（通信与信息系统专业论文）mimoofdm高速无线通信系统关键技术研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所早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：盈函整日期：主! ! ! 垒! 同卯日 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。 研究生签名：丝l 亟蓥导师签名： 摘受 摘要 多输入多输出( m i m o ) 技术和正交频分复用( o f d m ) 技术作为下一代无线移动通信 关键技术，充分利用空间，时间，频率分集使无线传输的速率和质量大大提高。由于传输的 高速率和信道的衰落特性，信道估计在无线m i m o o f d m 系统中十分重要。g b p s 系统以 m i m o o f d m 技术为基础，实现室内无线通信速率达到1 g b i t s ，由于虚载波的存在和系统所 处的室内信道，g b p s 系统下的信道估计相比一般m i m o o f d m 系统将面临特殊的难题。 本项目的主要工作包括，搭建包括无线信道的m i m o o f d m 系统仿真模型，在其基础 上研究各种m i m o - o f d m 信道估计算法，介绍使l s 信道估计的m s e 最小化的最优导频设计， 给出各种算法的仿真结果，着重对虚载波系统下信道估计作分析研究，在兼顾性能和计算复 杂度前提下对算法作出改进，将其运用蛰j g b p s 系统的信道估计算法设计上，得至j j g b p s 信道 估计的算法设计方案及仿真结果。此外。本项目对g b p s 的天线选择算法也进行了研究。 并给出了硬件设计。 关键字：o f d m ，m i m o ，g b p s ，信道估计，天线选择 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，m u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) a n do 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 ( o f d m ) i m p r o v et h e w i r e l e s st r a n s m i s s i o nr a t ea n dc o m m u n i c a t eq u a l i t yp o w e r f u l l yb yt h ed i v e r s i t ya n dm u l t i p l e x i n g o fs p a c e ，t i m ea n df r e q u e n c y b e c a u s eo ft h e h i g ht r a n s m i s s i o nr a t ea n dt h ec h a n n e lf a d i n g ， c h a n n e le s t i m a t i o ni s v e r yi m p o r t a n ti nm i m o 0 f d ms y s t e m g b p ss y s t e mi sb a s e do n m i m o 一0 f d mt e c h n o l o g yw h o s et r a n s m i s s i o nr a t ei su dt o1 o b i t s a c c o r d i n gt ot h ev i r t u a l c a r r i e r sa n dt h es p e c i a li n d o o rc h a n n e lp r o p e r t yi ng b p ss y s t e m 。c h a n n e le s t i m a t i o nh a si t s s p e c i a l t yc o m p a r e dw i t ht h o s ei ng e n e r a lm i m o o f d m i n t h i sp r o j e c t ，t h em i m o - 0 f d ms y s t e ms i m u l a t i o nm o d e li n c l u d i n gt h ew i r e l e s sc h a r m e l w a sb u i l t ；d i f f e r e n ts o r t so fm i m 0 0 f d mc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mi n c l u d i n gt h eo p t i m a l t r a i n i n gd e s i g nf o rl sc h a n n e le s t i m a t i o nt om i n i m i z et h ee s t i m a t i o nc h a n n e lm s ew e r es t u d i e d t h e i rs i m u l a t e dr e s u l t sw e r es h o w e d ；t h ei m p r o v e dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mf o rt h ev i r t u a l c a r r i e r ss y s t e mr e g a r d i n gt h et r a d e o f fb e t w e e np e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t yw a sp r o p o s e d ，b yt h e g b p sc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h md e s i g n ，t h eg b p sc h a n n e le s t i m a t i o np r o g r a ma n di t ss i m u l a t e d r e s u l tw a so b t a i n e d ；t h ea n t e n n as e l e c t i o na l g o r y t h mi ng b p ss y s t e mi sa l s os t u d i e di n t h i s p r o j e c t ，t h eh a r d w a r ed e s i g ni sg i v e na n di t ss i m u l a t e dr e s u l tw a so b t a i n e d k e yw o r d s ：o f d m ，m i m o ，g b p s ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，a n t e n n as e l e c t i o n 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 论文背景1 1 1 1m i m o 技术2 1 1 。