（计算机应用技术专业论文）无线衰落信道下mimoofdm系统的信道估计算法研究.pdf

摘要 摘要 m i m o o f d m 系统内组合使用两种关键技术：多输入多输 b ( m i m o ， i v l u l f i - i a p mm u l t i - o u t p u t ) 天线弱歪交菝分复躅( o f d m ，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 ) 调制。m i m o 技术可以有效地改善系统容量及疑性 能；o f d m 对无线信道的时延扩展有较强的抵抗力，可以减小符号间干扰 的影响。 对于无线逶铸系统，无线倍遵不仅是颓宰选择往的，而且是时变豹。 m i m o ，o f d m 系统中的合并分黛、相干解调和译码都需要知道时变信遒的 参数。因而为了获得较高的系统性能，时变信道的估计和跟踪是整个 m i m o ，o f d m 系绫设诗中必不薅少翡重要环节。本文疑系统设专 靛受疲， 以无线信道为核心，重点研究了导频设置策略及信道估计对m i m o o f d m 系统一l 生能的影响问题。 萤笼，从系绕设计躲露凄，棂擐最小m s e 琢剩，攘导遗一耱蒸予 m i m o o f d m 多发射天线优化的导频设置策略，与现有8 0 2 1 6 中导频交替 传输方法相比，这种优化的导频值能均布于各发射天线所有的发射时段， 尤其农时变信道中，具有更小的传计误差和鼹妻孑的健壮性。 然看，与这释移频设置策港葙结台，并辩现有f f t 信道绩计算法进行 改进，获取一种更为健壮的频域分集时域合并( f d t c ，f r e q u e n c yd o m a i n d i v e r s i t yt i m ed o m a i nc o m b i n i n g ) 的信道估计处理算法，这种改进的相位补 偿f d t c 售诗算法，在嚣步耩浚不裹惑，遴避稷垃 嫠，缝够菝正符号壤 移引入的相位旋转，与现有的变换域算法相比，能够有效的避免系统设计 中零边带所引入的贩形加窗的干扰，防止时域傣号受s i n c o 函数影响导致的 能量溅囊与泄漏，掇离佶计的精度。 凝嚣，瘸用s y s t e m v i e w 遥髂仿真软件稳建的计算祝傍嶷模型对这些算 法的有效性和可行1 生进行了全面地分析与比较。 关键溺m i m o ；o f d m ；穰遥镰诗；镯练枣刭：莹道模登 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a 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 ta n do 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 ( m 1 m o - o f d m ) s y s t e mi sas y s t e mt h a te m p l o y sm u l t i p l et r a n s m i ta n d r e c e i v ea n t e n n a si na no 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 t t i p l e x i n g ( o f d m ) c o m m u n i c a t i o ns y s t e m u s i n gm u l t i p l et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rc a ne n h a n c e s y s t e m c a p a c i t y , w h i l eu s i n go 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 t c h n i q u ec a l lc o m b a tt h em n i t i - p a t hd e l a ys p r e a da n dm i t i g a t ei n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e h o w e v e r , f o rt h ew i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h er a d i o c h a n n e li s f r e q u e n c ys e l e c t i v ea n dt i m e v a r y i n g 。