（电路与系统专业论文）基于导频的MIMOOFDM系统信道估计[电路与系统专业优秀论文].pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 在无线信道环境中可靠、高速的传输数据是无线通信技术的目标和要求。 m i m o o f d m 技术将o f d m 与空时编码技术有机的结合在一起，能够大幅度的无线通 信系统的信道容量和传输速率，并能有效的抵抗多径衰落、抑制干扰和噪声，从而引起 广大通讯界的关注。 本文在分析移动无线信道衰落特性的基础上，阐述了m i m o o f d m 系统的基本原 理，主要研究了m i m o o f d m 系统中基于导频信号的信道估计问题。分析了几种经典 的信道估计算法，并利用优化的导频信号提出了改进的信道估计算法。使原算法在性能 不变的前提下，大大降低了运算复杂度，最后结合计算机仿真对这些算法的有效性和可 行性做出了全面的分析和比较。 关键词：导频m i m oo f d m 信道估计 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t 摘要 d a t at r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s sc h a n n e l s 、) l ，i mt l i g hs p e e da n dr e l i a b i l i t yi sr e q u i r e di n f u t u r ew i r e l e s ss y s t e m a sac o m b i n a t i o no fo f d mw i t hs p a c e - t i m ec o d i n gt e c h n i q u e ， m i m o o f d mh a sr e c e i v e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n s ，w h i c hc a nn o to n l ye f f e c t i v e l ye n h a n c e t h et r a n s m i s s i o nr a t ea n dc a p a c i t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb u ta l s oe f f e c t i v e l y c o m b a tm u l t i - p a t hf a d ea n di n t e r f e r ea n dn o i s e t h e r e f o r e ，t h ea p p l i c a t i o no fm i m o o f d mi n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sr o b u s ta n dr e m a r k a b l e i nt h i sp a p e r , b a s e do ni n t r o d u c t i o no ff a d i n gc h a n n e l s ，t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dk e y t e c h n o l o g i e so fm i m o - o f d ms y s t e ma r ea n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，t h ec h a n n e le s t i m a t i o n t e c h n i q u e sa n dm e t h o d si n m i m o o f d ma r ed i s c u s s e di nd e t a i l ，w i t ht h ee m p h a s i so n p i l o t - b a s e de s t i m a t i o nm e t h o d s ，a n da l s os e v e r a lc l a s s i ca l g o r i t h m s a r eg i v e n ar e d u c e d c a l c u l a t i o nc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o di sp r o p o s e d ，。