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m m o o f d m 系统采用扩频码的信道估计方法 摘要 m 0 0 f i ) m 技术将o f i ) m 与空时编码技术有机的结合在一起，能 够大幅度地提高无线通信系统的信道容量和传输速率，并能有效地抵抗 多径衰落、抑制干扰和噪声，而这些只需要小的额外的功率和带宽，从 而引起了通信界的广泛关注。本文在分析移动无线信道衰落特性的基础 上，阐述了m v i o o f d m 系统的基本原理。为准确恢复传送信号，必须 要知道信道状态信息。本文围绕该系统中信道估计这一关键技术，深入 研究了基于训练序列和基于导频符号的信道估计方法，给出几种相应的 信道估计算法。 梳状导频设计方案通过特殊的导频方法图谱，它能将m o o 兀) m 信道估计问题转化为若干独立的单输入单输出o f d m ( s i s o o h ) m ) 信道 估计问题。但它是以降低数据传输率为代价的。作者在本文将扩频码引 入到导频图谱中，充分利用扩频码的正交性，扩频解扩抑制噪声的优点， 使该方案不仅具有能将 m o o f d m 信道估计问题转化为若干独立的单 输入单输出o f d m ( s i s o o f d m ) 信道估计问题，还可以进一步提高信道 估计精度和减小对数据传输率的影响。最后结合m a t i ，a b 仿真对这些算 法的有效性和可行性进行了全面地分析与比较。 关键词：多输入多输出正交频分复用信道估计扩频空时编码 c h a n n e le s t 吣1 r i o nw i t h s p r e a d v gc o d ef o r 田o o f d ms y s t e m a b s t r a c t 1 kc o n l b i n a t i o no f0 f d mw i m 渺血1 e c o d i i l gh a s 确。e i v e dm u c h 甜e 1 1 石o nr e c e l l t l yt oc o m b a tm u l t i - p a md e l a ys p r c a d 柚d 劬：r 瑚s es y s t a n c a p a c i t ) ，o v e rw i r e l e 鲻l i l l ：i ( s a h a n i l e lp a l 砸n e t e r sa r en e 。d e di no r d e rt 0 c o h e r e n t l yd e c o d et h e 位m s m i t t e ds i g n a l i nt h i s 弘i p e r w ed i s c u s st h e p 血c i p l eo f m o - o f d ms y s t 锄b a s e do nm ei n 们d u c t i o no f 伽i n g c b a j m e l s f u n h e n n o r c ，m ec h 锄e le s t i m 撕o nt 。d 1 i l i q u ei n m o - o f d m s ) ，s t 锄i si i e s t i g a l c d ，w i mt h e 锄p h a s i so n 删i 培s e q u e n c c - b 硒e da i l d p i l o t b 豁e d 曲l a n n de s t i m a t i o nm e c l l o d s ，a n da l s 0s e v e r a ib a s i c 锄di m p m v c d a l g o r i t h m sa r c 酉v e nr e s p e c t i v e l y 1 kc h a i l i l e le s t i 皿撕o no f m 0 o f d mc 蛐b cs i m p l i 丘e dt 0 枷印e i l d e n t咖g l e - i n p u ts i l l 四e _ o u 咖to m m ( s i s o o f d m )c h 锄d e s t i m a t i o nb yt h ec o n l b - p i l o tt o n es c h e i 】b u ti tr e 鲫l t si nd e c r c a s i n g l e d a t a 们n s n l i s s i o ns p e e d s p r e a d i n gc o d ei si 1 1 n 砌u c e dt op i l o tt o j l ei n d c r t 0t a k ca d v a n t a g eo ft h eo n h o g o n a l i t ) ro ft h es p r e a d i l l gc o d e st 0r e s m 妇m e n o i s e 1 1 1 es c h 锄ec a j ln o to i l l yc o n v e nt h ec h a r u 橱e s t i m a t i o no f m i m