（信号与信息处理专业论文）wimax中抗多径衰落问题的研究——wimax中的空时分集信道估计.pdf

摘要 随着网络与多媒体应用的快速发展，对大范围覆盖、高速宽带无线数据接入业务的需求与日俱 增，为此i e e e 制定并颁布了无线宽带城域网标准8 0 2 1 6 ( w i m a x ) 。在i e e e 8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 标准中，规 定了四种物理层接口标准：w i r e l e s s m a n s o ( 单载波系统) 、w i r e l e s s m a n - s c a ( 增强单载波系统) 、 w i r e l e s s m a n - o f d m o t 交频分复用系统) 、w i r e l e s s m a n - o f d m a ( 正交频分复用多址系统1 其中。 w i r d e s s m a n - o f d m 是用于2 g h z 1 i g h z 非视线传输的物理层标准，在非视线传输环境里，主要 的问题是如何对抗多径衰落信道的影响。分集是对抗多径衰落的有效手段，在w i r e l e s s m a n - o f d m 中，通过o f d m 多载波技术结合交织和信道编码可以实现频率分集，此外在下行链路中还可利用 a l a m o u t i 空时编码技术实现空间发射分集。空时编码面临的主要问题为如何获得多个信道的信息， 因此本文主要研究基于a l a m o u t i 空时编码的w i r e l e s s m a n o f d m 系统中的信道估计。 本文分析了标准中所规定的空时前导和空时梳状导频结构，通过利用空时前导的频率正交性和 空时梳状导频的编码正交性，可以把多天线链路下多个信道的估计问题等效地分离为多个单天线链 路下的信道估计。 在分析单天线链路下的信道估计算法的基础上，针对空时编码w i r e l e s s m a n - o f d m 系统提出了 比较完整的信道估计方案，包括利用空时前导进行初始信道估计和利用空时梳状导频进行信道跟踪。 针对初始信道估计问题，比较了频域最小平方( l s ) 算法，基于特征值分解的频域线性最小均方算法 ( l m m s e - s v d ) 和时域最小平方( l s ) 算法仿真结果表明频域l s 算法实现简单但性能较差，频域 l m m s e - s v d 算法具有较低实现复杂度与较好性能，时域l s 算法性能最好但实现复杂度很高且对 定时精度要求也很高。对于信道跟踪，当信道冲激响应的最大时延很小时，协议中的8 个空时梳状 导频足够用来进行信道估计( 跟踪) 。基于梳状导频的信道估计分为导频点信道估计和内插两个阶段。 本文着重分析了能够避免直接频域拟合误差的2 种内插方法一时域内插和变换域内插的理想内插 条件，分析表明时域内插更适合实际系统，进一步结合自适应谱线增强器可以提高时域内插在强白 噪声背景下的性能。 本文还系统地讨论了固定无线宽带接入系统环境下s u i 信道模型的仿真实现，并针对离散多径 信道模型中抽头系数在高上采样率下的内插问题，提出了一种基于迭代内插的解决方法。 关键词：w i f a x ，m a m o u t i 空时编码，信道估计，l s 算法，l 1 4 搬e - s v d 算法，自适应谱线增强 器，s u i 信道仿真，迭代内插运算 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e m e ta n dm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s ，t h e r ei sa l li n c r e a s i n gn e e df o r 姆 s c a l ed e p l o y e db r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s ss y s t e mw h i c hc a ns u p p o r th i g h - s p e e dd a t at r a n s m i s s i o n t o s a t i s f yt h i sn e e 正i e e ed e v e l o p e dm a dp u b l i s h e d8 0 2 1 6s t a n d a r d , o p e nr e f e r r e dt oa sw i m a x i nt h e i e e e $ 0 2 1 6 - 2 0 0 4s t a n d a r d , f o u rp h y s i c a ll a y e ri n t e r f a c e sh a v e b e e ns p e c i f i e d ：w i r e l e s s m a n - s c ， w i r e l e s s m a n - s c a , w i r e l e s s m a n - o f d ma n dw i r e t e s s m a n - o f d m a w i r e l e s s m a n o f d m i sa p h y s i c a ll a y e r s c h e m ef o r2 g h z - ii g h zn o n - l i n e - o f - s i g h tt r a n s m i s s i o n i nt h en o n - l i n e - o f - s i g h t e n v i r o n m e n t , t h em a i nc h a l l e n g ei sh o wt oc o u n t e r a c tt h ed e g e n e r a t i o nc a u s e db ym u l t i - p a t hp r o p a g a t i o n d i v e r s i t yi sa l l e f f e c t i v em e t h o dt os o l v et h i sp r o b l e m i naw i r e l e s s m a n - o f d ms y s t e m ，疳e q u e i l c y d o m a i nd i v e r s i t yc a l lb ee x p l o i t e db yc o m b i n i n gt h eo f d mm u l t i c a r r i e rt e c h n o l o g y , i n t e r l e a v i n ga n d c h a n n e lc o d i n g m o r e o v e r , o l m i g h tu s et h eo p t i o n a la l a m o u t is p a c e - t i m ec o d i n gi nt h ed o w n l i n k , b y w h i c ht h es p a c ed o m a i nt r a n s m i td i v e r s i t yc a na l s ob ee x p l o i t e d w h e nu s i n gs p a c e - t i m ec o d i n go u r e o n e f f r bi so nh o wt oo b t a i nt h em u l t i p l ec h a n n e l s s t a t ei n f o r m a t i o n f u rt h i s f e a s o i l t h i st h e s i si sm a i n l y f o c u s e de l lc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mi n a l a m o u t is p a c e - t i m ec o d e dw i r e l e s s m a n - o f d ms y s t e m f i r s t l y , a e c o r d i n gt ot h es p e c i f i c a t i o n so f s t cp r e a m b l ea n ds t cc o m b - t y p ep i l o ti nt h es t a n d a r d ，b y u t i l i z i n gt h ef r e q u e n c yo r t h o g o n a l i t yo f s t cp r e a m b l ea n dt h ec o d eo r t h o g o n a l i t yo f s t cc o m b - t y p ep i l o t , m u l t i - c h a n n e le s t i m a r i o ni ns p a c e - t i m ec o d e dw i r e l e s s m a n o f d ms y s t e mc a nb ed c c o u p l e di n t os o v e m l c h a n n e le s t i m a t i o n s j u s ta si nas l s o ( s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ) e n v i r o m n e t a f t e rc a r e f o l l ya n a l y z i n gt h ea l g o r i t h m si ns 1 s o , an e a r - c o m p l e t ec h a n n e le s t i m a t i o ns c h