b a s e do no p t i m a l l yd e s i g n i n gt h ep i l o t s y m b o l s ，t h e nt h ec o m p l e x i t ya n dc o m p u t a t i o n a lc o s to f t r a d i t i o n a lm e t h o di sg r e a t l yr e d u c e d f i n a l l y , t h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no f t h e s ea l g o r i t h m si sm a d eb yc o m p u t e rs i m u l a t i o n k e yw o r d s ：p i l o t s m i m o o f d mc h a n n e le s t i m a t i o n i i 南京邮电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 含为获得南京邮电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：e l 期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：导师签名：日期： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 现代社会已经进入了信息时代，在各种信息技术中，信息的传输即通信起着支撑作 用。由于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 究与开发以及现代通信网的建设【l 】【2 】。 现代移动通信技术发展始于2 0 世纪2 0 年代，但是一直到2 0 世纪7 0 年代中期才迎 来了移动通信的蓬勃发展时期。美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统，建成了蜂 窝状模拟移动通信网，大大提高了系统容量。从8 0 年代开始，数字移动通信系统进入了 发展和成熟时期，欧洲首先推出了全球移动通信系统( g s m ) ，随后美国和日本也相继 制定了各自的数字移动通信体制。9 0 年代初，美国q u a l c o m m 公司推出了窄带码分多址 ( c d m a ) 蜂窝通信系统，这是移动通信系统发展中的里程碑。从此码分多址这种新的 无线接入技术在移动通信领域占据了越来越重要的地位。这些目前正在广泛使用的数字 移动通信系统是第二代移动通信系统。第二代移动通信系统主要是为支持语音和低速率 的数据业务而设计的，但是随着人们对通信业务范围和业务速率要求的不断提高，已有 的第二代移动通信网将很难满足新的业务需求。为了适应新的市场需求，人们正在研究 和设计第三代移动通信系统。尽管目前关于第三代移动通信系统的研究和标准化工作十 分引人注目，但是目前第三代移动通信的方案实际只能是第二代移动通信方案的改进， 算不上真正意义上的宽带接入网络。而且3 g 的核心网还没有完全脱离第二代移动通信 系统的核心网的结构。目前，人们把越来越多的眼光投向三代以后的( b e y o n d3 g 4 g ) 移动通信系统中f 1 】【2 】。 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 t 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进行动态调整。新一代移动通信的另一个特点是低成本。因 此在有限的频谱资源上实现更高速率和更大容量，需要频谱效率更高的通信技术。m i m o 技术充分开发空间资源，利用多个天线实现多发多收，在不需要增加频谱资源和天线发 送功率的情况下，可以成倍地提高信道容量。o f d m 技术是多载波传输的一种，其多载 波之间相互正交，可以高效地利用频谱资源。另外，o f d m 将总带宽分割为若干个窄带 子载波可以有效地抵抗频率选择性衰落。因此充分研究开发这两种技术的潜力，将二者 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 结合起来成为新一代移动通信核心技术的解决方案1 3 1 。信道估计是无线通信中的关键技 术之一，对m i m o o f d m 系统的信道估计算法进行研究和改进，对m i m o o f d m 技术 的发展有着重要意义。 1 2m i m 0 - 0 f d m 系统信道估计的研究现状 m i m o o f d m 系统与传统s i s o o f d m 系统相比一个重要的不同在于满足一定的信 道环境条件下，m i m o 系统的各发送接收支路之间都拥有相互独立的空间传输信道，即 传统o f d m 系统在时域上的信道估计各径延迟与复增益或在频域上的信道估计( 估计各 个子载波的复增益) 都将因为空间参数的引入而更为复杂。而在空间复用m i m o o f d m 系统中，m i m o 信道估计的作用则更为重要，因为从各条o f d m “基带处理单元”中产 生出的数据符号在没有经过空时处理的情况下直接被发送，这些相互独立的数据符号将 在空间传输中发生混叠，而各接收支路上收到的也是这些被信道噪声所干扰的混叠数据 符号。接收机要完成m i m o 解码任务，即从这些被干扰的混叠数据符号中恢复出从各条 发送支路所送出的原始数据，其实现的一个必要前提条件是需要对各组发送接收对之间 的空间信道响应有准确的估计。从单载波系统的角度分析，这些不同发送接收对之间的 空间信道就是在某个指定载波上的空间信道矩阵，而从o f d m 的角度来看这就转化为在 所有子载波上的空间信道矩阵1 4 j 。 目前m i m o o f d m 信道估计的方法通常可以分为三类： 第一类是基于导频或训练序列的方法。这类方法通常是在发送端发送训练序列来识 别出各发送接收之路之间的空间信道并获得这些信道的初始估计，然后再利用嵌入在每 个数据符号中的导频数据不断跟踪信道的变化。