o 一0 f d mt oi n d 印d e n tc h 锄e le s t i m a t i o no fs i s o 0 f d m ，b u ta l s o i n l p m v ct h ea c 砚l r a c yo ft 1 1 ec h a 咀n de s t i m a t i o na 1 1 dr e d u c et h ei m p a c to f n o i s e f i r i a l l y ，m e 加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 l n sa r em a d eb y c o m p u t c rs i i i m l a 廿o n k e yw o r d s ：r n i m oo c h 锄n e le s i 曲血o n s l ，r e a d渺血1 e c o d e 一 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师王晓湘教授的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中所罗列的内容以外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论 本人签名： ，本人承担一切相关责任。 日期：盈俎i ：盘 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，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，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属王保密范围，适用本授权书。 本人签名：趁数日期：2 丑盈 导师签名： 扭i 丑日日期：塑丑2 ：三2 北京邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1研究背景介绍 第一章绪论 未来的宽带无线通信系统，将在高稳定性和高数据传输速率的前提下，满足从语 音到多媒体的多种综合业务需求。而要在有限的频谱资源上实现综合业务内容的快速 传输，需要频谱效率极高的技术。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 ( 正交频分复用) 技术是多载波窄带传输的一种，其子载波之间相互正交， 可以高效地利用频谱资源。二者的有效结合可以克服多径效应和频率选择性衰落带来 的不良影响，实现信号传输的高度可靠性，还可以增加系统容量，提高频谱利用率， 是第四代移动通信的热点技术。 o f d m ( 正交频分复用) 技术在频域把信道分成若干正交子载波，频谱相互重叠， 减少子信道间的干扰，提高了频谱利用率。同时，由于每个子信道上信号带宽小于信 道带宽，尽管总的信道非平坦，即具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的， 从而大大减少了符号间干扰。此外，通过在o m m 中添加循环前缀，进一步增强其抗 多经衰落的能力。o f d m 技术以其抗多径能力强，频谱利用率高等优点在实际中得到 广泛应用。如：h d s l d s u d a b 和d ，无线局域网8 0 2 1 1 系列等等。 m “o ( 多输入多输出) 技术不但可以成倍提高衰落信道下的系统容量，将其与信 道编码技术相结合，可以大大提高通信系统的性能。空时编码技术正式在此基础上发 展起来的一种新的编码和信号处理技术，它将信道编码技术与阵列处理技术相结合， 大幅度的提高无线通信中的系统容量和传输速率，为解决无线信道的带宽问题提供了 一条新的途径。但是，现有的空时编码理论大都基于平坦衰落信道，但实际大多数无 线通信环境都属于快衰落情况，此时系统的性能会急剧下降，这就使得空时码在未来 宽带移动通信中的应用受到极大的限制自从1 9 9 6 年文献【1 】首次提出将0 f d m 与空时 编码相结合，称为m “o o f 【) m 技术，频率选择性衰落信道转化为若干并行平坦衰 落信道，这样的系统具有空时编码的分集增益和编码增益，同时兼得o f d m 接收机均 衡器结构简单的优点。从而在未来的宽带无线接入领域中采用m m o o f 【) m 技术成 为一种发展的必然和技术的关键。 1 2 课题主要任务与意义 题。 m m o o m m 技术作为未来移动通信系统的关键技术之，正是本课题的研究主 北京邮电人学硕：l 论文 第一章绪论 m m o o f d m 技术将空间分集、频率分集以及时间分集有机地结合在一起，可以 大大提高无线通信中的信道容量和传输速率，并能有效的抵抗衰落、抑制干扰和噪声。 在实际应用中，为了进一步提高系统的频谱效率，m 蹦0 0 f d m 系统通常采用幅度非 恒定的调制方式，例如1 6 c a m 等，在这种情况下，接收端需要信道状态信息c s i 才 能进行相干解调。另外，空时编码的译码也需要有精确的信道状态信息才能完成。因 此，信道估计是咖m d o f d m 系统接收机设计的一项主要任务。 