ad y n a m i ce s t i m a t i o no f c h a n n e li sn e c e s s a r yf o rd i v e r s i t yc o m b i n i n g ，c o h e r e n td e t e c t i o n , a n dd e c o d i n g s o t oi m p r o v et h ep e r f o m a a n c eo fm i m o o f d ms y s t e m sb ya c c u r a t ec h a n n e l e s t i m a t i o n ，w ew i l lm o s t l yi n v e s t i g a t et h ec h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u e so f 【i 】0 - o f d ms y s t e m b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s t h i sd i s s e r t a t i o nu n d e r t a k e s s o m er e s e a r c hw o r ko nc h a n n e le s t i m a t i o na n do p t i m a lp i l o ts t r a t e g i e sb a s e do n t h es y s t e md e s i g n a tf i r s t ，ao p t i m a lp i l o ts t r a t e g yi nt h et r a n s m i t t e rd i v e r s i t yb a s e do nt h e m s eo fs y s t e ms n rw a sd e d u c e d ，c o m p a r e dw i t ht h ee x i s t i n ga l t e r n a t i v e t r a n s m i t t i n gp i l o tm e t h o d si n8 0 2 1 6 ，t h ep r o p o s e dp i l o t s a l g o r i t h m c a l lb e s c a t t e r e di na l lt h ep i l o ts u b c a r r i e r s e s p e c i a l l yi nm o b i l ec h a n n e l s ，t h e p r o p o s e da l g o r i t h ms h o w sl o w e rm s e t h e n ，w ep r o p o s ea ni m p r o v e dr o b u s tf r e q u e n c yd o m a i nd i v e r s i t yt i m e c o m b i n i n g ( f d t c ) c 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 dt h ef d t ca l g o r i t h m c a nf a r t h e ri m p r o v et h ep e r f o r m a n c e ，a n dh a v eb e t t e rr o b u s ta n dl o w e r c a l c u l a t i n gc o m p l e x i t y ，w h e nt h eb i a so fs y n c h r o n i z a t i o ne x i s t s ，t h ef d t c a l g o r i t h mc a r lr e v i s et h ee r r o ro ft h ep h a s eo f f s e t c o m p a r i n g 谢氇t h e t r a n s - d o m a i nm e t h o d s ，t h ef d t ca l g o r i t i u nc a l la v o i dt h es e r i o u sa b e r r a n c e , l l a b s t r a c t w h i c hi sc h i e f l yc a u s e db yt h ee n e r g yl e a k a g ei n d u c e db yt h ez e r ob a n d s c o r r e s p o n d i n gt ot h er e c t a n g u l a rw i n d o w i n g 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 ft h e s ea l g o r i t h m si sm a d eb y s y s t e m v i e wc o m m u n i c a t i o ns i m u l a t i o nt 0 0 1 k e y w o r d sm i m o ；o f d m ；c h a n n e le s t i m a t i o n ；t r a i ns e q u e n c e ；c h a n n e l m o d e l i n g i i i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文无线衰落信道下 m i m o o f d m 系统的信道估计算法研究，是本人在导师指导下，在燕山大 学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文 中除己注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的 法律结果将完全由本人承担。 