具体的方法有l s 算法，在掌握信道二 阶统计特性的情况下还可以采用更为准确的m m s e 算法和频域的内插算法等。具体的参 考文献有由h e n r i ks c h o b e r 等人提出的采用二维w i n n e r 滤波器自适应跟踪时变信道的算 法【5 1 f r i e d e rs a n z i 等人提出的自适应信道估计算法【6 1 、线性高斯内插估计方法7 1 、最大 似然估计算法【8 】、最优线性m m s e 算法 9 1 ，由于l s 算法估计效果不够理想，m m s e 算 法又过于复杂，x i a o y a n g 等人还提出了将m m s e 和r l s 算法相结合的算法f l o l 。还有一 种就是通过设计导频和训练序列来降低算法的复杂度，提高估计性能，例如h a r tz h a n g 等人提出的导频符号分析补偿算法【l l l ，有的在训练序列中进行功率补偿【1 2 】。基于导频训 练序列的信道估计方法性能好，简单且易于实现，应用广泛，几乎可以用于所有的无线 通信系统。这类方法的缺点就是训练序列占用了信息比特，降低了信道传输的有效性； 2 南京邮电大学硕上研究生学位论文第一章绪论 浪费了带宽。另外在接收端，要将整帧的信号接收后才能提取出训练序列进行信道估计， 不可避免的带来了时延。 第二类是基于被传输信息符号的有限字符和其统计特性的盲信道估计方法。由于盲 信道估计算法仅仅利用接收端数据的统计特性以及一些信道特征和发送序列的统计特性 来进行信道估计的，无需使用训练序列，因此大大提高了频谱利用率，引起了越来越多 人的关注。盲信道估计算法根据统计特性的不同主要分为：基于高阶统计特性的盲信道 辨识( h o s ) ，例如由s h e n g l iz h o u 提出的基于输入信号的高阶统计量的盲信道估计算法 1 3 1 ；基于二阶统计特性的盲信道辨识方法，其中一些算法是基于自相关矩阵子矩阵的盲 估计算法，另一些是基于子空间分解的盲信道估计算法：第三种就是基于一阶统计特性 的辨识方法。基于高阶统计量的盲辨识方法计算量大，收敛慢，且需要大量的数据，因 此对于快速时变的通信信道它并不合适。基于二阶统计特性的盲方法由于仅仅需要计算 自相关和互相关函数，因此计算量较小。但基于二阶统计的盲方法存在一些缺陷，比如 存在信道的不确定量。基于一阶统计特性的辨识方法( 隐含导频) 通过在发送信号上叠 加周期训练序列，同样节约了频带资源，并且实现简单，但是由于这种处理会增加发送 功率，从而使m i m o o f d m 系统的信道容量降低。 第三类是同时利用盲信道估计算法所用的信息和已知符号的信息来完成信道估计的 半盲信道估计算法。可以根据对未知输入符号的先验知识的利用程度对半盲信道估计算 法如下分类。第一种是确定性算法，如s f 算法、s r m 算法、确定性m l 算法、最d - 乘平滑方法及双边线性预测方法。第二种是利用统计量信息的高斯算法，( 盲) 预测算法 或者( 盲) 协方差匹配算法。将未知输入符号作为高斯随机变量来处理的半盲高斯最大 似然法g m l ( g a u s s i a nm a x i m u ml i k e l i h o o d ) 也属此类。在文献中还给出了一种半盲 g m l 算法，它采用了已知输入符号的不精确模型。第三种是利用数据的二阶或者高阶统 计量的半盲信道估计算法。第四种是利用输入符号的有限字符特性的算法，这类算法中 有盲m l 算法及其半盲推广形式。还有半盲统计m l ( s m l ) 算法也属此种算法。在 m i m o o f d m 系统中，也有很多人致力于半盲信道估计算法研究，半盲信道估计算法与 基于导频的信道估计算法相比计算复杂度要高，但是它提高了系统的频谱利用率。与盲 信道估计算法相比又降低了计算复杂度，所以它是介于导频信道估计和盲信道估计之间 的一种算法。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 3 本文主要的研究内容及章节安排 本文选取了基于导频的m i m o o f d m 系统做为研究对象，尤其对信道估计进行了 深入研究。 论文分为六章，其余章节的安排如下： 第二章叙述了无线信道分析的方法，分析了无线信道的特征。第三章讨论了m i m o 以及o f d m 的原理，并在此基础上提出了m i m o o f d m 的系统原理图。第四章首先讨 论了导频设计的原则，并介绍了l s 和m m s e 信道估计算法，着重研究了m m s e 算法 和奇异值分解的m m s e 算法，并在此基础上对三种信道估计算法进行了计算机仿真，分 析三种估计算法的各自优势与适用范围。第五章提出了基于导频分组的l s 改进算法， 通过计算机仿真对原始l s 算法和改进l s 算法进行了比较。改进算法继承了原算法的优 势，在性能上较原始l s 算法相比有了较大的提高，通过巧妙地设计导频信号，使得原 算法的计算规模大大减少。系统仿真结果表明，改进算法在保证系统信道估计准确度的 同时，降低信道估计算法复杂度，提高了系统性能。第六章总结全文内容，提出了本课 题有待于进一步深入研究的问题，并展望该领域的研究发展趋势。