e m eb u s e do o w i r e l e s s m a n - o f d ms p e c i f i c a t i o ni si n t r o d u c e d b o t hs t cp r e a m b l ea s s i s t e di n i t i a lc h a n n e le s t i m a t i o n a n ds t cc o m b - t y p ep i l o ta s s i s t e dc h a n n e lt r a c k i n ga r ei n c l u d e di nt h i ss c h e m e ni n i t i a le s t i m a t i o n ：t h e f r e q u e n c y - d o m a i nl sa l g o r i t h m ，l m m s e - s v da l g o r i t h ma n dt i m e _ d o m a i nl sa l g o r i t h ma r cc o m p a r e di n t h i st h e s i s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ef r e q u e n c y - d o m a i nl sa l g o r i t h mi ss i m p l eb u tt h ep e r f o r m a n c e i sp o o r , l m m s e s v da l g o r i t h mi sm o d e s t l yc o m p l e xb u th a sb e t t e rp e r f o r m a n c e , t i m e - d o m a i nl s a l g o r i t h mh a st h eb e s tp e r f o r m a n c eb u ti sm o r ec o m p l i c a t e da n dr e q u i r e sh i g ha c c u r a c yo f t i m i n gr e c o v e r y 2 ) c h a n n e lt r a c k i n g ：w h e nt h em a x i m u mt i m ed e l a yo fc h a n n e li m p u l s er e s p o n s ei sl o w , e i g h ts t c c o m b - t y p ep i l o t sa r ee n o u g ht 0b eu s e dt oe s t i m a t et h ec h a n n e l t h ec o m b - t y p ep i l o te s t i m a t i o n i s c o m p o s e do fp i l o t - t o n ec h a n n e le s t i m a t i o na n di n t e r p o l a t i o n t w oi n t e r p o l a t i o nm e t h o d s - - - t i m ed o m a i n i n t e r p o l a t i o na n dt r a n s f o r md o m a i ni n t e r p o l a t i o n , b o t ho fw h i c hc a l la v o i dt h ea p p r o x i m a t i o ne r r o ro f d i r e c tf r e q u e n c yi n t e r p o l a t i o n d i s c u s s e dw i t he m p h a s i s a 咄豳o fi d e a le o n d ；, d o n ss h o w st h a tt i , m e d o m a i ni n t e r p o l a t i o ni sm o r es u i t a b l ef o rp r a c t i c a ls y s t e m s i na d d i t i o n , t h ep 。 