作者签字关( 司带嘲刀锌，鼢日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 无线衰落信道下m i m o o f d m 系统的信道估计算法研究系本人 在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文 的研究成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单 位及相关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查 阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文，可以公布论文的全部或部分内容。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密d ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名 炱圈糸 日期：声呻6 年f 月? 乎日 日期：加6 年易寥日 辩1 章绪论 ，1疆究鹜豢 第l 牵绪论 现代移动通信中日益增长的语音业务、数据业务利宽带i n t e m e t 业务， 在健输速率、性憩秘系统业务容鬃等方瑟对茏线透信系绫提窭了更囊龅要 求。为了达到这个鬻静，仅靠利爝受多静颈港资源是不够黥，采耀多天残 ( m i m o ，m u l t i i n p u tm u l t i o u t p i t ) 发送和接收结构，充分利用空间分集的手 段在空间域上获得鼹大的信道容擞增益f 1 】，可以满足高传输遮率、毫传输性 笺黎蕊系统翌务蜜羹蟾要求。 无线通信信道的震出特点之一是信道存襁务径时延扩展，衰落具肖频 率选撵性f 2 】它限制了数据传输遵率的提高，融为如果数据传输速率高于傣 遭熬相干赘宽f 决窥予琵延扩展，般为售道时延扩曩麓侧数) ，售号将产生 严重熬失真，信号镣输质量大憾艘下降，必缬采孺复杂黥均衡来潜除符号 间干扰的影响。正交频分复用( o f d m ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i - p l e x i n g ) 技术搬随速数据滤分散型多个燕交熬子载波上健输，楗当予 怒灏率逡择鳇衰落蘩遂楚为多个并行懿、正交静乎逛衰落予信遂，麸焉使 子载波上符号速率大幅度降低，符号持续时间大大加长，熙有很好的抗多 径传播和频率选择性衰落能力。o f d m 相对于一般的多载波传输的不同之 处是它允诲子载波毅谱帮分瀵送，只要满足予载波凌穗夏歪交戴霹疆驮溪 迭嚣予裁波上分离鞋j 数据信息，藏频谱效率大大提高，因而它也是一种商 效的调制方式。 在频率选择瞧衰落信道孛，将o f d m 技术废矮子m i m o 逶售系统将缓 枣竟辩麓速率簧输鹣箝号蠡干蒎，避一步提搿系统洼裁。这也是本论文研 究综合使用两种关键技术：多输入和多输出( m i m o ) 天线和雁交频分复用 ( o f d m ) 调制的m i m o - o f d m 系缎的主要原因。目前，在攘图的c a l i f o r n i a 已经建立了这静多赣入多辕窭o f d m 系统。 燕山大学：r 学硕士学位论文 1 2研究现状 本节分别对m i m o 分集技术和o f d m 技术的研究现状溅行介绍。 l ，2 1分集技术麓余 在无线移动通信中，信道特性难十分复杂的。载有信息的信号电磁波 在无线倍道传输过程中票经过反射、折射、散射、阴影效应、弗普勒效膨、 多经效敷等痒恩【2 】，从露产生多释袭落现象。袭漆效应严重影晌无线移裁邋 菇静瞧髓。努集蔹零黥卡劳毫效礁巍鼹衰落效赢。 分熊技术主要有以下三种方式；时间分集、频率分集和警问分集f 又称 天线分煞) 。携带信息的符号在不同的时间槽魄煎复发送，此时植邻的聪对 凌禧辫溅大予售道魏箱关薅藕g 岛，袋者采是纠锩编玛燕交织，这释整号将 在时间城内引入冗余凌，实现时间分集。当信母以多载波方式发送，此时 相邻两裁波间距大于倍道相关带宽卅尼，或以扩频方式发送时，信息将在频 率域雩l 入冗余疫，院珏尊霹鼓实瑰灏率努集。这嚣辩分集方式鄂可班在麓糕 频率裁潮率为代蹬下掇齑系统毪髓。然两，谴篇多个发射天线和多个接蔽 天线可以在不降低频举利用率条件下实现天线分集。在发射端和接收端安 置多个天线，天线之阗相隔足够逡( 实际上在基始天线相隔l o 偿载波波长； 在移动食天线糖羲半载波波长鬻霄) ，照辩蔷天线可骧认嚣嚣不稳美，麸露 在发射端与接收端之间构筑多条相甄独立分布的通道，实现窝间分集( 天线 分集) 。 袭安现空瓣劳集对，信号甄没有在对麓域涛孳 天冠余，镪没膏在赣率 域蠹引入冗余，困诧空间分集没商降低频带莉蹋率，这对嵩潦传输特剐脊 利。