对于m 蹦d o f d m 系统而言，收发双方都包含多副天线。因此每副接收天线上 的接收信号都是来自多副不同发射天线的发送信号的叠加，而且这些不同的发送信号 到达同一副接收天线时通常都是近似等功率的【2 】。如果直接使用单天线o f d m 系统 中的信道估计方法对每个发射和接收天线对之间的信道参数进行估计，那么来自其它 发射天线的信号就要被当作干扰来处理，从而导致信道估计的均方误差( m s e ) 很大。 所以对于m m d o f d m 系统需要采用和单天线不同的导频设计原则和信道估计方法。 针对m 蹦口o f d m 系统，人们提出了不同的估计导频位置信道响应的方法，通常基 于l s 准则【3 】，或是m m s e 准则【4 】。对于l s 准则，接收机直接利用发送的训练符号 进行信道估计，不需要其他信息，而m m s e 准则需要信道相关矩阵和噪声的方差。 为得到整个帧的信道响应，我们还需要在时域上进行插值。基于l s 准则的估计方法 接收机处理复杂度低，也不需要知道信道的先验信息。此类方法中，性能理论分析和 导频设计是难点，而约束条件和复杂度的分析也十分重要。基于m m s e 准则的估计方 法需要预知信道的自相关矩阵以及噪声的功率，而且计算复杂度较高。尽管有奇异值 分解的方法可以降低计算复杂度，但是复杂度仍然较高。本文将针对m m 口o f d m 系统中的信道估计问题进行研究。 本文围绕m m o o f d m 系统中的信道估计技术展开分析研究，研究过程中，采 取了理论分析和计算机仿真相结合的手段，在理论和实践方面验证研究的正确性和可 行性，主要进行了以下几个方面工作： ( 1 ) 深入分析了m m d 0 0 f d m 技术在国内外的最新研究成果。首先分别讨论了 m 订0 系统和o f d m 系统的基本原理。进而研究m 0 o f d m 系统，重点研究了 s t b c 饼d m 的系统结构及性能特点，该系统良好的抗衰落特性，同时指出信道估计 是保证系统传输质量，发挥其优越性的关键所在。 ( 2 ) 分析讨论了目前m m o o f d m 系统主要的信道估计方法，如l s 估计法， m m s e 估计法，基于导频的信道估计法和基于训练序列的估计法。 ( 3 ) 针对基于导频符号的信道估计方法，讨论了导频形式的选择准则，提出采用 扩频码作为导频序列信道估计法的估计算法，将此于梳妆导频信道估计法相比较，并 结合计算机仿真分别验证了算法的有效性，同时对它们的性能进行了分析比较。 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 3论文结构 论文总共分为五章，结构安排如下： 第二章以m m o - 0 f d m 技术为核心，阐述了o f d m 和m 订o 的基本原理，讨 论了m d o f d m 的系统结构，指出信道估计是决定系统性能的关键因素之一。 第三章首先讨论了无线信道的衰落特性及重要参数，其次详细介绍了 m m 旺o f d m 的信道估计方法。如l s 估计法，m m s e 估计法，基于训练序列的信 道估计和基于导频符号的信道估计等。 第四章重点分析采用扩频码的导频信道估计法。介绍该方法的导频频谱设计，导 频正交性分析，估计算法基本原理等内容。与此同时，将其和梳妆导频信道估计方法 相比较，最后结合计算机仿真对这些算法进行了详尽的分析与比较。 第五章总结回顾全文内容，提出了本课题有待于进一步深入研究的问题。 北京邮电大学硕t 论文第二章m 洲o o f d m 系统 在未来的宽带无线通信系统中，多径衰落信道和频带利用率是两个深具挑战的问 题。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，0 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。两者相结合构成的 m d o f d m 系统，能够大幅度的提高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，而这些不需要额外的功率和带宽，从而引起了 通信界的广泛关注，具有广阔的发展前景。本章首先简要介绍o f d m 和m d “0 的基 本原理，然后对m m q o f d m 的系统结构及工作原理作了深入分析。 2 1m 蹦o 系统 多输入多输出( m u l t i p l ei n i ) m 锄dm u l n p l eo i l 钠n ) 也称为大容量数据传输系统， m v i o 技术的原理是信号通过发射端的和接收端的多个天线传送和接收，从而改善每 个用户得到的服务质量( 误比特率或数据速率) 。m “o 技术成功之处主要是它能够在 不用额外增加所占用的信号带宽的前提下带来无线通信的性能上几个数量级的改善。 利用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h t m t o 信道提供的空间复用增益，后者是利用加m o 信道提供的空间分 集增益。而且如果进步将其与信道编码技术相结合，可以大大提高通信系统的性能。 