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道分析 2 1 引言 第二章无线信道分析 移动无线信道是时变多径信道，从微区的移动无线基站向移动台发出的无线信号， 在传播过程中不仅受到陆地传播路径损耗的影响，而且受到城市微区内复杂且时变环境 的多径反射、散射、绕射的严重影响产生传播信号的衰落。如果在一个时变多径信道上 发射一个非常窄的脉冲( 理想情况下是发一个冲激信号) ，则接收信号将呈现一个脉冲序 列，所以时变多径传播信道的第一个特性就是引起传播信号的多径时延扩散。第二个特 性是由于传播信道的随机时变特性而使得多径也有随机时变的特性，即所接收的脉冲信 号随着时间变化将会出现脉冲幅度大小的变化和各脉冲之间相对时延的变化，以及接收 序列中脉冲数目的变化。由于这种时变特性对于信道用户来说是无法预知的，因此用统 计的方法来表征时变多径信道是合理的。 移动信道的多径环境所引起的信号多径衰落，可以从空间、时间和频率三个方面进 行描述。由于移动台随机运动的多普勒效应引起的信道频率色散，造成了传播信道的时 间选择性衰落；由于微区环境使信号传播多径时延引起的信道时间色散，造成了传播信道 的频率选择性衰落；无线电波的不同入射角传播引起的信道角度色散，造成了传播信道的 空间选择性衰落。因此在城市的蜂窝移动无线通信中所接收信号的各种选择性衰落与信 道中存在的各类传播色散有着密切的关系，蜂窝移动无线信道也可以看作为衰落色散信 道。从衰落上看时，它是时间一频率一空间选择性衰落信道；而从色散上看时，它又是频 率一时间一角度色散信道。 2 2 无线信道的特征 在复杂的移动无线通信环境中，电磁波传播的机理是多种多样的，但总体上可以归 结为散射、反射和绕射。在城市的蜂窝无线环境中，由于周围高大建筑物的遮挡，从发 射机和接收机之间很少有可视路径传播信号，到达接收机的信号都经历了各种障碍物的 绕射、反射和散射。因此，接收信号是由各种散射、反射和绕射信号组成，由于各个信 号的传播路径和传播时间不同，它们到达接收机的时间、幅度和相位也各不相同，这些 信号的相互作用造成了瞬时接收信号相位和幅度的随机波动，这也就是通常所说的多径 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线信道分析 衰落。多径衰落是移动无线信道最基本的特性。 文献【h 】指出，陆地移动通信无线信号可以用三种传播机制来表征，这三种传播机制 是根据距离尺度大小来区分的，大尺度的传播机制是用来描述区域均值，它具有幂定律 传播特征，既中值信号功率与距离长度增加的某次幂成反比变化；中尺度的传播机制描述 的是阴影衰落，它是重叠在大尺度传播特性的中值电平上的平均功率变化，当用分贝表 示时，这种变化趋向于正态( 高斯) 分布，通常称为对数正态阴影；最后，小尺度上信号包 络的变化是描述多径衰落的，它通常服从瑞利概率密度函数，因而也称为瑞利衰落。 2 2 1 大尺度衰落特性 对传播模型的研究，传统上集中于给定范围内平均接收场强的预测，和特定位置附 近场强的变化。对于预测平均场强并用于估计无线覆盖范围的传播模型，由于它们描述 的是发射机和接收机之间长距离( 几百米或几千米) 上的场强变化，所以被称为大尺度传 播模型。 大尺度衰落特性表征了由于移动台就经过较大距离的运动而引起的平均接收信号功 率衰减或者路径损耗。大尺度衰落的统计特性给了我们一种将路径损耗的估计值以距离 为因子的函数计算方法，可以由均值路径损耗和对数正态分布的均值来表示它。 路径损耗代表的是大尺度衰落的传播特性，它具有幂定律的传播特征，主要反映自 由空间传播损耗与传播中的弥散损耗。在较早的受接收机噪声限制的移动通信系统( 通常 成为噪声受限系统) 中，路径损耗确定了信噪比( s n r ) 和最大覆盖范围。在频率复用的移 动蜂窝通信系统( 通常成为干扰受限系统) 中，路径损耗确定了同频、邻频的干扰程度， 因此也就关系到可以采用什么样的复用方案。 对于移动无线系统，o k u m u r a 对较大范围的天线高度和覆盖区域作了比较早的路径 损耗测试。h a t a 将o k u m u r a 的数据转换成了参数公式。对于移动无线系统，平均路径损 耗l ( d ) 是发射机与接收机之间距离d 的方程，它相应于距离d 处以距离哦处作为参照并 遵守如下公式【1 5 】： l p ( d ) ( d b ) = 三，( d o ) ( 如) + l o n l o g ( d d o )( 2 1 ) 一般的，对于大蜂窝区域哦取为1 公里，微蜂窝取为1 0 0 米，室内信道取为l 米。 三p ( d ) 是在给定的d 值的平均路径损耗( 经过不同地点) 。幂指数挖与频率、天线高度以及 传播环境有关。在自由空间中，l = l 。在一个电波传播加强的情况下( 比如两边有高层建 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道分析 筑物的城市街道) ，l 有可能小于2 。当存在阻挡物时，以的值就比2 大了。在离发射机 为玩处的参考点的路径损耗为三p ( d ) 一般通过测量得出。 2 2 2 阴影衰落 由前面的论述可知，在几十到几百个波长距离上的信号小尺度变化要用瑞利统计描 述。由于阴影遮挡、地形变化引起的信号中尺度变化，要采用高斯统计描述。因为通过 起伏地形和高度随机变化的成排建筑物的传播呈现的是慢衰落统计特性，或小范围内取 平均的变化，这就给上一节介绍的路径损耗加上一个随机变化。 