f o r m a n c ao f t h n ed o m a i n i n t e r p o l a t i o ni ns t r o n gw h i t en o i s eb a c k g r o u n dc a nb ef u r t h e re n h a n c e db yc o m b i n i n gt h ea d a p t i v el i n e e n h e n e e rt e e h m 东南大学硕士学位论文 s i r n u l a t i o no ft h es u le h a n n e lm o d e l sf o rt h ef i x e db r o a d b a n dw i t l e s sa c c e s se n v i r o n m e n ti sa l s o d i s c u s s e ds y s t e m a t i c a l l ya n di nd e t a i l a ni t e r a t i v ei n t e r p o l a t i o nm e t h o di si n t r o d u c e dt of u l f i l lt h e i i i t e r p o i a t i o no f c o e f f i c i e n ti nt d l c h a n n e lm o d e l sw h e nu p - s a m p l er a t ei sv e r yh i # k e yw o r d s ：w i m a x ，a l a m o u t is p a c e - t i m ec o d i n g , c h a n n e le s t i m a t i o n , l sa l g o r i t h m ， l m m s e - s v d a l g o r i t h m ，t i m e - d o m a i ni n t e r p o l m i o n , a d a p t i v e l i n ee n h a n c e r , s i m u l a t i o no f s u l m o d e l s ，i t e m t i v ei n t e r p o l m 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： 张帆 e t 期：堑生幻 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。 碱雌轹垃摊名哗 第一章绪论 1 1i e e e 8 0 2 1 6 标准概述 第一章绪论 w i 姒x ( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) 是基于i e e l 8 0 2 1 6 标准的无线城域网技术 的别称。w i 姒x 正在日益受到重视是因为其提供了城市大范围宽带无线数据接入的便捷有效的手段。2 0 0 4 年，i e e e 将先前制定的相关标准进一步总结和修订后，合并为8 0 2 1 0 - 2 0 0 4 标准，并作为2 g h z 6 6 g h z 频段固定无线宽带接入系统空中接口的正式标准。整个标准涵盖了媒体接入控制层( m a c ) 和 物理层( p h y ) 两方面的内容。媒体接入控制层支持基本的点到多点( p m p ) 拓扑和可选的网格( m e s h ) 拓扑结构。物理层支持多种规范，在l o g h z 6 6 g h zl o s ( 视线) 传输频段，物理层采用单载波调制， 称为“w i r e l e s s m a n - s c ”；在2 g i l z l l g h zn l o s ( 非视线) 传输频段，有三种调制方案：增强单载波 调制、正交频分复用( o f d m ) 和正交频分多址( o f d m a ) ，分别被称为“w i r e l e s s m a n - s c a ”、 。w i r e l e s s m a n - 0 y d m 和“w i r e l e s s m a n - 0 f d m a ”；另外，协议还给出了免注册频段的“w i r e l e s s 册m a n ” 方案，通过附加特殊的m a c 和p h y 机制来检测和防止相互干扰。日前，进一步支持移动性的8 0 2 1 6 e 修订标准也基本完成。 1 1 2m a c 层协议简介 i e e e s 0 2 1 6 标准的m a c 层由3 个子层组成：特定业务汇聚子层( c s ) ，| l a c 公共部分子层( c p s ) ， 安全子层( s s ) 。 ( 1 ) 特定业务汇聚子层通过业务接入点( s a p ) 接收外部网络的数据，并将这些数据变换或映射 成砒c 业务数据单元( s d u ) 后通逊执cs a p 发给姒cc p s 。为了兼容各种协议接口，i e e e 8 0 2 1 6 标准 提供了多个c s 规范：a t mc s 、分组c s ，以太网c s 和v l a nc s 。 ( 2 ) m a c 公共部分子层负责系统的接入、带宽的分配、连接的建立、连谈的维护。m a cc p s 从m c s a p 接收各种c s 数据，不同的数据从属于特定的m a c 连接，并提供服务质量( o o s ) 控制用于数据的 传输和调度。它支持p m p 和m e s h 两种网络拓扑结构，支持物理层两种双工模式f d d 和t d d 。