空时编码技术 5 】_ 【8 】正是在此基础上发展起来的一种新的编码和信号处理技术，它将 信道编码技术与阵列处理技术相结合，大幅度地提高无线通信中的系统容量和传输速 率，为解决无线信道的带宽问题提供了一条新的途径。 2 1 1m v i o 系统的基本原理 多输入多输出咖m 0 ( m i l l 邱l e - i n p u tm u l 廿p b o i i t - p l n ) 系统，也称为大容量数据传 输系统，该技术最早是由m 砌n i 于1 9 0 8 年提出的，此项技术被认为是现代通信技术 中重大突破之一。由于该技术提供了解决未来i n t 锄e t 无线网络中的业务容量需求瓶 颈问题，而名列当今技术进步列表中的显要位置。m “o 技术的关键是能够将传统通 信系统中存在的多径影响因素变成对用户通信性能有利的增强因素。它有效地利用了 随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率。如图2 1 所示，为m “0 系统原理图： 北京邮电大学硕士论文第二章m 订o o f d m 系统 彩hr 图2 1 田垤o 系统原理图 在图2 - 1 所示的m o 系统中，设接收天线数为m 发射天线数为n ，则接收信号 ( f = 1 ，2 ，用) 可表示为： 啊。啊： 如。k 吒。 用： 啊。 如。 ： k 玉 而 ： + 啊 他 ： ( 2 1 ) 公式( 2 1 ) 中( 护1 m ) 表示接收信号，( f = l ，2 ，肌) 表示发送信号，一 ( i _ l 。血) 为加性高斯白噪声。表示发送天线到接收天线f 的信道冲击响应。 根据信息论最新成果 9 】则容量公式为： c = 1 。g ：d e t 厶+ ( p 盯2 厅) 月阿” ( 2 - 2 ) 其中h 2 ( ) 。为一个研开的信道传输矩阵，表示发送天线到接收天线f 的 复瑞利衰落系数，p 表示稃个发射天线发射的总功率和。接收端的噪声用小x l 矩阵表 示，它的元素是静态独立零均值高斯复数变量，各个接收天线的噪声功率均为盯2 。根 据发射天线数n 与接收天线数用的配置，( n ，i n ) 系统的信道容量还可以分为栅1 、r 胁 和n = m 三种情况：将1 1 m 时的系统称为过饱和系统，f i q n 时的系统称为未饱和系统， n = m 时的系统称为满系统。根据多天线系统的信道容量表示式有下面的结论【l o 】： 当信噪比很大时，系统处于未饱和状态时：系统的信道容量与发射天线数里线性 增长关系；当发射天线数固定时，系统的信道容量仅仅随着接收天线数的增加而呈对 数增加。 北京邮电大学硕 论文第二章m i m 0 岫f d m 系统 当系统处于过饱和状态时，即当n 一直增加到i l m 时，会出现一个临界点，当超 过这个临界点以后，信道容量随n 的增加将会变得缓慢。例如：当m = 1 时，发射天 线数的临界值为n ：4 。 无线m “o 系统引入了多个发射与接收天线，产生多个并行的子信道，这些信 道相互正交，因而可以支持独立的数据传输。这就是m d “o 可以大幅度提高信道容量 的物理解释。 2 1 2 m v i o 空时处理技术概述 通过利用m m 0 空时编码技术我们可以最大化的提高链路的性能，包括提高链路 的吞吐率和最小化系统错误率。这些要达到的目标转变成系统的性能指标就变为诸 如：信号速率、分集增益、码增益、阵列增益等。通常m “o 空时信号处理技术可分 为两类：空时码和空间复用。 空时码技术是在1 9 9 8 年由蚵dt 舯l d l 等人提出的一项基于发射分集的技术， t a l d l 等人认为，如果在发射端采用合适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，就能获得很大的性能增益，这样就能够实现数据的高速传输。 基于发射分集的空时码主要有两种：空时格码( s 1 t r c ) 和空时分组码( s n c ) 。空时格码 是由空时延迟分集发展而来的，而空时延迟分集可以看成是空时格码的个特例。空 时格码具有卷积码的特征，它将编码、调制、发射分集结合在一起可以同时获得分集 增益和编码增益，使得系统的性能有很大的提升。而空时分组码实质上是将同一信 息经过正交编码后从两根天线上发出去，两路信号由于有正交性，在接收端就能够将 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。此外它可 以扩展到发端大于两根天线的情况，只不过这时的空间码速率就不像两天线时的速率 一样为一，而是小于一。 b l a s 耶e l 丑b si a y e f 。d 帆t i m e 圳i t c c 删体系结构，也称为分层空时码。 主要是提高系统容量，不同的天线发不同的数据流，系统的目标实现复用增益的最大 化。b l a s t 技术包括对角分层空时码b 乙峪d ，垂直分层空时码( v - b 乙峪d 和水平 分层空时码( h b l 峪n 。其中对角分层空时码接收端译码算法比较复杂，而对于水平 分层空时码而言译码上比较简单但是它是先把信源的比特流先进行串并，再在每个分 支上进行编码、交织、符号映射，不像垂直分层空时码是先进行编码、交织、符号映 射后再进行串并变换从发端天线上发出去。