 3 + d 2 + l 生成多项式 d 8 + d 7 + d 5 + d 3 + d 2 + d + 1 解码方法v i t e r b i 软判决算法 有效码率下降 1 2 图5m i m 0 2 x 系统信道编码b e r 性能 从图5 中清晰可见，加入信道编码后的m i m o 系统性能明显优于没加编码时的系 统性能。 ： 2 1 2交织模块 在时变衰落信道下，数据传输在接收信号幅度暂时跌落的时期会产生短促的连续错 误；如果信道是频率选择性衰落信道，则会发生持续的幅度衰落，导致具有一定模式的 东雨大学坝士学位论文 连续错误；另外，信道中的短促噪声干扰也会造成数据传输过程中的突发错误。所有这 些连续的突发错误，都会使前向纠错编码的性能得不到充分的发挥。在这种情况下，采 用交织运算可以以较小的代价换取较好的纠错效果。 交织运算本质上是- z o o 时间分集技术，它将数据信号的比特序列重新排列，使得原 来连续传输的信号比特分散到不同的传输时间段中，以便传输过程中出现深度衰落或突 发干扰时，接收端能够较少出现连续的错误。数据经过交织和去交织运算之后，信道误 码在传输序列中更接近于以分散状态出现，有利于发挥出纠错编码的处理性能。 由于采用交织技术可以有效改善信道纠错编码在衰落信道下的表现【9 】【1 0 】 1 l 】，所以， 用于无线传输的m i m o 数据传输系统应该使用交织器。 交织器和解交织器的实现方式有两种基本类型，一种是分组结构，另一种是卷积结 构。卷积结构的交织器性能比较好，而分组结构的交织器则有实现简单的特点。使用分 组结构时，在发射端只需要把待编码的m 门个数据按列填入一个m 胛维的矩阵，然后 按行读出即可，在接收端则只需按相反步骤操作，矩阵的行数m 被称为交织深度。 在实际应用的m i m o 系统中，当对交织器的实现方式和参数进行选择时，除了考 虑结构复杂程度以外，还需要考虑到存储量和数据延时的问题。一般来说，交织深度越 大，性能也越好，同时算法需要的存储空间越大、数据延迟时间也越长。 2 1 3 空时分组码 空时码( s p a c e t i m e c o d e ) 技术是在19 9 8 年由v a h i dt a r o k h 等人提出的2 1 。t a r o k h 等人认为，如果在发射端采用适合多天线传输的编码技术，同时在接收端进行相应的信 号处理技术，能获得很大的性能增益，这样就能实现数据的高速传输。 信息论研究表明【l3 j 【l 引，假设多天线系统有n 根发射天线和m 根接收天线，并假设 在窄带慢衰落的信道下，就可以建立n m 阶反映信道特征的矩阵，其元素为独立同分 布的复高斯随机变量。这样，系统就可以获得比单天线高出m i n ( n ，m ) 倍的信道容量， 且总的发射功率保持不变然而由于衰落信道的瞬时信息难以捕捉。因此，发射端必须采 用信道编码技术，以保证在多数信道情况下获得比较好的性能。这种信道编码本质是在 时间和空间上的两维编码，因此被称作空时码【2 1 。 基于发射分集的空时码主要有两种：空时分组码( s p a c et i m eb l o c kc o d e s t b c ) 、 空时格码( s p a c et i m et r e l l i sc o d e s t t c ) 。 1 9 9 8 年，a l a m o u t i 1 5 1 提出了一种非常简单的发射分集技术空时分组码( s t b c ) 。 空时分组码由于其简单的结构和良好的性能得到了广泛的研究，并很快进入了3 g p p 标 准。s t b c 实质上是将同一信息经过正交编码后从两根天线上发射出去，两路信号由于 具有正交性，在接收端就能将两路独立的信号区别出来，只需要做简单的线性合并就可 以获得分集增益。 但是s t b c 的正交码组的构建还存在一定的问题。对于实数信号星座( p a m 星座) ， 笙三童坚! 坚旦望望鎏墨笙茎奎堕堡 可以构造编码速率为1 的空时分组编码算法。但是，对于一个普通的复数信号星座，例 如m q a m 或m p s k ，当发射天线阵子数目大于2 时，是否存在编码速率为1 的正交码 组还有待更深的研究【i 川。 在本系统中我们采用的是发射天线数为2 的s t b c 正交码组。 