此外在2 0 0 4 年的8 0 2 1 6 标准中，m a c 协议还增加了可选的h - a r q 方案用以支持蝴物理层。 ( 3 ) 安全子层提供鉴权认证、密钥交换、加密等用户身份管理功能。 1 1 3 物理层协议简介 i e e e s 0 2 1 6 标准的物理层主要规定了关于系统频率带宽、调制方式、信道编码、时分复用结构 等与发射机密切相关的要素，有的还给出了对接收机的性能要求。如前所述，物理层有多个可选标 准；w i r e l e s s m a n - s c 工作在1 0 g h z 6 6 g h z 频段，该频段的波长短，基本上用于视线( l o s ) 数字微 东南大学硕士学位论文 波传输，信道的多径效应可以忽略，典型信道带宽是2 5 或2 8 m h z ，数据速率可以超过1 2 0 m b s 。 w i r e l e s s l 从n - o f d m 、w i r e l e s s m a n - o f d m a 和w i r e l e s s l 枷- s c a 工作在2 g h z l l g h z 频段，由于波长 较长，一般都属于非视线( n l o s ) 传输。n l o s 环境下无线信道多径效应非常明显，所以这三个物理 层方案都加入了高级功率管理，智能天线和空时编码发射分集等技术。w i r e l e s s 姒n - s c 、 w i r e l e s s m a n - o f d m 和w i r e l e s s m a n - s c a 模式的各终端( s s ) 采用时分多址( t d m a ) 接入上行信道： w i r e l e s s 姒n 删a 的各终端则采用t d 姒和o f d m a 相结合的方式接入上行信道。物理层支持两种双 工模式f d d 和t d d 。标准还要求b s ( 基站) 和s s 能完成信道质量的测量，测量所得的参数可以运用在 b s 选择和分配等过程中。 在i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准中，可用于2 g h z 1 1 g h z 频段非视线传输的2 种物理层标准正交频分 复用( o f i ) m ) 和正交频分多址( o f d m a ) 受到了广泛关注，这是因为其核心的o f d m 技术具有频谱利 用率高、抗多径衰落能力强等优点，非常适用于城市覆盖宽带无线通信。因此，本文将主要主要围 绕i e e e 8 0 2 1 6 - - o f d m 标准。 1 2i e e e 8 0 2 1 6 - - o f d m 系统中的抗多径衰落技术 在n l o s ( 非视线) 无线传输环境中，多径衰落信道是制约系统性能的主要因素，因而研究 i e e e s 0 2 1 6 - o f d m 系统中抗衰落的技术具有十分重要的意义。在后面关于无线信道的讨论中我们将会 看到，固定无线宽带信道对系统的影响主要表现在两方面：1 ) 多径衰落2 ) 时延扩展及其带来的频 率选择性衰落。多径衰落是由于大量散射分量相互干涉叠加导致接收信号幅度( 包络) 随机变化，当 接收信号幅度衰减很大( 深衰落) 时，微弱的接收信号将会被淹没在高斯白噪声背景中，从而更容易 导致判决错误。另一方面，宽带系统的码元周期往往小于信道多径时延，或者说系统的传输带宽大 于信道相干带宽，这被称为频率选择性衰落信道，此时接收机端的接收信号是不同码元信号经过不 同时延后的叠加，由此带来的码间干扰也会严重影响数字通信系统的性能。 在i e e e 8 0 2 1 6 - o f d m 系统中，利用o f d m 技术以及引入循环前缀和频域均衡可以克服宽带系统中 由频率选择性衰落所带来的码间干扰同时避免了使用复杂的时域均衡器。而克服衰落的有效手段是 分集，在o f d m 系统中，通过频率交织和信道编码可以实现频率分集，为了进一步获得空间分集增益， i e e e s 0 2 1 6 - o f d m 标准中规定可以在下行链路中选用a l a m o u t i 空时编码技术实现多天线发射分集。 与传统接收分集技术不同，发射分集只需要在发射机端( 基站) 增加多个发射天线而在接收机端( 终端) 仍可使用一个接收天线，这降低了终端的复杂度和成本，便于整个系统的架设和运营。 随后将会看到，实现a l a m o u t i 空时编码发射分集的难点在于准确的信道状态信息的获得，即信 道估计，因此，本文将主要研究a l a m o u t i 空时编码i e e e s 0 2 1 6 - - o f d m 系统中的信道估计问题。 2 第一章绪论 1 3 本文的主要工作及内容安排 本文的主要工作有2 个：一是对固定无线宽带信道模型( s u i 模型) 的仿真实现进行了仔细的研究， 提出了一种适用于高仿真采样率下的内插方法。二是针对 l a l o u t i 空时编码i e e e 8 0 2 1 6 - - o f d m 系统，提出了一套比较完整的信道估计方案，包括利用空时前导进行初始信道估计和利用空时梳状 导频进行信道跟踪。