如图2 - 2 和图2 3 ： 北京邮电大学硕士论文第一二章m d 订o o f d m 系统 图2 2h b i a s t 编码结构 删器h 调制器卜 信号 分离器 1 ： 图2 - 3v - b i a 盯编码结构 因此，在垂直分层空时码中潜在的每信息比特都会扩展到所有的发天线，这样系 统的分集增益就比水平分层空时码的分集增益要大。一般情况下，垂直分层空时码 ( v b l a s d 比较常见的运用于m 订o 系统中。 2 1 3 v b l a s t 的模型 分层空时码实际上描述了空时多维信号发送的结构，它可以和信道编码进行级 联。最简单的未编码分层空时码就是著名的v b l a s t 。其结构如图2 4 所示。 图2 4v b i a s t 的结构 - ， 北京邮电大学硕l ：论文第二章m i m f d m 系统 首先产生数据信息比特c ，经过串并变换，得到并行的脚个子码流，每个码流可 以看作一层信息，然后分别进行膨进制调制，得到调制符号z ，扛l ，2 ，件，最后发 送到相应的天线上。调制符号经过信道到达接收端，解调、译码，可恢复出发送端的 数据。数据流程图如图2 5 所示。 图2 5带有v - b l a s t 结构的m v 1 0 系统模型 2 1 4v b l a s t 系统接收端译码算法 分层空时码的译码有多种算法，最优的算法是最大似然译码算法，但m l d 算法 是指数复杂度，无法实用，故提出了各种简化的算法。其中常用的检测算法包括：迫 零( z f ) 算法、q r 分解算法以及m m s e 算法。 ( 1 ) z f 算法： 在准静态衰落信道下，接收机f 时刻收到的信号向量可以表示为： r f2 h x ，+ n r ( 2 3 ) 其中，表示1 的接收信号向量，h 是n 。唧维信道响应矩阵i ，是b 1 的 发送信号向量，n ，是1 的a w g n 噪声向量，其每个分量都是均值为零，方差盯的 相互独立的正态分布随机变量。 迫零算法的目的是首先检测从某一层的发送信号，然后从其它层中抵消这一层信 号造成的干扰，逐次迭代，最后完成整个信号向量的检测。z f 算法中，进行信号干扰 抵消的顺序对于系统性能有重要影响。我们引入整数序数集合： s = k 啊一，) ( 2 柳 表示自然序数 1 ，2 ，脚 的某种排列。 z f 算法可以描述为如下的迭代过程。 初始化：f = l 北京邮电大学硕上论文 第二章m m 0 - o f d m 系统 迭代过程： g l = h + 而= a r g ，曲翌l i l ( g j 1 2 ( 2 5 ) w m2 ( g r ) t c 7 ) 咒2 w i i ( 2 8 ) 毛2 q ( 咒) ( 2 _ 9 ) 铲i 一毛( h ) 一 ( 2 1 0 ) g m2 h ； ( 2 1 1 ) 扛i + 1 ( 2 - 1 2 ) 其中，h + 表示m o o 挣p e n r o s c 广义逆，h ；表示令而，屯，而列为。得到的矩阵的广 义逆，( g ，) ，表示矩阵g 的第，行，q ( ) 函数表示根据星座图对检测信号进行硬判决 解调。上述算法中的干扰抵消顺序是根据每次迭代的广义逆矩阵接收列向量信号能量 来排序的，这种排序是一种本地最优化方法。 ( 2 ) m m s e 算法 m m s e 算法即最小均方误差算法，该算法的目标函数是最小化发送信号矢量x 与 接收信号矢量线性组合w ”r 之间的均方误差，即 鹕吩n 硎x w ”r 0 2 】 ( 2 1 3 ) 式中，w 是吩的线性组合系数矩阵，r 是。1 的接收向量，x 是唧。1 的 发送信号向量。可以求其梯度得到最优解。 w = ( h h + 盯2 i 肿) - 1 h ( 2 1 4 ) m m s e 检测与干扰抵消组合可以得到类似于z f 算法的迭代结构。具体的算法流 程如下 初始化： f = 脚c - 1 5 ) 矿= ( 2 1 6 ) 北京邮电人学硕j ：论文 第二章m “o o f d m 系统 当f l 时，进行如下的迭代操作： w ”= ( h “h + 盯2 i 。) 一1 h ” h = h = j l l l l 1 2 如。k | 1 2 。 h 。i lh 。1 3 h 。l h f = f l ( 2 一1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 3 ) q r 算法 l a s t 接收端译码也可以采用q r 分解算法进行干扰抵消。一般的，当信道响 应矩阵h 满足，l r 条件时，则矩阵可以进行q r 分解，得到： h = u r r ( 2 2 3 ) 其中，u 。是n ，酉矩阵，而r 是n ，。脚的上三角矩阵，可以表示为： r = 足r ： 0 如 oo oo 墨。 足 马，。 ： 。 ( 2 - 2 4 ) 公式( 1 2 3 5 ) 左乘u ：可得接收向量为： y 。= u ：r r = u ：h x ，+ u ：，( 2 2 5 ) 将( 1 2 3 1 7 ) 式代入可得： y ，= r i ，+ v ( 2 2 6 ) 其中，v ，= u ：，表示白噪声向量经过正交变换后的噪声向量。上述表达式可以 展开为： 北京邮电大学硕t 论文 第二章m 订o o f d m 系统 爿 z 一 ： 矿 墨且： o 如 oo o0 且。 