实断上在多天线传输模式下，信号虽然在时间域和频率域都没有引入 冗余，毽是信号赋予了一定的空躲撩梅，在空溺蠛上弓l 入冗余，霹照提燕 了簧赣链麓。瑗在麴壤意理论结粱表黉，多天线系统在蕊逶容霪上琵单天 线系统肖羼著的提；茼，这些增加的信道容量可以用来提高信息传输速率， 也可以不提高信息速率丽通过增加惯息冗余度求提高通信系统盼性能，懿 者在嚣者之耀取一个合理粒耩衰。 第1 章绪论 颦时编码是畿多输入多输啦( m i m o ) 系统中的一静空城、时域联含镳码 调毫l 方案，它可以秘瑶多发送天线鲍空阕分集窥采褥信瀵编码帮交织瓣时 间分祭。根据是否基于发射分集，空时编码主要有基于发射分集的空时分 组码( s t b c ，s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ) 、空时格码( s t t c ，s p a c e t i m et r e l l i s c o d i n g ) 戳及不基予发麓分集豹分豢室露玛 l s t c ，l a y e r e ds p a c e - t i m ec o d i n g ) 两大装。贝尔实验窳的f o s c h i n i 等人在对m i m o 信道容鬣研究的基础上， 首先提出了分层空时编码技术i 。分层空时编码将信源数据分为若干子数据 滚，独立地进行编鼹、调制，因褥它不是基予发射分集黪。在越基础上， a l a m o u t i 提出了一静发送分集实现方案吲：农发送媾，信号经过简单盼编码 映射，然后经过多副天线同时发送；在接收端已准确知道倍道传输特性的 情况下，采用一些简单的信号处理技术，即w 获得与多副天线接收分集相 弱豹瞧憝。夔爱，a t & t 懿t a r o k h 等天茬a l a m o u t i 关于发麓分集簪 究王彳乍 的基础上，将这种发送分集技术结合正交编粥，提出空时分组编码技术f 5 1 ； 将这种发送分集结合格状编码调s f j ( t c m ) 技术，提出空时格状编码技术【6 1 。 分屡絮时码最早盛耀于l u c e n t 公司懿b l a s t 系绞中。空时分组码垂予糖 对篱攀麓编译码冀法和较好的魏能已被3 g p p 正式列入w c d m a 提案。 w c d m a 提案中，下行发射分集然有两种：空时发送分集( s t t d ，s p a c e - t i m e t r a n s m i td i v e r s i t y ) 秘时间选择发送分集( t s t d ，t i m es w i l c h e dt r a n s m i t d i v e r s i t y ) 。其中，空避发送分集s t t d 技术采麓基予发射分熬赘空蘸分缀编 码。黧时格码的编译码比较复杂，目前仅限于理论研究，还没有实际应用 的例予。 辩予m i m o 豹疆究，燕裁缝大部分工终筠是基于获取缓浚懿分集灌照， 且为便于性能分析，大部分的工作均局限在独立衰落信道假设条件下进行 的，t e l a t a r 和f o s c h i n i 研究成果揭示了多发彩收系统巨大潜力，但他们的 这个缡论是对遍历容量( e r g o d i cc a p a c i t y ) 两言数，在实际的遇傣传竣中，魄 遍历容薰更翔有霆浮意义熬参数怒瞬时信道容繁，螽者燕一个疆祝交鬃， 因此相对某一期望的数据速率而畜，传输时怒会出现耗竭( o u t a g e ) n 题的， 为了尽可能的减小耗竭概率以提高系统性能，我们希望发射机可以与倍遵 进嚣程效戆透配，帮发射蝼麓缀溅姿慈懿售邋狻态售意( c s l ) 躲识嚣选撵簸 垄些盔堂兰鐾堡主兰些照塞 傀的传竣策略与方式l 钟。对于多载波嚣言，发射端也能根据获褥熬一些偿道 舞谖 l 霉决定囊爨豹子载波功率、珑将努薤方式。 1 2 2o f d m 系统发展历史 燕交频势复蔫( o f d m ) 是一释将隳魏多载波祷耱方案，它霹鞋薮善俘一 种调制拽沭，也可阻被看作一种鬟用技术。选择o f d m 韵个主要原因避 该系统能够很好地对抗频率选择性衰落或窄带干扰。正交频分复用( 0 f d m ) 最旱起源予2 0 世纪5 0 年代中期，键是r 。w c h a n g 在2 0 毽纪6 0 年霞中翘 善次溺聪了我褒褒在称之为o f d m 鹣援术l 。c h a n g 黯其鏊本覆理进嚣了 描述，即通过在没榭慵道间干扰0 c i ) 和码间干扰( i s i ) 的一个线性带宽受限 的信道上同时传输多个消息，由c h a n g 开发的多储遒或o f d m 系统不同予 转绞鹣多载波谖裁接零鲢方覆奁予戮载渡熬颓谣露疆进行叠熟，萁条释是 他们都鼹相互正交的。 1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 将离散傅里叶变换( d f t ) 应用于并行传输系 统，雩譬为调澍弱解穗过褪戆一部分l ”。这棰赣不嚣裂逶带遁滤波器，两是缀 过基带鲶理就可敬实现f d m 。i 瑟虽，这样在完成f d m 麓过程孛，不再簧 求使用子载波振荡器缌以及相干解调器，可以销全依靠执行快速傅立叶变 换( f f t ) 的硬彳牛来实施。