2 1 4 循环前缀 分块传输技术如图6 所示，把传输的数据序列分为长度为的数据块( d a t a ) , 在 每个数据块之前加入长度为的循环前缀( c p ：c y c l i cp r e f i x ) ，不小于信道的最 一 大多径时延扩展。普通时隙由3 个域组成：保护时间域( g ) ，用于消除多径干扰； 导频与( p ) ，用于信道估计：数据和控制域( d & c ) ，用于用户数据和用户专用的控制 消息。 3 2 e h i p s gpgd cgd cgpgd cgd cgpgd cgd cgp 1 61 2 82 8 8 图6 分块传输技术示意图 循环前缀的概念就是在每个信息符号前面加上前缀，前缀所使用的是符号最后一段 时域信号的拷贝，因其使得符号具有循环结构，所以称为循环前缀。 c p 主要有两个作用j ： 作为保护间隔( g u a r ds p a c e ) ，它大大减少甚至消除数据 块之间的相互干扰( i b i ) ；由于保持了各信道间的正交性，它大大减少了i c i 。信号 经过多条路径传播后，是先后到达接受端的，因此引起码间干扰( i s i ) 。为了消除i s i ， 需要在符号间插入保护间隔。如果在保护时间内不传送信号，那么可能导致子带间干扰 ( 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 ) ，因为信道间不再保持正交性。在系统中采用循环前缀 作为保护问隔，其时间宽度大于信道的最大时延扩展，这样前一个符号的多个延时信号 完全被前缀吸收：不会影响到下一个码元，有效消除了i s i 。当然，插入c p 会使数据传 输效率下降。c p 时间宽度的选择根据多径时延而定，一般是多径时延均方值的2 4 倍。 同时，为了减少c p 引起的信噪比性能损失，符号周期应远大于c p 时间宽度。实际系 统设计时，符号周期一般至少是保护间隔的4 5 倍。 进一步利用数学工具推演，可以发现c p o f d m 方案和c p s cf d e 方案都是利用 c p 将线性卷积信道( 频率选择性信道) 转化为圆卷积信道。也就是说圆卷积信道是 o f d m 方案和c p s cf d e 方案的前提。 当c p 的长度大于信道冲激响应的长度时，信道冲激响应与m i m o 符号之间的线性 东南大学硕士学位论文 卷积就可转化为循环卷积。 现证明如下：具有循环前缀的训练序列的格式如图7 所示， 图7 具有循环前缀的训练序列 其中m 为训练序列长度，为循环前缀的长度。带c p 的训练序列x 通过具有a w g n 的i s i 信道的输出符号y ( k ) 为： 一1 y ( 后) = h ( i ) x ( k f ) + z ( 尼) i = o 其中z ( 足) 为方差为的高斯白噪声。我们用矩阵形式来表达式( 2 1 ) ： 夕= 2 h + 三= 0 ) x o ) x ( 一1 ) x ( 屹) x ( n 6 一1 ) x ( - 1 ) x ( o ) x ( 屹一2 ) x ( 心一1 ) m 十一2 ) x 0 - l ) x ( 2 - r , ) ： x ( 一上) 文+ 1 一三) ： x ( m + 二一d 办( 0 ) h o ) 顶三一1 ) 舍弃掉接收到的训练序列的循环前缀y ( o ) jy ( 一1 ) ，由 + z ( 0 ) z ( 1 ) z ( z - 1 ) _ ) c ( + f ) = s ( f ) ( f - o ，1 ，m 一1 ) 和x ( 印一尼) = j ( m 一尼) ( 尼= 1 ，2 ，1 ) 可得 尹= 鼢+ 三= s ( o )s ( n b 一1 ) s ( 6 一三+ 1 ) s ( 1 )s ( o )s ( 6 一三+ 2 ) s ( 人。一1 ) s ( 人- 一2 ) s ( 6 一三) 办( o ) 办( 1 ) 办( 三一1 ) + z ( 0 ) z o ) z ( l 一1 ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 由式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) l 笺j 推导可知，p 矩阵为训练序列形成的循环矩阵，输入数据块与 信道的线性卷积关系转变成了循环卷积关系，而且必须 三。 