是。 马。 ： ： ，。 爿 # # ： + 一 谚 口 ： ( 2 2 7 ) 由上式可知，接收向量的每一个分量都可以表示为： 一= 毛一+ j f ，f = 1 ，2 ，开， ( 2 2 8 ) ，- f 根据系数矩阵的上三角特性，可以采用迭代方法从下到上逐次解出各个发送信号 分量： i ：= q y ：一量r 乒 生生一 氏 i = l ，2 ，n t ( 2 - 2 9 ) 其中q ( ) 函数表示根据星座图对检测信号进行硬判决解调。 2 2o f d m 系统 2 2 1o f d m 系统的基本原理和模型 正交频分复用( 0 f d m ) 是一种多载波调制方式，实际上是m c m ( m l | l d c a i r i 盯 m 0 d u l a t i o l l ，多载波调制) 的一种其概念源自频分复用f d m 嘲哟d i v i s i m u 峋，l 饮及多载波通信m c ( m i l l d 嘞耐e rc c 吐n 叽1 i 矗o n ) 技术。0 1 7 d m 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 d 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因 此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰( i s d 。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。为了能够完 全消除i s i 通常在0 f d m 符号中引入保护间隔，最有效的保护间隔是使用符号的循 环扩展即把符号结尾的一段复制加到符号的起始端。由于码元符号是周期的，保持了 子载波问的正交性，减小了载波问干扰( i c d 的影响。只要选取的保护阳j 隔大于信道的 最大迟延扩展，就会完全消除i s i 和l c i 的影响。 北京邮电大学硕1 ：论文第二章m i m 0 岫f d m 系统 图2 6 给出了0 f d m 模拟调制原理图，编码调制后的符号z 经过串并变换之后， 被分别调制到n 个子载波上，得到时域信号x ( f ) 经过无线多径信道传输后到达接收 端，再分别利用相应的谐波将各个子载波上的信号解调出来，得到频域信号z ，随后 对其进行一系列的处理，得到接收数据。 l - 争 瑟舞捌竺p 唧( 一所( m 一2 ) f 正) 焉j 并 由 土叶6 一印2 同 十 富 越 岖hp p 并 耀 一个o f d m 符号内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波都可 以相移键控( p s k ) 或正交幅度调制( q a m ) 符号的调制。如果用n 表示子信道的个数，t 表示o f d m 符号的宽度，4 ( f = l ，2 ，一1 ) 表示分配给每个子信道的数据符号，z 表示载波频率，则从t = t s 开始的o f 【) m 符号可以表示为： 删地隆一z 一半) 卜研懈钳r 通常可以用等效的复基带信号来表示o f d m 调制信号： m ) = 羔以唧( 伽扣f ，) ) 倒钳r m ) 2 点以e x p 旧寺( 卜f ，) j 倒钳r ( 2 - 3 1 ) 式( 2 3 1 ) 中实部和虚部分别对应着o f d m 符号的同相和正交分量，在实际中分别 与相应子载波的余弦分量和正弦分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的o f 【，m 符 号。 。 接收端第七路子载波信号的解调过程为：将接收信号与第| i 路的解调载波 e x p ( 一，2 石墨二笋丝f ) 相乘，然后将得到的结果在。f 。m 符号的持续时间t 内积分， 即可获得相应的发送信号五，即 反= 扩唧( 叻生笋( f - ) ，笺扎俨( 膨弘) 弘 北京邮电大学硕上论文第二章m 蹦o o f d m 系统 = 刍，笺以r 唧旧鼍掣( f - ) 弘 = 以 ( 2 3 2 ) 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，而且每个相邻子载 波之间相差1 个周期，这特性可以用来解释子载波之间的正交性。 不同o f d m 子载波之间的正交性还可以从另外一个角度来理解。根据式( 3 1 ) 可 知，每个o f d m 符号所包含的子载波在秒的间隔内是非零的，所以符号的频谱可 看作是一系列位于各个子载波频率上的冲击函数与持续乃秒的矩形脉冲函数的频谱 ，、 进行卷积而得到的。矩形脉冲信号的幅度频谱为取样函数。i n 。f 型l ，在1 佤的整数倍 l2 ：， 处( 零点除外) 取样函数的值为零，因此得到的d m 符号频谱如图2 7 所示。当然， 也可以通过选择设计不同的窗函数来改变发送信号的频谱，加快频谱拖尾的衰落，降 低邻载波之间的干扰。 图2 70 f d m 符亏频谱图 从图2 7 可以看出，o f d m 符号频谱中，一个子信道频谱的最大值对应于其他子 信道频谱的零点位置，因此可以避免子信道问干扰( i c d 的出现。 