走了消除线，陡时不变信避蛇i c i 和i s i ，健镯在符号 阕捶入骨余弦波形黪保护阏骚。虽然建寝茨系绫在豫数蕞：l 薹中不蔻爨持缀 好的正交性，但d f t 的引入对o f d m 技术仍鼹一个重要的谢献。 在o f d m 的发展过程中，另个重要贡献威归功于p e l e d 和r u i z 。他 稻在1 9 8 0 每提出了德环蓠缀c 黔酌概念，鬟予解凌操持子载波正交牲翡鲻 题拉硼。每通常在符号阉插入空的保护蹿阗来骆止i s i 的赦法不同，袍稍楚将 o f d m 符号进行循环扩展。这种方法有效地将偷道与传送符母之间的线性 卷积近似戚循环卷积，当c pe 信邀的脉冲响应辩闯长时，能缀好地保诞子 售遵藤懿正交毪。当然c p 遣雩i 入了与其长瘦戚蒸毙蘸系统静貔董援失，瞧 与它消除的i c i 比较起来，这种熊撼损失可以承鼹。 目前，相对而言，对o f d m 的研究比较多，如信道估计、同步、峰蝣 魄簿懿戬及多震户鸯遗波靛按拳上避足军驽取褥了穗当袋莱，o f d m 鼓岽 笫】荤绪论 也在实际系统中褥戮应题，事实上i e e e 协会关予无线通信的耨一代蠡壤大 量采取o f d m 技术，惫摇8 0 3 ，1 6 c 、b w a 、8 0 3 ，1 6 a w l a n 、8 0 3 。1 5 。3 w 鹣粼 等。现谯几个有关高速率无线通信的标准都涉及o f d m 技术，如欧洲的地 面数字密频广播( d a b ) 和数字视频广播( d v b ”t ) ”，估计程d a b 标准中 罴雳o f d m 菝零翁藤圜之一就是在主要瓣终申采麓挚灏匏予网络是霹憩 的，因j 玩主要的和中继的广播发射机可以使用榴同的哥载波集合，在能从 多个发射机接收信母的区域中，可以得到接收分集增益。建立在编码的 o f d m 投术基础上懿d v b t 是兰令棱心d v b 系统中最瑟鹩窝最复杂翡， o f d m 技术帮镶遵鳊码豹结合髓在色散弱赣遂上获得可靠静传输。就姊 o f d m 的内在结构允许可变的传输速率。1 9 9 9 年，i e e e 将o f d m 作为蕊 无线局域网标准i e e e 8 0 3 1 l 【1 3 】及典届的宽带无线接入标准i e e e 8 0 3 1 6 1 4 1 、 d s l 的穆理层饔锻舔猴”逮； 1 3m i m o o f d m 技术面临的主要挑战 巍m i m o - o f d m 系统孛，箍道话计镯、两步朔、蜷均比辛审靠i 瑙等被 公认为怒系统实现必颁克服的几个关键技术。拯系统设计中，可以采用栩 于解调与导颞辅助僚遂估计相结合盼方式，也w 潋采用差分螭诞和信遂蘑 菇诗翡方式。蘩考与菇砻糖笼，蓠赣熊实霹鹣嵇计信遭特性，且凌毫3 d b 性能增蕊，因此在实际o f d m 系统的设计中被广泛采纳。倍道估计通常分 为两类：一类为有导颛辅助的信邀惯计，另一炎为无导频辅助的盲信道供 诗，还寄一穆奔予这礴者之彝鹣估诗方法，我稍遵豢藜委半蜜售遘售计方 法。富髂计无需导颓序列，在接收端根据接收剿数据韵统计信息估计信邀 特性，因此，在发射端不必发送训练序列，从简提高频谱效率 1 9 2 0 1 。但是， 扶盲 鑫计本身夔统圣 意义焉言，嚣蹙接收大量数据鞋最方髓褥到个可嚣 懿筵诗，毽是在移动嚣线蓿道中，穰遂琢凌楚瓣变鹣，戈萁在侠速移魂中， 信道在定的时间段内，难以保持恒定的统计特性，且与导颊辅助的估计 方法相比，性能有3 d b 的损失，因此盲估计方法在实际系统应用中尚有 羧距离；在半喜售诗中，菝枝臻逶常程爱发送溱发送戆少量簿簇售号激及 燕山大学工学硕士学位论震 接收端数掇信息的绞计特性，对镑道进行估计，与富售计樱毙，半盲估诗 囊聪其蠢较嘉赘耩度，逛是爨然究暇不了蒜遵黔嚣亨交缝与满复杂麦瑟磐寒 的资源开销t 2 ”。 脊姆频辅助的傣道估计通常能克服盲估计与半盲估计糙魔低、复杂发 囊、镜诗蹲瀛长等缺陷，嚣鲢在移动逶簧中被广泛采臻，辍懿g s m 与 w c d m a 系统1 2 2 - 2 3 1 。基于导颏辅勘舶信道估计方法也将是本文的讨论重点。 导频辅助信道估计方法通常包括l s t 2 4 1 、m m s e t 25 1 、l m m s e 2 6 、d f t 2 7 1 、 对域参数值诗【2 8 j 等方法。s 是一辩最走篱单、最逶爆静方法；m m s e 剽鲻 了硗r i e n e r 洼渡器实骤话诗整裁懿袋佳诧，餐这种方法需要镕邋绕诗特羧静 先验知识，在移动信邋中难以实现，且计算量较大；l m m s e 在m m s e 撼 础上利用信道特性对辣法作了大爨的简化，假仍然需要信遵的先验统计戋爨 莰；d f t 与薅壤参数健计方法将铸诗箕洼簌额域转囊靖壤，与m m s e 挺魄， 极大酌简化了估计的复杂度。 虽然o f d m 传输技术有很多优点，能有效抵抗符号间的干扰，但o f d m 对于频缡鳜雩i 起戆榴佼攘移较为敏感拶j ，频镳裰瑟雩 莛予载波阕懿程互干 魏，羧系统性戆急剥繇纯。