2 1 5 导频 在m i m o 系统中，为了实现同步、信道估计和均衡等目的，需要采用一些方法来对 信道的某些传输特性进行估计。一般有两种方法可供选用，一种是利用训练序列或帧头 墨三童兰! 坚旦兰望鎏墨笙苎奎堕堡 的方法【16 1 ，另外二种方式则利用特定的专用频率信道或导频信道来估计信道特性【1 7 】【1 8 】。 这两种方法都在发射端传送已知的确定信号，然后在接收端根据接收信号的特性来估计 信道的传输特性并完成信道的均衡或同步。 理论证明，训练序列法和导频方法在一定条件下可以达到同样的信道估计性能【l 引， 因此在m i m o 系统中，可任选其一。不过，由于导频方式能够通过导频信道连续发射 用于同步或信道估计的辅助信号，所以这种方式比较适用于广播。 在m i m o 数据通信系统中，一般都采用训练序列和导频相结合的方法。考虑到实现 系统的复杂性，本文采用的方案使用特定帧头，即训练序列方法来完成同步。 2 1 6i d f t 和d f t 变换 采用离散傅立叶正反变换算法是m i m o 系统得以简化的关键原因。在进行 i d f t d f t 变换时，一般都选用变换点数为2 的幂次方倍( 例如6 4 、2 5 6 或1 0 2 4 ) ，以 便采用快速傅立叶变换算法来完成离散傅立叶变换，从而提高m i m o 信号的处理和传 输速度。 经过数十年的：研究和发展，f f t 变换已经有许多非常成熟的算法可供使用 2 0 】 2 1 】【2 2 】 2 3 1 ，例如基2 或基4 算法、时域抽取算法或频域抽取算法等等，我们可以根据 各个算法的复杂程度和它们的运算速度进行选取。一般来说，基数越高，总计算量就越 少，不过这种计算量的差别很小，基本上不会超过一个数量级。 2 2c p o f d m 系统与m i m o 单载波系统的关系 h s a r i 等提出了循环前缀( c p ) 辅助下的频域均衡( c p s cf d e ) ，它具有与 c p o f d m 类似的结构2 4 1 ，同样可以采用f f t i f f t 来在d f t 域中实现一阶均衡。从这 个意义上说，c p s cf d e 具备和c p o f d m 相似的实现复杂度。 o f d m - c d m 系统是o f d m 和码分多路( c d m ， c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 的结 合技术【2 5 】 2 6 1 。在o f d m c d m 系统中的子载波调制之前，每个数据符号通过正交码扩展 到几个子载波上传送，接收端则进行解扩。 扩展 信道传递系数 x 卫回叵m j 恒卜咂h 曼 【一1一1，。：一 发射机信道接收机 图8 多载波c d m 系统模型( 选自文_ 献【27 1 ，i e e e 版权) 只要矩阵的每个元素有相同的幅值( 这意味着能量均匀分布在所有子载波上) ，则传 銮堕奎堂堡主堂垡笙塞 送系统的整体性能并不依赖于正交扩展矩阵的具体类型。如果傅立叶矩阵被用作正交编 码矩阵，由于多载波传输信号是由一个逆傅立叶变换( i d f t ) 产生的，所以这两种操作 一扩展和i d f t 一两者互相抵消，从而产生了一个进行分组处理的纯粹的单载波系统。 这样，传输系统退化为一个线性调制的带保护间隔的单载波系统2 8 1 。 ij 均衡 图9 采用线性均衡的o f d m c d m 接收机模型( 选自文献【2 7 】，i e e e 版权) 如图9 所示在有傅立叶扩展矩阵的情况下，接收端的解扩是通过 z 爿：肝f 丁1 实现 的，由于接收的信号矢量先经过傅里叶变换，在与一个对角线均衡矩阵相乘，然后再变 换时域，所以整个处理相当于频域均衡( f d e ) 。与传统的单载波系统不同，它需要一 个保护间隔，此系统即为循环前缀( c p ) 辅助下的频域均衡( c p s cf d e ) 。 考虑图1 0 和图1 1 可看出与传统的无差分调制的o f d m 系统相比，单载波系统需 要大致相当的总计算代价。在单载波系统中，尽管发射机根本不进行傅立叶变换，但接 收端一定要进行两次傅立叶变换而不是一次。