式( 2 3 1 ) 中的o f d m 复等效基带信号可以采用离散傅里叶逆变换( d f d 方法来实 现。令式c - 3 1 ) 中的f j = 0 ，f = 七r ，l 幺，n 1 ) ，可以得到： 嗽，= 静唧( ，等) 一- t 瑚， 式( 2 - 3 3 ) 中s ( 七) 即为j ，的d f t 运算。在接收端，为了恢复出原始的数据符号 d ，可以对5 ( 后) 进行d f r 变换，得 北京邮电大学硕上论文 第二章m 蹦0 0 f d m 系统 加) c x p f 一，等1 - 1 ( 2 - 3 4 ) i = 0 通过上面的分析，o f d m 系统的调制和解调可以分别由d 兀仍f t 来代替，通过 n 点的d f t 运算，把频域数据符号转换为时域数据符号，经过射频载波调制以后， 发送到无线信道中。其实每一个d f t 输出的数据符号都是由所有子载波信号经过叠 加而生成的，即对连续的多个经过调制的子载波的叠加信号进行抽样得到的。在 0 f d m 系统的实际应用中，可以采用更加方便快捷的快速傅里叶变换盯伍f d 。这 样更能减小计算的复杂度。 2 2 2 循环前缀和保护间隔 应用o f 【) m 的一个重要原因在于它可以有效的对抗多径时延扩展。通过把数据流 串并转换到个并行的子信道中，每个用于去调制子载波的数据周期扩大为原始数 据符号的周期的倍，因此时延扩展与符号周期的数值比也同样降低倍。为了最大 限度地消除符号间干扰，还可以在o f d m 符号之间插入保护间隔，而且该保护间隔长 度一般要大于无线信道中的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一 个符号造成干扰。在这段保护间隔内可以不插入任何信号，即是一段空白的传输时段。 然而在这种情况下，由于多径传播的影响，会产生信道间干扰( i c i ) ，即子载波间的正 交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰。为了消除由于多径所造成的i c i o f d m 符号需要在其保护间隔内填入循环前缀，这样就可以保证在f f t 周期内，o f d m 符号 的时延扩展内所包含的波形的周期个数也是整数。这样时延小于保护间隔疋的时延信 号就不会在解调过程中产生i c i 。 在o f d m 系统中加入保护间隔后，会带来功率和信息速率的损失，但是插入保护 间隔可以消除i s i 和由于多径造成的i c i 的影响，因此这个代价是值得的，加入保护 间隔之后基于d f r 的o f d m 系统框图如下所示： 北京邮电大学硕上论文 第一二章m 皿订o d f d m 系统 2 2 30 f d m 技术特点 图2 8 加入循环前缀得o f d m 系统框图 0 f d m 技术有如下突出优点： ( 1 ) 频谱利用率很高。o f d m 信号的相邻子载波相互重叠，从理论上讲其频谱利 用率可以接近卜i y q u i s t 极限。 ( 2 ) 抗多径干扰与频率选择性衰落能力强，有利于移动接收。由于0 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，若再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。 在具有相同多径时延的信道传输中，o f d m 均衡器的复杂度远远低于具有相同性能的 单载波方案。 ( 3 ) 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，可以有效地对抗窄带干扰，因为窄带干扰只能频率选择性地影响一 小部分载波上的数据。 北京邮电大学硕卜论文第二章m i m o o i ：d m 系统 ( 4 ) 通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。通过将各个信道联合编 码，可以使系统性能得到提高。在变化相对缓慢的时变信道中，o f d m 方案可以通过 改变系统参数明显地提高传输速率。 ( 5 ) 基于离散傅立叶变换( d f d 的0 f d m 有快速算法，o f d m 采用正f t 和f f r 来 实现调制和解调，易用d s p 实现。 0 f d m 技术存在有两个主要缺陷： ( 1 ) o f d m 有高的峰均功率比( p a p r ) ，这导致了非常低的射频功放效率和昂贵的 发射机成本，而且对放大器的线性特性要求比较高； ( 2 ) 对载波频率偏移敏感。这导致了同步的复杂。这两个缺点都不利于终端尺寸限 制的要求，成为o f d m 应用于移动通信的主要障碍。 2 3m m 厦0 0 f d m 系统 2 3 1m 订0 、o f d m 系统组合的必要性 在高速宽带无线通信系统中，多径效应、频率选择性衰落和带宽效率是信号传输 过程中必须考虑的几个关键问题。多径效应会引起信号的衰落，因而被视为有害因素。 然而m v i o 系统是针对多径无线信道而产生的，在一定程度上可以利用传播过程中产 生的多径分量，多径效应对其影响并不大，反而可以作为一个有利因素加以使用。