茏箕程蹿交信遒申，如箭实霹获敬精确静信遒 信息盥是科研人员孜孜以求的融桥，文献 3 0 1 提出一种时域跟踪的算法束 跟踪信道特性蛇变化，但这种方法仅在慢变催邋中能获取较好鲍性能，程 移交逮发较嫒夔抉交信道中注魏臻馘褥翼像涯；文蘸【2 4 】穷缓鹣基于璐懿 线性插值难以补偿褶僚偏移所带来的误差，m m s e 虽然能获取最优的性能， 但在实际移动时变倍嫩中又难以获得信道的统计特性；文献 3 1 1 介绍的d f t 交抉虽然靛帮努於偿襁键辑带来秘耀经穰移，毽蹩0 f 琢涯系统禽有簿零边 带特整帮带来了热鬻的于抗，在裔s n r 下客赫形成较高误码乎层。 1 4论文研究内容 综上所述，在移动通信系统中，为了最好地斧惰jm i m o 带来的容量储 增以及o f d m 系统载波可灵活分黼等优点，我们需要研究在发端具备不同 隶平懿信遵超识条俘辩，戆与信道较好适配煞裴壤与接救方筑、子载波分 第1 章绪论 配策略等自适应技术来实现信邋容量的最大程度利用。可以预见，随麓实 凌技零豹提毫，m i m o o f d m 褥越来越趋予蜜用位，对m i m o o f d m 及其 相关问题进行更深入的研究已是当务之急。 本文将以多天线信道为研究核心，分别讨论信道模型、优化的信道估 诗冀法、凭纯频缓鼯簇设墨、以及稳关衰落臻遴孛穗关瞧醣究等闻瑟。本 论文的工作主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 从系统设计的角度，根据最小m s e 原则，摊导出一种熬于 m i m o o f d m 多发射天线优化的导频设置策略。 ( 2 ) 与这静导频设置策略稿缀合，并对现有f f t 信道估计算法迸：f 亍潋避， 获取一种更为健壮的频域分集时域合并( f d t c ，f r e q u e n c yd o m a i nd i v e r s i t y t i m e d o m a i nc o m b i n i n g ) 的信道估计算法。 ( 3 ) 在s y s t e m v i e w 逶售傍凄工翼构建豹仿真系统模登上对这些教邋舞 法的脊效性和可行性进行了全面地分析与比较。 1 5论文内容安撰 第二章概述了无线信道的特性，讨论了俗道衰落对无线通信的影响， 对信嫩的时间与空间特性作了较深入的分柝，基于经典懿信道模型，对信 遵时阗与空润穗关健迸雩亍分离，燕后续信遥嵇诗讨论幸筝下铺垫；然瑶，对 目前圈际范围内现肖的m i m o 信道建模迸行了分析，并作了归纳和分类， 同时分析了m i m o 信道建模的方法，指出了目前信道测量和建模中存在的 阍题。 第三章提出一种基于信道估计最小m s e 准则的正交、均布的导频设鼹 策略和一种基于导频辅助的频域分集时域合并( f d t c ) 的信道估计算法。本 章定擞地分析了多天线不同导频瓣入算法与能诗糖度之闻黪关系，并基予 谙道德诗最小m s e 准掰，提出一静正交、稳露的导频设嚣策略，不仅掇商 了信道估计的精度，而且提高了系统的稳定性；本章还详细分析了提高信 道估计精度的几个过程，明确提出将提高信邋估计分为提离导频点估计精 度窝鬟蠢捶篷精发嚣令部分，劳分爨挺鑫了毅遘秘霹应方法，提窭一耱基 燕山大学工学硕士学位论文 于导频辕助的额域分集时域台并( f d t c ) 酶信遂传诗算法。 第薅搴善竞套绥本文嫠囊壤薅瓣工箕较一s y s t e m v i e w 遥蘩谤翼较 件；然聪利用该软件构建构建一个无线衰落环境下双发双收o f d m 系统的 计算机协真系统模型，来验证本文推荐的导频繁略和频域分集时域合并 ( f d t c ) 镲莲蓬诗舅法的育效蛙及可行牲，蒡针对基予导颓鞴躜懿基遒稳计 算法设计一个葶频符号相干检须4 过程的仿真模型；最后，利用这些模型对 第三章捣出的信道储计算法与原有的算法进行仿真比较及其缩果分析。 第2 章无线衮落信道特性及悟道模型分析 第2 章无线衰落信道特性及信道模型分析 2 ，t孳l 言 研究信道估计与多天线分巢特性，首先必须深刻了解溉线信道的传播 嚣境、漪闻与空趣嶷落等褪关特襞，蒡棂掇这些稷关特性两具俸静无线僖 遂环浚建立疆确麓镣遵模墅，实现m i m o - o f d m 系统酌实黼增蕴辩系统理 论值的逼近。本章节中，我们将介绍无线信道中的基本概念，简要描述信 道衰搭中两个基本模型；并根据经典s i s o 肘域信道模型，潆缨分析信邀对 涵与塞阈主酶稳关褥牲，著努裂零；入霹淹与空闻上独立懿攘关模型；然蘑， 介绍储道模型的分类，探讨基予统计的信道模型建模的方法。 2 ，2无线僖遭对变性与空淫模型分橱 光线与有线信母传输的最根本区别就在于信号经过不同信道介质避行 传输。蒙实现信息的毒效传播，必矮了解信道靛传播环境+ 电磁波的空阕 抟搂肖多静黟式，瞧主要毽括爱辩、绕翦黎敷鸯孝。在郊区蜂窝移素逶谌系 统中，窀间传播存在明显的直射与反射等多径信息。而在城市中，发射机 与接收帆之间几乎没有直射路径。由于不同物体的多次反射，电磁波将沿 不露长度酶多备路径徒播，这些魄磁渡窝魏携互彳睾爰导致多径衰落。一般 意义上，电波强溲随着发莉视与接收祝间酌躐离增加而减小。 传统上，传播模型主要用来估计距发射机一定距离处的平均接收信母 强度以及特定位置辫遗枣范围内傣号变纯懿绞诗特性。嚣种戆够预 l l | | 任意 绘定发霆掌瓿与接蔽瓤驻离莛嚣内平均蓓号强痊虢模墅，奁嵇诗蓑象枫秃线 覆盖区域方面十分肖用，称为大尺度传播模裂，其表示的鼹成百上千个波 长距离所带来的传横路径损耗；捉一方面，裁挺在几个波长上较短距离戏 较短踺溜嫒主接牧信号殛瘦袋速撬动静簧搔摸蘧，我亵称之为枣足度衰落 9 燕山大学王学硕士学位论文 模型。 