并对方案进行了性能仿真和分析。 本论文的章节安排如下： 第一章绪论中简要介绍了 e e e 8 0 2 1 6 协议，分析了i e e e 8 0 2 1 6 - - o f d m 系统抗多径衰落的主 要手段，引出了a l a m o u t i 空时编码发射分集的信道估计问题。 第二章简要回顾了o f d m 系统和a l a m o u t i 空时编码的原理，分析了i e e e $ 0 2 6 - - o f d m 协议 中对a l a m o u t i 空时编码的相关支持，包括空时帧结构、空时前导和空时梳状导频结构。 第三章详细讨论了无线信道的建模和仿真实现，并具体讨论了s u i 模型的仿真问题，提出了一 种适用于高仿真采样率下信道仿真的内插方法。最后给出了s u l 模型的仿真结果。 第四章首先回顾了单天线链路o f d m 系统中的信道估计方法。在此基础上，讨论了a l a z o u t i 空时编码i e e e s 0 2 1 6 - - o f d m 系统中的信道估计问题，包括利用空时前导进行初始信道估计和利用 空时梳状导频进行信道跟踪。在空时前导信道估计中主要讨论了时域和频域最小二乘( l s ) 算法和基 于特征值分解( s v d ) 的频域线性最小均方误差( l m m s e ) 方法在一定条件下，我们也可以利用空时 梳状导频进行信道跟踪，其中主要分析了基于时域内插结合自适应谱线增强的方法。最后给出了性 能仿真的结果。 第五章对全文进行了总结，并指出了进一步研究的方向。 3 第二章i e e e s 0 2 1 6 - o f d m 标准与a l a m o u t i 空时编码 第二章i e e e 8 0 2 1 6 o f d m 标准与a l a m o u t i 空时编码 2 1o f d m 系统基本原理 o f d h 系统发射信号j ( f ) 可以如下表示： rn 2 一i1 s ( f ) = r e s , e x p j 2 n ( f 。+ | j 鲈) f ) ( a f = i t ) l t - 一，2j 其中：是子载波总数( 设为偶数) ，丑是每个子载波的调制符号，子载波频率间隔 掣2 1 t ( 1 足行号周期) ，工是载波颧翠可以证明： ? e x p ( j 2 n t ) e x p ( 廊抄= 恬= ， 即每个子载波之间都是相互正交的而且i t 是满足：这- - i e 交性的最小间隔 由于这种正交性，解调器能够方便地从接收信号中恢复传输符号： = 手( f ) 【e x p u 2 万事) 】函= & ( 2 3 ) 同样得益于这种正交性，与传统的f d m 系统相比，0 f i ) m 系统各个子载波之间存在频谱交叠因而 频谱利用率更高。 由( 2 1 ) 式，我们可以得到s ( f ) 的等效低通复包络；o ) ： ；( f ) = 笙。x p ( j 2 窟喜f ) 我们对( 2 4 ) 式在采样速率，= ：尝下进行采样，可以得到： ；(n)=芝expu2，r尹kn=荟n-ikn2既p c ，2 ，r 等) = 崛q ) = 观( ) ( 2 5 ) j v t - 0 v 州= 匕嚣篇揣 m ( 2 5 ) 式可见o f d m 基带调制可由i d f t 变换实现，类似地，相应的解调也可通过d f t 变换实 现。因为n 为偶数，所以d f t 可以通过快速的f f t 运算来实现，这大大简化了o f d m 系统实现的 难度。n 个子载波数据符号经过i d f t 变换后合称为一个o f d m 符号f 或块1 ，为了消除宽带系统的 东南大学硕士学位论文 码问干扰，每个o f d m 符号之间还需要加入称为循环冗余前级的保护间隔。当循环冗余前缀的长度 超过信道最大多径时延时，接收端去除该前缀后就能消除码间干扰。 综上，一个完整的o f d m 基带系统的示意图如图2 - 1 所示： 图2 - 1o f d m 等效基带系统示意图 n ( 0 设矗= k ( o ) ，矗( 1 ) ，晶( 一1 ) 】是厣时刻的发送数据符号向量，其中磊( d 是第 k ( 0 k n 1 ) 个子载波的数据符号毛= 【磊( o ) ，矗( 1 ) ，毛( 一1 ) r = l o f t n s n s n 的n 点 i d f t变换。加入长度为o的循环前缀后的信号向量 - 矗( 一g ) ，( 一1 ) ，( o ) ，( i ) ，吒( 一1 ) r 。 设h 【矗( o ) ， ( 1 ) ，h ( l 1 ) 0 ，o r 是频率选择性信道的时域脉冲响应向量， 日= 【h ( o ) ，h ( o ，h ( n 1 ) r = d f t u h 是h 的n 点离散傅立叶变换。设 7 1 1 = 【，l g ，j - ，碍，b - l 】r 是零均值复高斯白噪声向量，并记片= 【，强， 1 1 7 ， w = w o ，w 2 ，w - l r = d f t n n 。 