所以计算量主要转移到了接收机，另外， 由于发射信号是单载波调制的，对功放线性度和载波频率同步精度的要求要比o f d m 系统低【2 9 】。 图1 0c p o f d m 系统 竺母f 卜恤一- 罡蕾? 爿计母 图11m i m o 单载波系统 第三章m i m o 系统的分集技术 第三章m i m o 系统的分集技术 3 1无线信道中的衰落 3 1 1 无线信道的衰落 在无线移动通信系统中，移动台经常工作在各种复杂的环境中，移动的方向和速度 是任意的，发送的信号经过各种物体的反射、散射等而形成多径传播，使到达接收机输 入端的信号往往是多个幅度和相位各不相同的信号的叠加，从而形成短期衰落( 快衰 落) 。此外，还有长期衰落( 慢衰落) ，它是由于电磁场受到地形或高大建筑物的阻挡或 者气象条件的变化而形成的，慢衰落的信号电平起伏相对较缓。无线移动衰落信道具有 两个基本特征：一是多径效应，即对应发送端发送的一个窄脉冲信号，接受机接收到的 信号是由通过直射、反射、折射等不同路径到达接收机的信号组成的脉冲序列。因此， 多径效应引起信道的时间弥散，从频率角度看就是产生了频率选择性衰落；二是时变性， 即衰落信道的传递函数是随时间变化而变化的。时变性在系统中的具体体现就是多谱勒 频域。因此，时变性引起信道的频率弥散，从时间域看就是产生了时间选择性衰落【j 。 描述发射机与接收机之f 司( r - r ) 长距离( 几百米或几千米) 上的场强变化的传播模型， 被称为大尺度传播模型。另二方面，描述短距离( 几个波长) 或短时间( 秒级) 内的接 收场强的快速波动的传播模型，称为小尺度衰减模型。小尺度衰落是指无线信号在经过 短时间或者短距离的传输后其幅度的快速衰落【3 1 1 ，以至于大尺度路径损耗的影响可以忽 略不计。 无线信道多径性导致小尺度衰落效应的产生。三个主要效应表现为：经过短距或短 时传播后信号强度的急速变化；在不同多径信号上，存在着时变的多普勒频移引起的随 机频率调制，多径传输时延引起的扩展( 弥散) 3 1 】。无线信道中许多物理因素影响小尺 度衰落，包括：多径传播，移动台的运动速度，环境物体的运动速度，和信号的传输带 宽。 ： 3 1 2信道冲激响应模型及参数 冲激响应是宽带信道的特性，它包括了所有用于模拟和分析信道无线传输的信息。 这是因为移动无线信道可以建模为一个具有时变冲激响应特性的线性滤波器，其中的时 变是接收机的空间运动所引起的【1 。信道冲激响应可以表示为： 东南大学硕士学位论文 n l h ( t ) = 口i 8 ( t - r i ) i = 0 ( 3 1 ) 其中和瓦分别表示从发射机到接收机第f 条路径的幅度和延迟( 相位) 。 当通过不同路径到达接收端的信号之间具有可见的时间间隔时，我们称该信道是弥 散的。而弥散信道将会表现出频率选择性的性质。弥散信道的最大问题就是，当信道延 时为符号周期丁的倍数时，系统将会产生符号间串扰即( i s i ) ，这时影响系统性能的主 要噪声源就是系统本身的信号所产生的。这种影响可以使用信道均衡或者合适的编码技 术来消除。 在无线信道模型中有几个重要参数【3 l 】：平均附加时延f ，r m s ( 均方根) 时延扩展o - ， 相干带宽b 。，多普勒扩展b d 和相关时间瓦。传输信号的带宽、速率与这些参数的相对 值决定了信号在信道中受到影响的具体情况。其中平均附加时延、r m s 时延扩展、相干 带宽描述的是信道时间色散特性，多普勒扩展n o 和相关时间z 描述的是信道频率色散 特性。 3 1 3衰落信道特性 移动无线信道中的时间色散与频率色散可能产生四种显著效应，这些效应是由信号、 信道及发送速率的特性引起得。多径的时延扩展引起时间色散以及频率选择性衰落，而 多普勒扩展则会引起频率色散以及时间选择性衰落。这两种传播机制彼此独立。 首先我们来讨论时间色散产生的效应。如果无线信道带宽大于发射信号带宽 b 。 仃，并且信道频率响应的幅度近似为常数，相位为线性，那么信号的频 谱会保持不变，但是信道增益会随时间而变化( 这一变化是由多径造成的) 。这种衰落 称为平坦衰落，这种形式的衰落是最为常见的一种。如果信道的带宽小于信号的带宽 b 。 b ，t 疋，b ， b 。，那 么此信道就是快衰落信道。在快衰落信道中，信道的脉冲响应在一个符号周期内变化很 快。在慢衰落信