阴影衰落使所预测的路径损耗会产生相当大的变化。由于阴影衰落是由基站和移动 台之间的地形特征，如在宏小区中的建筑物和丘陵以及在微蜂窝中像车辆这样较小的物 体所产生，在宏小区中，障碍物的有效变化尺度一般为几百个波长，所以阴影的影响在 几十个波长内基本上保持不变。如果围绕一条以基站为圆心的圆形路线( 也就是保持基站 和移动台之间的传播路径长度不变的路线) 上收集数据时，在正态概率纸上画出的用分贝 表示的平均接收功率将是线性分布，因而称为对数正态一阴影传播机制。 对数正态一阴影传播机制是由于基站发射的信号遇到地形地物等阴影的影响，在信 号到达的时候，已经经历了多次反射或绕射，每次反射或绕射都可以用衰减来表征，也 就是每个单独的信号都有某种程度上衰减的随机变量，因此最后有多个随机变量叠加后 的接收信号值就是对它们取对数后进行相加( 用d b 表示的话) 。由中心极限理论可知在一 般情况下其和的分布则是正态分布，因而显示出高斯统计。在自然单位中( 也就是不用 d b 表示) ，其和对应于对数正态分布。 如果把路径损耗和阴影变化结合起来，在离基站距离d 处的几十个波长间隔上的平 均接收功率给出为f 1 5 】： = 尼舾一1 0 1 0 9 d + q ，( 姗 ( 2 - 2 ) 这里的阴影变化电平q ，( 招1 应该是具有0 d b 均值( = 0 d b ) 的i e 态分布量，并与所 在位置有关。如果在同样距离d 的另外一些位置上测量平均功率的话，虽然不同的障碍 物在起作用，但将会发现画出了类似的高斯( 正态) 信号集合。 2 2 3 小尺度衰落特性 小尺度衰落指的是由于在发射机和接收机之间的空间区域内很小的变化( 小到半个 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二苹无线佰遭分析 波长) ，而导致信号幅度和相位较大的变化的现象。小尺度衰落有两种机理，一种是信号 时延扩展，另一种是信道时变特性。时延扩展机理在时域描述成多径时延散布，在频域 中描述为信道相干带宽。时变机理在时域描述成信道相干时间，在频域描述成信道衰落 速率或者多普勒扩展。 对于移动无线系统，因为发射机与接收机之间的相对运动造成传播路径变化，所以 信道是时变的，这些传播特性的变化率决定了信号的衰落速率。小尺度衰落包含几种衰 落模式，其中一种为r a y l e i g h 衰落。当反射路径很多并且没有可视路径，接收信号包络 由r a y l e i g h 过程描述。当有一个支配路径存在时，例如可视传播路径，那么小尺度衰落 可以由r a y l e i g h 过程描述。当移动台在较大的区域内随机游走时，接收信号必定经历两 种衰落模式：大尺度衰落( 阴影衰落) 和叠加在其上的小尺度衰落。 影响小尺度衰落的主要因素有多径传播、移动速度、周围物体的移动速度以及信号 的传输带宽。小尺度衰落根据传输信号的带宽、移动速度和不同的传播环境，可以分为 四种不同的衰落类型一非频率选择性( 平坦) 衰落和频率选择性衰落，快衰落和慢衰落， 如表2 1 所示。其中，是传输信号带宽，是信道的相干带宽，瓦是传输码元周期， 瓦是信道的相干时间。 表2 - 1 小尺度衰落类型 信道模型 瓦 瓦 b b ，时，发生频率非选择性衰落或平坦衰落，此时信号的所有频谱分量都以类似 方式受到信道衰落的影响。平坦衰落不引入信道引起的码间干扰( i s i ) 失真，但由于信号 衰落时信噪比( s n r ) 下降，性能仍然会下降。为了避免信道引起的i s i 失真，通过保证 展 b w = i t b ，即要求信道是平坦衰落。式中把码率1 瓦取作等于信号带宽风。 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道分析 综上所述，相干带宽是两信号仍然强相关时的最大频率之差。相干带宽和延迟扩展 成反比，延迟扩展和相干带宽是对多径衰落信道特性的不同观察。如果信号的发射带宽 大于相干带宽的话，信号将经受频率选择性衰落，只有载频部分是衰落的。如果相干带 宽和发射带宽一样大；那么整个接收频谱都将观察到衰落。如果信号的发射带宽小于相 干带宽的话，则属于平坦衰落信道。 2 3 加性高斯白噪声 高斯白噪声是所有信道的干扰源，它的存在使得信号经过信道都会或多或少受到影 响，之所以称噪声为白的，是因为这种噪声的功率谱分布均匀，并且包含整个频域，这 与白光是各种色光的叠加相似。当信噪比较低的时候，白噪声对信道干扰的影响也就越 凸现出来，由于高斯分布是不均匀的，误码是难以避免的。当信噪比高，不出现特殊情 况的时候，这种噪声的影响逐渐削弱，所以一般系统在越过信噪比门限的时候，误码率 就会以较快的速度趋向零，再增大信噪比已经不是很有意义。对于高斯信道，噪声的仿 真可以通过信号的能量、信噪比得到，具体的做法是通过对基带信号模拟频带传输的仿 真，可以通过 黜= - 1 0 l o g ( 忐 口6 ， 算得噪声的方差仃2 ，这就可以产生一个零均值的，方差确定的高斯平稳序列。这个序列 叠加在信号抽样的序列上就得到了信号在信道中传输的加性模型。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章m i m o o f d m 系统 第三章m i m o - o f d m 系统 众所周知，在未来的宽带无线通信中，存在两个最严峻的挑战：多径信道衰落和带 宽效率。