那么时域接收信号向量z 可表示为： 一= 日+ ，目如+ ( 2 6 ) 6 第二章i e e e 8 0 2 1 6 - o f d m 标准与a l a m o u t z 空时编码 其中： h t = h l = h ( o ) h o ) 肼l - 1 ) o o o 矗( 0 ) h ( l 1 1 0 o 0 矗f - 1 ) ；0 ；0 00 至h(l-1)墓l岬， l 矗( o ) v w + g 1 f + g ) x o v 4 0 ) ( 2 6 ) 式中，羁表示了由频率选择性衰落带来的当前o f d m 符号各个采样点之间的干扰，日m 表 示了由频率选择性衰落带来的前一个o f d m 符号对当前o f d m 符号的码间干扰。 如果g 三一1 ，由( 2 6 ) 式，除去循环前缀后的接收向量咒可表示为： 咒= 0 h ( l n i。0 o ( o ) h o ) h ( l - o o o h ( l - 2 ) 矗( o ) 0 0 h ( l - 1 ) | j i ( 1 ) i j 0；。；! i h ( l l 卜； i ； 0； ；j； 0h ( l - 1 ) h ( 0 1 h ( l - 1 ) ，h o ) 。 h ( l - 1 ) 0 。 。0 h ( l - 1 ) 厅( o ) 7 以+ n x ( + g 、 z + ( o 】z - ，+ d 动 o 挪蟛；o；m 。p：；。 东南大学硕士学位论文 f ，x ( o ) x ( n - 1 ) i ) 1 x ：i x ! 1 ) 掣誓2 l l ： ： f ! , x ( n - 0 x ( n - 2 ) x ( o ) j ，“ 】k 图2 - 2o f d m 系统等效平坦衰落a w g n 信道 第二章 e e e s 0 21 6 - o f d m 标准与a l a m o u f i 空时编码 2 2a l a m o u t i 空时编码 经典的香农信道容量公式指出了在一定信躁比和频率带宽条件下a w g n 信道所能达到的信道 容量的极限。在单天线链路的系统中，目前通过先进的信道编码( 如t u r b o 码。l d p c 低密度奇偶校 验码) 已经接近了香农公式信道容量的极限。随着数据多媒体业务的发展，对无线通信系统的容量提 出了越来越高的要求，然而目前可利用的无线频谱资源已经十分有限。解决这一问题的一种方法是 降低发射功率，缩短传输距离，以致不会对其它已有无线系统造成干扰，这样就可以利用更宽的无 线频带，从而获得更高的信道容量。这种方法常见于短距超宽带( u w s ) 无线通信这类功率受限带宽 不受限的系统。然而对于像i e e e 8 0 2 1 6 这类需要城市大范围覆盖的无线通信系统，为保证传输距离 和覆盖，需要保证一定的发射功率，这类系统是功率不受限( 相对雨言) 带宽受限的，因而迫切需要提 高系统的频谱利用率，为了突破香农信道容量公式的限制，可以采用m i m o 多天线链路的技术，参 考文献 q 2 1 指出在理想条件下，m i m o 系统的信道容量与天线的数量成线性增长关系，进而极大地提 高系统的频谱利用率。 m i m o ；技术租略地可分为两类”j ：空间复用( s 聊和空时编码( s t c ) 空间复用技术是同时利用多 天线并行发送独立的数据以提高系统容量：空时编码则利用多天线空间分集以获得空间分集增益， 有的还能获得额外的编码增益常见的空时编码哪有空时分组分组码( s t b c ) 、空时网格码( s t t o 空时t l l r b 0 网格码和分层空时码( l s t c ) 等 一个典型的空时编码m i m o 系统如图2 - 3 所示： 图2 - 3 空时编码m i m o 系统示意图 一般地，在m i m o 系统中，需要估计总共m ，个信道，另外在检测时需要对一段时间内的j 个接收信号序列进行联合检测。 a l a m o u t i 空时编码嘲是一种简单的正交分组空时编码( o s t b c ) 。能实现2 个发射天线系统下的发 射分集并能提供完全的发射分集增益嘲。由于其实现简单，目前已被包括i e e e $ 0 2 1 6 无线宽带接入 系统在内的许多通信系统标准接纳为一种可选的下行链路多天线增强技术解决方案。在当今数据业 务应用中，下行链路( 基站b s 到终端m s ) 的带宽需求远大于上行链路，与传统的接收分集技术不同， 在下行链路上采用发射分集技术只需要在基站端增加多个发射天线阵列，而终端只需要一根接收天 线，就能获得相同的空间分集效果，这降低了终端的复杂度和成本，便于整个系统的架设和运营。 9 东南丈学硕士学位论文 2 发】收( 2 个发射天线；1 个接收天线) a l a m o u t i 空时编码系统的示意图如图2 4 所示： 一0 舶 图2 - 42 发1 收a l a m o u t i 空时编码系统的示意图 在a | a m o u t l 空时编码中，首先将每2 个数字调制符号捌分为组，比如【墨，1 ，然后按照如 下给出的编码矩阵映射到2 个发射天线： c = b 妥) ( 2 9 ) 这里，矩阵c 的行表示不同的码元时刻，列代表不同的天线。