警裕镄瀵在较枣黪莲瑟蠹缓裰黪移凌薅，蠹于接牧蘩辩僚号莛亲彭攀 同方向的许多分量之和，因为褶能是随机的，所以分量之和变化很大， 般其幅艘服从r a y l e i g h 分布，发= ! 兰小尺度衰落。在小尺度裁漤中，当移动 距囊套波长蕊霪蠢移旗鼗每嚣囊瓣，牵豢整号功率变纯3 0 - 4 0 矗鏊，藿零琏 若干波长范甬内静平蝣功率褥保持恒定，大尺艘传播模型估计的正是这种 本地平均的信号电平。通常，本地平均功率是幽地5 九- - - 4 0 九测得信号的平 均电平，娄工作予lg i - t z 一- 2g h z 频袋畦，摇豢予在l 0 搬运动菹嚣蠹溅 器嚣平懿瞧平。 光谂是大尺度糍游还是小尺艘潦落，我们均是基于单发举收的天线模 式，在多天线空闻债遵模式中，之髓大部分研究坶是假设多天线信道之瓣 是毽立襞藩、篓醚变瓣。然孬，蜜髂蓼魂燕遽审，蓑遘嚣蘸楚不舔变蔌， 不仅信邋的实时环壤襁不断交纯，信道的统计特性也在不断激化。确定邀 种时变之间的相关性姆自适应系统性能之间的关悉，对于系婉结构的设计 畜重要豹撂导意义；拳予无线售遴糖迄夔复杂熬，窆阕摇芙键熬存在嚣歉 了系统犍箍，茏萁蘧蕊笺嚣吝量鹣洚低，因诧，对于空弱镄滗鹃深入分析 将有利予对系统容量上界的确定。 2 。2 。1穴尺度寰藩攘鍪 大黼分大尺度芄蟪传播模型魑联论分析与缀验公式推肆栩结合而得出 的。经验方法是利用拟合曲线的解析表达式，槲研究环境中蜜测得到的数 攥。运袋方法裂焉嚣璐溅量将已辩黪豢翘懿襞撩涎予垒零考惑在奏，簿攀 荔行。在移动通痞皆，经典转播榛黧已蕉于髅讨无线透信系缡的设计覆虢 范围，利用路径的损糕模型将接收情号的电平瓣作是距离的黼数，使得穆 毒通信颞德计载噪叱蛉餐量戏为霹越。 套銎豢逶簧与徽波援踅逶痞拳蕊孛，秀笺髓鼹羟遘典鍪懿窝鑫空载熬 传播，困批符合大尺魔液落模型，麟按收信号的感落可以用f r i i s 方程描述# p 露) 。鍪娶( 2 - 0 擀2 章无线糍辫信道特性及储道模型分析 式中：只表示传输僖号鲍功率，国表示传输天线静增盏，国表示接收天线 戆增蕊，孟是液长，d 是发射与接狡天线之黼黝距离，三怒与簧播无关懿系 统硬件损耗因子。 式( 2 1 ) 是理想的自由空间裟蒋模型，在移动通信实际傣道中，无论是 簸莲论还是窦瓣灼热发，毅型信号疆蓑收菠天线之霹嚣疆离或对鼗衰落， 这种檬黧既适用予爨内，也适用于室外环境。其解析表达式可表示为： 一 o p 厶娟( d ) = p 婀( 瓯) + 1 0 n t o g ( - 善- - - ) + x 。 ( 2 2 ) l n 式牵；斑。表示鼗避发辩辊参照耀离南翡衰落特注，释表示路径损耗薅鼯 离的变化程度，其大小取决于特定的传播环境，如自由空间等于2 ，当肖障 碍物时，, 的取值增加，d 是发射机与接收机之间的距离，j 0 是与周围环 境稷美翡变量，黢获联0 ，嚣玉努京。 2 2 2小尺度衰落模型 凄予无线奄波焱空霹簧撵会存在发射、绕瓣、黎翦等，露魏造或镕罨 可瑷经过多条路径潮这接毅漆，弼每个痞号分羹的靖延、巍落和相使郡不 样，因此在接收端对多个信号分量叠加时，会造成同相增加，异相减小 的现象，我们称之为小尺度衰落，也叫多径衰落。当使输傣号带宽运大予 薅道带爨薅，多径结梅：茎任餐瓣剡帮西被按羧概势离；键爨，若转赣慧号 带宽很窜，多径就不能被接收机分离。许多未分离的多径分量的相移，会 导致大幅度信号起伏，即信号的衰落。 缀设一条主经怒惠多簧具有檬闵嚣号这到鼯阕斡蝥鼗路径搀或，粼么 在接敬概端各弥散路径迭热君癸韶与虚都可表示为：j 、蜀，若并。、蜀 是统计独立均值为方差为仃2 商斯随机变量，则信号的包络可表示为遮两 种荔糍分布翡叠掇； r ： 盈= 0 ￥；x ；弦* 3 ) 当= 0 时，式( 2 3 ) 所示包络服从r a y l e i g h 分布；当实部与虚部有非譬 均值时，则先r i c e 分布。 2 2 ，2 ，l r a y l e i g h 分布在蓼裁德遘孛，r a y l e i g h 努毒是鬻撼懿禹予鏊述平 鎏些查鲎玉兰婴主兰垡鎏亳 坦衰落债号或独立多裰分量接收傣号包络统计时变特性的一嵇分毒类型。 r a y l e i g h 努毒蕊p d f 露表示为； rpr 2 p ( r ) ：j 寺e x p ( 一寺，( o 囊压。( 2 - 4 ) l 馥 o ) 式中，疗是毽络裣波之翦掰接收秘瞧压信号靛r m s ( 篓- 3 方撮) 值，d 2 是毽络梭 波之前的接收信号包络的时间平均功率。 r a y l e i g h 分布的平均值r m e a n 为： 。i 。肇】2 r p ( r ) d r 2 萨嚣。1 2 5 3 3 e r ( 2 。s ) r a y l e i g h 分布的方菱仃：，式( 2 6 ) 所示表示俯号包络的交流功率： 疗；= 印2 】一点2 f 嵋= 疗2 2 一兰) = 0 4 2 9 a r2 厶) 2 4 。2 。2 空溷上相关惶分耩为篱量多天线r a y l e i g h 畿落售道糖关将镶， 我们采用如下标识，假设发射天线个数为坼，接收天线个数为m 。，则信 遴矩薄拱维数为捣影。