o f d m 通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转变为平坦信道，从而减少了 多径信道的影响，而m i m o 技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据 流，有效的增加了系统的传输速率，即由m i m o 提供的空间复用技术能够在不增加系统 带宽的情况下增加频谱效率，所以如果将这两种技术相结合能使系统具有很高的传输效 率和很强的可靠性。本章将分别介绍m i m o 技术，o f d m 技术，以及研究m i m o 和o f d m 两种技术结合的新技术。 3 1m i m o 系统 m i m o 系统即多入多出系统，m i m o 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。根据收发两端天线数量，相对于普通的单输入单输出s i s o ( s i n g l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统，m i m o 系统还可以包括单输入多输出s i m o ( s i n g l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ) 系统和多输入单输出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。可以看出，此时信道容量随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1 3 j 。 利用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、z f 算法、m m s e 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。目前 性能和复杂度最优的就是b l a s t 算法。该算法实际上是使用z f 算法加上干扰消除技术 得到的。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【l 】【2 1 。 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章m i m o o f d m 系统 3 20 f d m 技术 o f d m ( 正交频分复用) 技术实际上是m c m ( m u l t i c a r d e rm o d u l a t i o n ，多载波调 制) 的一种。其主要思想是将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的 低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关 技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰( i c i ) 。每个子信道上的信号带宽小 于信道的相关带宽，因此每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。 而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易1 】【2 1 。 3 2 10 f d m 的优点 o f d m 技术之所以越来越受关注，是因为o f d m 有很多独特的优点： 频谱利用率很高。频谱效率比串行系统高近一倍，这一点在频谱资源有限的无线环 境中很重要。o f d m 信号的相邻子载波相互重叠，理论上讲其频谱利用率可以接近 n y q u i s t 极限。 抗多径干扰与频率选择性衰落能力强。由于o f d m 系统把数据分散到许多个子载波 上，大大降低了各子载波的符号速率，从而减弱多径传播的影响，若通过采用加循环前 缀作为保护间隔的方法，甚至可以完全消除符号间干扰。 采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。通过选取各子信道，每个符号 的比特数以及分配给各子信道的功率使总比特率最大。即要求各子信道信息分配应遵循 信息论中的“注水定理”，亦即优质信道多传送，较差信道少传送，劣质信道不传送的原 则。 通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。o f d m 技术本身已经利用了 信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。但通过将各个 信道联合编码，可以使系统性能得到提高。 基于离散傅立叶变换( d f t ) 的o f d m 有快速算法，o f d m 采用i f f t 和f f t 来实 现调制和解调，易用d s p 实现。 3 2 20 f d m 的基本原理 一个o f d m 符号由一组承载了某种p s k 或者某种q a m 调制信号的子载波叠加构 1 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章m i m o - o f d m 系统 成。