编码器的输出在2 个相邻的码元 时刻分别从2 个天线发射出去。在第1 个码元时间里，s 和曼分别由天线1 和2 发射；在第2 个码 元时间里，天线1 发射信号是的负共轭一，天线2 发射信号墨的共轭g 。显然这种方法对数字 调制符号墨、岛既在空问域( 不同天线) 又在时间域( 不同码元时刻) 进行了交错，即空时编码( 编码矩 阵为c ) 。假设信道是平坦衰落信道，并且在2 个相邻的码元时问内近似保持不变，2 个信道的衰落 系数设为啊和，则在接收端相邻2 个码元时间里的接收信号m 和耽可表示为： 盼c 卧盼b 就 + 习 ( 2 1 0 ) 羔 = ( 恚乌) 囊 + 三 c z t ， 若记z = 睦名) ，蚴一训空时编码矩阵的正交性可妣 心= 暖驮乏) = ( 旧1 2 ：啪0 ，) 刮删m 眨 所以如果对( 2 】) 式左乘x 8 可以得到： 三 = x 8 羔 = x 8 x 曼 + x ” 薏 = c 岛r + i 如b 曼 + z c ：， 由( 2 1 3 ) 式可以看出，除了含有加性零均值高斯白噪声也和w 2 以外。毛只与发送符号s 有 关而乞只与发送符号最有关，且相当于各乘以因子( f 啊 2 + l 吃j 2 ) 由此可见a l a m o m i 空时编码矩 阵的正交性可以把对发送符号s 与足的联合检测问题分离为对两个符号的独立检测问题。这一分离 只需要使用( 2 1 3 ) 式所示的线性运算，因而实现起来是简单的。这里假定使用硬判决，根据a w g n 无记忆信道下的最大似然( m l ) 判决准则1 6 】，可知： 童= a r g m i n z 1 | ( 1 啊1 2 + l 吃1 2 ) 一f 2 ) ( 2 1 4 ) k 是= a r g m i n l 乞，( 1 两f + l 如1 2 ) 一1 2 ( 2 1 5 ) 如 在实际应用中，接收机无法准确获知啊和如，需要通过一定的信道估计算法得到啊和的估 计值磊和意。所以，在接收机端首先应获得信道的估计值磊和爰，然后对接收信号舅和乃进行合 并以得到毛和乞： 毛= 嚏川+ 吃以 毛= 吃m 一 虻 最后根据毛和乞进行判决 是；a 唱m i n l 毛圳茸1 2 + i 丘i z ) 一p ) 盅= a r g m i n i z z ( 五1 2 + i 五1 2 ) 一1 2 o ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 参考文献5 1 指出以2 发l 收a l a m o u t i 空时编码方式实现发射分集时，其分集效果等效于采用1 发2 收最大比合并接收分集( m r r c ) 算法 2 3i e e e 8 0 2 1 6 - o f d m 标准中的a l a m o u t i 空时编码 2 3 1o f d m 技术与a l a m o u t i 空时编码的结合 在i e e e $ 0 2 1 6 - o f d m 物理层标准中，采用了2 发1 收a l o m i 空时编码作为可选的下行链路 多天线增强技术川。采用a l a m o u t i 空时编码的i e e e s 0 2 1 6 - o f d m 系统的示意图如图2 - 5 所示： 东南大学硕士学位论文 s s 终端 图2 - 52 发l 收a l a m o u t i 空时编码i e e e 8 0 2 1 6 - o f d m 系统的示意图 在i e e e 8 0 2 1 6 o f d m 系统中，是对每个子载波信道分别进行a l a m o u t i 空时编码的。由2 2 节我 们知道，使用a l a m o u t i 空时编码的前提条件是信道是一个平坦衰落信道并且在2 个相邻的码元周期 内信道特性不变。如前所述，o f d m 技术可以把一个宽带的频率选择性信道转化为多个并行子载波 上的平坦衰落信道，并且对于i e e e 8 0 2 1 6 这类固定( 或游牧的) 宽带无线通信系统而言，信道的变化 相对于码元速率是缓慢的，即信道是慢衰落信道，这样假定在2 个相邻的码元周期内信道特性不变 也是合理的。正是上述2 种原因使得在每个子载波信道上采用a l a m o u t i 空时编码成为可能。 由( 2 8 ) 式，对每个子载波有： k = 墨日( 七) + 唯( 七= 0 , 1 ，n 一1 ) ( 2 2 0 ) 如果我们对每个子载波符号置进行2 发l 收a l a m o u t i 空时编码。并假设信道的频率特性日( ) 在2 个相邻的码元时间内保持不变，发射天线l 、2 到接收天线的信道的频率响应分别设为h i ) 和 呸 ) ，则在接收端相邻2 个码元时间里的颏域接收信号i 辑) 和墨( 女) 可表示为： 笔暑 = ( 墨未) 匮嚣 + 暖： - ， 也即： 黝= ( 勰端州列 z ， 如果我们估计出2 个信道的频率特性