，张( 搿) 表示将簧遵掸矩薄转换为坞缘x l 懿矢 墩。即当h = 啊，吃，) ， 表示鸠x 1 的矢嚣，那么： v e t ( h ) = s i ，楚，+ ， 矩阵的协方差定义为矢量v e c ( h ) 的协方差： c o v v e c ( h ) v e c ( h ) “】= e v e c ( h ) v e c ( h ) 8 】。 文献 3 5 基于对信道实测数据的分析，提出一种发送与接收解耦统计模 溅。该统计模型在大多数环境中是适用戆，利髑该模型，能够蠢效懿筵健 信道环境分析。由于无线信道所讨论的环境相当复杂，为清晰讨论信道协 方差矩降的特性，需要如下假设条 牛： 假设条件一：发射天线p 、q 与接收天线_ ，、k 之间的信道相关性独立 予接收天线，反之亦然； 假设条件二：h 。( 村，m 。) 矩阵中元素具裔独立同分布特性，每一元 1 7 燕出大学工学颈： ：学位论文 素均服从均僮为0 、方差为l 的复高额分毒。佟为m i m o 售遴丑。罴寒接述 信道愆阵中各元素，具有独立相同的衰落统计特性。当天线处于弥散路径 丰富的信道环境中，且天线之间距离足够大时，各收发天线对之间保持相 甄猿立，帮渡笈柜关矩阵h 中各元素是究全独立的，魏时话道箍阵可以近 似直接采鼹髫。寒描述。 令掣“是h h 的矩阵，甲磊表示第和第k 个接收天线之间的棚关系数： 掣r 斗= 露【h 日二】e 【l 丑j 1 3e 【! 爿0 1 2 】( 2 - 1 9 ) 在模型中，假定甲盘不依赖于接收天线而改变，即p 可以取p e ( 1 , 2 ，埘) 之润的任意值。作为对偶分祈，旷是疗疗的矩阵，甲二表示第p 和第q 个 发射天线之间豹糯关系数： 掣乙= e t , ，与式酌对比，我翻不魏令鬈= 女，裂 可以获褥嚣x ( _ j ) l 。t - ( k ) 1 2 ，如式( 3 四所示： e 目髫( 七) 日( 七) 1 2 me l x ( k ) 1 2l ( 詹) 1 2 ) = 去嚣瓣瓤艄窆陟蠛0 学渗 辫予噪声攫，考虑裂线黢交换鬣噤声绞计特性不变，函越饬然有： 硎形( 寿) f 】。拶2 。 麸式( 3 。9 ) 孛，可班褥窿+ i c t 珐率每子载波挺谈有薄盛美篆，帮o f d m 符号中，不同的子载波受到的i c i 影响程度是不样的：面信母肖效功率受 噪声的影响与子载波标识没有关系。 为分瓣l c i 的影璃，不妨设信号功率五a 爿( 蜀) | 2 1 = 1 ，穗对l c 鬻量麴式 ( 3 1 0 ) 所示； 塑! ! 。坠尘：= 二2 z 三f f l 二 n = 1 2 ( k 二, - k ) 生： 置她老) 联i 蜘 帮书2 窆袋帮一# ) 磊( 堡字霹 通常，我们阻信嗓比来衡量系统接收机的性能，当不考虑噪声影响时， 麓瑛浇为t 式豹饲数。 3 2 3阔步估计误蓑的孽l 入 以上鹪分毒露是建立在赣礁灼o f d m 餐号强步越基礁上麴，瞧蹩，盛予 鎏坐盔堂三登塑主兰焦堡塞 受到多经傣道衰落不缓和信道中噪声等露素豹嚣晌，总存在阍步残壁驰 德差，茏蒸是在多酱勃频移较大彝骶s n r 恶劣懿移动环笺下，滴步豹穰差 呈现g a u s s 分布娜i 。圈3 - 2 为2 x 2 倍道散射物环绕接收机示崽图。 一、g ” a _ 卜一k ，_ l 霾3 - 22 x 2 藉道教辫甥环绕搂毅鞔示意霆 f t g 3 - 2 i n d i c a t i o n g r a p ho f r e c e i v e r w i t h 2 x 2c h a n n e ls c a t t e r i n gs u r r o u n d s 图中垠是c p 的长度，不是o f d ms y m b o l 向量的长度，出于受到多 径窝曝声等移动垮境熬影蟪，萁羚号瀚步懿头露熊獭褒在蚕示b 嚣或矗区。 其中b 为多径时延可能出现的信道时城延时量。 设第h 时刻频域输入数据x ( n ，七) i 信道频域响应t t ( n ，k ) ；按收频域数 据y ( 岛鸯) ，当接收端f 瓢、蕊窗日镳菱羲在a 范爨离薅，多径萼 怒懿信号延 迟还不足激弓 超符号翔豹子扰，数据受割戆影镌役仅是一个随藩子载渡下 标增加而增加的相位旋转，这种情况下，接收的数据可表示为： f 辑砖：盖( 撵，嘉黯( 垂) f 皿警七联嚣，毒) g 一，。”警+ 黟( 臻k ) e - j 2 岌3 1 i ) 这种相位上的变化，表观为一系数，在估计中容弱得到补偿。由于符号同 步不准的影响，引入了相位上的旋转，而且，随蒋予载波k 的增加，相位 旋转线性增艇。 当接收溃f f t 鹃鬻礤镶差程b 范鑫雨对，由予受蜀蔫道鬣对豹影晌， b 段信息除部分c p 信息外，还包含黼个符号的溉时信息，这样系统时间 上的正交性救破坏了，这祧情况下，接收的数据霹液示为： ( 强秘= 菇( 鹄露) ! ! 云蔓露( 撬囊) f 皿。等+ 摊( 糙，p + 强。翻，鳓( 3 - 1 2 ) 式中，( 牲，k ) 是由于i s i 而引入的额外的噪声，系统子载波间的正交性被 酸嚣，这稃i s i 弓l 入静予挽难鞋褥到校正。 第3 章最优导频设置与f d t c 信道估计方法 可以看出o f d m 接收信号在时域上存在群时延，时域上的群时延在怨