设k 表示子载波个数，r 表示o f d m 符号的宽度，d 。o = 0 , 1 ) oo k 一1 ) 是分配给每个 子信道的数据符号，f o 是第0 个子载波的载波频率，r e c t ( t ) = 1 ，l t l ，+ 丁2 。3 。， l 0 t r 。+ t 2 在多数文献中，通常用复等效基带信号来描述o f d m 的输出信号 s ( f ) ：t 笔1 d , r e c t ( t - t , - 三) e x p j 2 n ( f + ；) o 一，) ， ， + 丁，2 ( 3 2 ) 1 0 t r ，+ t 2 其中，s ( f ) 的实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量，在实际中可以 分别与相应子载波的正弦分量和余弦分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的o f d m 符号。 图3 i 中给出了o f d m 系统的基本模型框图，其中z = 以+ i t 。在接收端，将接收 到的同相和正交矢量映射回数据信息，完成子载波解调。 每个子载波在一个o f d m 符号周期内都包含整数倍个周期，而且各个相邻的子载波 之间相差一个周期。这一特性可以用来解释子载波之间的正交性，即 亍1t j l e x p ( 以，) e x p ( j w m ，) 衍= 【。1 , ，m 埘= n ，l ( 3 - 3 ) 。汕岖卜叫积分p 串牡 叫卜叫积分卜 并 并 +爿至卜 串 变 i! 变 换 换 鱼拉岖卜叫积分卜 图3 1o f d m 基本原理框图 如果对( 3 2 ) 式中的第k 个子载波进行解调，然后在时间丁内进行积分，可以得到 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章m i m o o f d m 系统 扛糖文哪万扣。，) 势x 仁扣。，) 西 = ；射了e x 恤芋”a 户咆 c 3 q 从上式可以看出，对第k 个子载波进行解调可以恢复出期望符号。而对其它载波来 说，由于在积分间隔内，频率差别( f k ) t 可以产生整数倍个周期，所以积分结果为零 【l 】【2 】 o 这种正交性还可以从频域角度来解释。根据式( 3 1 ) ，每个o f d m 符号在其周期丁内 包含多个非零的子载波，因此其频谱可以看作是周期为丁的矩形脉冲的频谱与一组位于 各个子载波频率上的万函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为s i n c ( f t ) 函数，这种函数的 零点出现在频率为1 t 整数倍的位置上。图3 2 给出了o f d m 的频谱。在每个子载波频 率的最大值处，所有其它子信道的频率值恰好为零，从而避免了子信道间( i c i ) 干扰的 出现。各个子载波组合在一起，其总的频谱形状非常近似于矩形频谱，频谱的宽度接近 传输信号的奈奎斯特带宽，因而可以获得较高的频率利用率。 图3 2o f d m 的频谱 为了叙述简洁，可令式( 3 - 2 ) 中的r 。= 0 ，并且忽略矩形函数，对信号s ( f ) 以丁的间 隔进行抽样，即令，= k t k ( k = 0 ，k 一1 ) ，可以得到： 驴s ( k t k ) = 篓细刚t 2 n i k ) ( 0 k k - 1 ) ( 3 - 5 ) 仔细观察式( 3 5 ) ，可以发现等效为对d ，进行i d f t 运算。同样在接收端，为了恢复 出原始的数据符号矾，所进行的解调，可写为与d f t 等效的表达式： 矾= 奈e x p ( _ ，t 2 n k ) ( 0 _ i ，h = h o ，h l ，h 足一l 】r ，矽= ，聆”。r 石一l 】7 ， f ：i 兰0 ：篓卜d f t 矩阵，g ；k ：去p 印一。 f = i ； l 为 矩阵，= 二p ”k 。 l 磷q 碟n 埙弘dl w l ，( 办) = ( 】，一x f h ) 何( 】，一x f h ) 最j 、化【2 1 】 螋l ：o (4。3)oh 、， h t s = f q t s f hx hy咚一q q 船= ( f x x f ) 一( 4 5 ) j ；岱：x 一1 】，：【丛，丛，盟】7 ( 4 6 ) 马 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章m i m o - o f d m 系统基于导频的信道估计 配 歹 u 工 ，、一 、， i d f to d f t 确 ， 钿，l ，、 一 图4 2l s 信道估计的通用模型 4 2 20 f d m 系统中基于l s 准则的信道估计 近年来，正交频分复用( o f d m ) 技术在移动通信研究领域中受到许多关注。在宽 带移动通信系统中，无线信道通常在频域中具有选择性、在时域上具有多变性。从而， 在正交频分复用系统中，无线信道的信道冲激响应在频域上和时域上显得不稳定。因此， o f d m 信号的解调需要一种动态的信道估计 2 2 1 2 3 1 2 4 】【2 5 】【2 6 1 。 