但 m d “o 对于频率选择性衰落仍无法避免，而解决频率选择性衰落问题恰恰正是o f d m 的一个长处。 o f d m 技术实质上是一种多载波窄带调制，可以将宽带信道转化成若干个平坦的 窄带子信道，每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，所以每个子信道上的频 率选择性衰落可以看作是平坦性衰落。o f d m 被认为是第四代移动通信中的核心技 术，然而4 g 需要高的频谱利用技术和高速传输系统，为了进一步提高系统传输速率， 使用0 f d m 技术的无线通信网就必须增加载波的数量，而这种方法会造成系统复杂度 的增加，并增大系统的占用带宽。而m d “0 多天线技术能在不增加带宽的情况下，在 每个窄带平坦子信道上获得更大的信道容量，可以成倍地提高通信系统的容量和频 谱效率，是一种利用空间资源换取频谱资源的技术。 因此m m d o f d m 系统的提出是无线通信领域的重大突破，其频谱利用率高、 信号传输稳定、高传输速率等基本特性能够满足下一代无线传输网发展要求。 m m o o f d m 系统内组合了多输入和多输出天线和正交频分复用调制两大关键技术。 这种系统通过空间复用技术可以提供更高的数据传输速率，又可以通过空时分集和正 交频分复用达到很强的可靠性和频谱利用率。 北京邮电大学硕：l 论文第二章m m f d m 系统 图2 - 9m 0 0 f d m 系绒基本原理框图 如图2 9 所示，为m m d o f d m 系统的基本原理图。在发送端，发送比特流经 过m “o 编码后变成n 路，_ l 为发送天线个数。每一路分别做o f d m 调制，最后由 相应的天线发送出去。在接收端，有州个接收天线，现在每个接收天线上做o f d m 解调，然后将解调后的信号做m m 0 解码。 m m o o f d m 技术将空间分集、时间分集以及频率分集有机的结合起来，从而能 够大大的提高无线通信系统的信道容量和传输速率，有效的抵抗信道衰落和抑制干 扰，成为实现无线信道高速数据传输最具希望的解决方案之一，具有非常广阔的研究 和发展前景。在相同的发射功率和带宽下，一个拥有月个发射天线和脚个接收天线的 系统能达到的信道容量为单天线系统的m i i l ( n ，m ) 倍，从而提供了目前其它技术无法达 到的容量潜力。目前对m m o o f d m 技术的研究主要向两个方向发展： ( 1 ) 基于o f d m 的空间复用系统( o f i ) m - b a s 。ds p a l i a lm i l l 叫强i i l gs y s t e m s ) ，即 o f d m 与贝尔实验室b l 蟠t 系统的结合，是面向比特率的。它主要是利用无线信道 的多径传播特性产生并行空间信道，从而提高数据的传输速率。在保证接收机一定复 杂度的情况下可提供高的频谱利用率，它在性能上的缺陷是因为它既没能充分利用传 输分集，也没有开发在码问串扰信道下可获得的多径分集。 ( 2 ) 空时编码o f i ) m 系统( s p a o e _ 血n c c o d 。do f d m ，s t c - o f d m ) ，即o f 【) m 与基 于发射分集的空时码的结合，是面向性能的。因为它的设计就在于使分集和编码增益 最大化。它主要利用信道编码和多天线阵技术提高系统的抗衰落特性，从而可以采用 多进制传输以提高系统的数据传输速率。其缺陷是随着传输天线数目的增加，复杂度 和互扰会增加。 北京邮电大学硕i ：论文第二章m m f d m 系统 2 3 _ 3 1基于0 f d m 的空间复用系统 基于0 f d m 的空间复用( o f d m b 船e ds p a t i a lm u l 廿p l e ) 【i i l gs y s 胁l s ) 是空间复用( 即 b “峪t 技术) 与o f 【 m 的有机结合，它主要利用无线信道的多径传播特性产生并行空 间信道来提高系统的数据传输速率，其原理框图如图2 1 0 所示。 复 用 器 u u ( a ) 发射机 7 叵蔓三费 翌e 解 复 用 器 v 磊砷砑璀让r 季e ( b ) 接收机 图2 1 0 基于o f d m 的空间复用系统原理框图 在上图中，输入信号经复用器分解成作个长度相同的数据流，然后进行独立地编码和 调制，因此它不是基于发射分集的。这些编码器可以是二进制的卷积编码器，也可以 不经过任何编码直接输出。在每个天线发送信号能够被分离的情况下，基于o f d m 的 空间复用会产生m i n ( h ，肌) 个有效空间信道，与单天线系统相比，它能带来系统容量的 线性增加。基于0 f d m 的空间复用系统一般采用迫零和最小均方误差准则进行联合检 测。 罗 罗 北京邮电大学硕士论文 第二章m o o f d m 系统 2 3 3 2空时编码0 f d m 系统 空时编码o f d m ( s 啪f d m ) 是o f d m 技术与基于发射分集的空时编码技术的 结合。它主要利用信道编码技术来提高系统的抗衰落特性，从而降低数据传输误码率。 按照空时码编码方式的不同它又可分为空时格码o f d m ( s t c m - 0 f d m ) 和空时分组码 o f i ) m