智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束能在空间域内抑制交互干扰， 增强特殊范围内想要的信号，这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量，其基本原 理是在无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的接收和发射，同时， 通过基带数字信号处理器，对各个天线链路上接收到的信号按一定能够算法进行合并， 实现上行波束赋形。 在宽带移动信道中，对于o f d m 系统，基于导频的信号检测方案己经被证明是一种 可行的方法【27 1 。o f d m 传输系统中的信道估计方法已经在信道假定是慢衰落的前提下发 展起来了，在慢衰落信道中，信道冲激响应在一个o f d m 数据块中假定是稳定的。另外， 以前的o f d m 数据块冲激响应被用作当前的o f d m 数据块的冲激响应。实际上，宽带 无线信道的冲激响应即使在一个o f d m 数据块中也会发生重大变化的。因此，在每一个 独立的o f d m 数据块中依据导频信号来估计信道传输特性是更可取的。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章m i m o o f d m 系统基于导频的信道估计 信 6 泵输入 插入 插入 调制串并 导频 l d f t保护 一 并串 映射变换 信号间隔 变换 一 聃肭y g ( n ) 一 移除 ；号输出 解调并串 一 信道 一 串并 d f t - 保护 映射变换估计 问隔 变换 4 2 2 1 系统描述 图4 3 基于导频的o f d m 系统的模型 图4 3 展示了一个典型的o f d m 系统模块图。二进制信息数据流被分组并被编成多 幅多相的信号。在本文中我们使用十六进制正交振幅调制。导频插入后，对已调频域数 据 x ( 后) 进行反傅立叶变换，把其变换成多进制的时域数据 x ) ) ，表达式如下： x ( 忍) = i d f t x ( k ) = z x ( k ) e 。一k ，l = o ，k 一1 ( 4 7 ) 上式( 4 7 ) d f l 的k 是子载波数。为了防止o f d m 系统中内部予载波间的干扰必须加保护间 隔，加入保护间隔后信号表达式为【2 8 】 姒加 工嘉由肛一n 删g , - n ，1 g + 1 , k - 1 ) 上式中是譬保护间隔的取样数，然后将插入保护间隔的信号发送到频率选择性的多径衰 落信道，第，个天线接收到的信号为 ： 匕( 一) = x g ( 玎) ol ( 刀) + ( 刀)歹= 0 , 1 ，n ，一1 ( 4 9 ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章m i m o o f d m 系统基于导频的信道估计 上式中h j 0 ) 是从发射天线到第歹个接收天线的信道冲激响应，( 强) 是加性高斯自噪 声。信道冲激响应办( 刀) 的表达式为【2 5 】 l ( 挎) ：r - i p 2 砒7 詈a ( a - r , ) ，o 刀k 一1 ，：o ，l ，n ，一1 ( 4 1 0 ) 上式中厂是传播路径的总数，忽是第f 条传播路径的冲激响应，厶是第f 条传播路径的多 普勒频移，多普勒频移会导致接收信号的内部载波间的干扰，五是延时扩展指数，霉是 第f 条路径的被取样时间归一化的时延。 然后再把接收到的信号去掉保护间隔，进行傅立叶变换，得到的多载波信号为： r j ( k ) = d f t y 0 ) = - 云y , y ( 聆弦一2 砌省 k = o ，1 ，k - 1 ，歹= o ，l ，- 1 ( 4 1 1 ) 假定保护问隔比信道的冲激响应时间更长，也就是说，o f d m 信号间没有内部符号 的干扰，多路输出的信号的表达式为【2 2 1 ： 艺( 尼) = x ( k ) h ( 七) + 睨( 七) ， 七= 0 , 1 ，k 一1 ，= 0 , 1 ，一l ( 4 一1 2 ) 式中，( 七) 是w j ( n ) 的傅立叶变换。 然后再从信号y s ( k ) 中抽取导频信号( 七) ，信道的冲激响应g j ( 尼) 就能从日( 七) 所 携带的信息中获得。有了信道的冲激响应h ，( 尼) ，传输的数据x ( k ) 就可以获得 支j ( 尼) ：姜型羔，k ：0 ，l ，k l ，：0 ，1 ，一l( 4 1 3 ) 日，( 七) 式中h ，( k ) 是日，( 七) 的估计，最后把信号解调，输出二进制数据流。 按照上述的o f d m 传输方案，可以容易的在时域和频域中分配导频。导频排列方式 主要有块状排列和梳状排列。图4 4 展示了块状导频。块状导频周期性的在时域内插入 特定的o f d m 信号。这种导频的插入方式使用于慢衰落的无线信道中，即在一个o f d m 块中，信道视为准静止。因为这种训练序列包括所有的子载波，不需要在接收端进行频 域内的插值，所以这种导频的设计方案对频率选择性不是很敏感。本章中考虑的导频排 列是梳状导频排列，如图4 5 所示。导频信号被均匀的分配在每一个o f d m 信号块内。 梳状导频信号有较高的中继率，因此，梳状导频排列在快衰落信道中性能更好。既然只 有一部分子载波包含导频信号，那么，非导频子载波的信道冲激响应便由插入的相邻的 2 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章m i m o - o