2o f d m 技术4 1 2 g b p s 无线系统简介5 1 3 论文内容安排6 第2 章m i m o 无线信道综述7 2 1 引言7 2 2 信道模型综述7 2 2 1 经典的a w g n 信道7 2 2 2 线性滤波器j j i i a w g n 信道8 2 2 3 多径衰落信道1 1 2 3 无线信道特性17 2 3 1 衰落特性1 2 2 3 2 多径效应18 2 3 3 时延扩展18 2 3 4 瑞利莱斯衰落l8 2 3 5 相干带宽一频率选择性衰落18 2 3 6 时变效应18 2 3 6 1 多普勒频移1 8 2 3 6 2 多普勒扩展18 2 3 6 3 相干时间18 2 4m i m o 信道模型17 2 4 1 普适相关模型18 东南大学硕士学位论文 2 4 2 发射接收相关分离模型1 8 2 5m i m o 衰落信道仿真模型的实现17 2 5 1 衰落信道仿真模型的实现步骤1 8 2 5 2 改进的j a k e s 模型1 8 2 5 3 抽头延时模型1 8 2 5 4 衰落信道仿真模型测试1 8 2 5 5 模型抽头衰落特性测试1 8 2 5 6m i m o 信道模型相关性性测试2 0 2 6 本章小结2 1 第3 章g b p s 系统2 3 3 1 系统概述2 3 3 2 基本o f d m 符号参数2 4 3 3 数据符号子载波分配2 5 3 4 帧结构2 6 3 5 本章小结2 7 2 9 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 5 3 6 3 6 目录 4 3 1 2l m m s e 估计3 7 4 3 2 不存在虚子载波条件下的信道估计算法3 8 4 3 2 1l s 估计3 8 4 3 2 2l m m s e 估计3 9 4 4 信道估计插值算法4 0 4 4 1 线性插值4 0 4 4 2 样条插值4 2 4 4 3d f t 插值4 3 4 5 仿真模型及实测结果4 4 4 6m i m o o f d m 系统信道估计仿真性能分析5 0 4 7 本章小结5 5 第5 章m i m o o f d m 中的天线选择算法5 7 5 1 天线选择算法简介5 7 5 2 天线选择算法5 7 5 2 1 信道模型5 7 5 2 2m i m o 系统算法描述5 8 5 2 2 1 最优天线选择算法5 8 5 2 2 2 迭代天线选择算法5 9 5 2 2 3 基于相关的天线选择算法6 0 5 2 2 4 基于范数的天线选择算法6 1 5 2 3m i m o o f d m 系统算法描述6 2 5 2 3 1m i m o - o f d m 最优算法6 2 5 2 3 2 基于单载波容量最大化算法6 2 5 2 3 3 基于天线统计算法6 2 5 2 3 4 基于天线子集统计算法6 2 v 东南大学硕士学位论文 5 3 仿真和分析6 3 5 3 1m i m o 天线选择6 5 5 3 2m i m o o f d m 天线选择6 6 5 4 本章小结6 9 第6 章结束语7 1 6 1 论文总结7 1 6 2 未来研究展望7 3 致谢7 1 参考文献7 3 第一章绪论 1 1 论文背景 第一章绪论 在世界范围内，由于电子和信号处理等相关技术的发展，无线移动通信币在 经历着它问世以来发展最快的时期。上个世纪五六十年代，贝尔实验室和世界上 其他的通信公司起发展了蜂窝无线通信的原理和技术。虽然当时出现了蜂窝技 术，但是还没有相应的技术来实现蜂窝电话，这些技术直到上个世纪7 0 年代后 期才出现。随着7 0 年代高可靠性、小型化、晶体射频电路的发展，1 9 7 8 年，美 国芝加哥开通了第一台模拟移动电话，标志着第一代移动通信( 1 g ) 的诞生， 无线移动通信的时代才宣告真正开始。之后，无线移动通信技术经历了从模拟制 式到数字制式技术的发展，以北美的a m p s 和欧洲t a c s 为代表，所支持的业 务仅限于话音业务。它有很多不足之处，如频带利用率低、信令干扰话音业务、 容量有限、制式太多且互不兼容、保密性差、不能提供自动漫游等。 直到1 9 9 0 年前后，业务提供商的兴趣仍还在采用频分多址( f d m a ) 和模 拟调制方式实现话音传输上。但从1 9 9 0 年以后，出现了数字语音传输的重大变 革，第二代移动通信( 2 g ) 系统采用了时分多址( t d m a ) 或码分多址( c d m a ) 的数字调制方式，提高了系统容量，并采用独立信道传送信令，系统性能大为 改善。2 g 系统主要包括欧洲的g s m 和美国i s 9 5 等。2 g 系统进一步演进，是 以g p r s 、e d g e 为代表的2 5 代( 2 5 g ) 。 随着社会发展，用户数量的急剧增长，频率资源f 1 趋紧张，多媒体通信对速 率和业务类型要求的不断提高。第三代移动通信应运而生，第三代移动通信系统 能够提供更大的系统容量，更好的通信质量，更高的频谱利用率，实现全球普及 和全球无缝漫游，和更低的辐射，并能和固网一样提供将话音、图像、数据等业 务综合在一起的交互式宽带多媒体业务，支持分组交换业务和非对称传输模式。 i t u 于1 9 9 6 年底确定了i m t - 2 0 0 0 的基本框架，这是第三代移动通信( 3 g ) 系 统标准化的标志。最终确定的3 g 标准有欧洲提出的基于g s m 的w c d m a 、 北美提出的在i s 9 5 基础上进一步演进的c d m a 2 0 0 0 ，中国提出的t d s c d m a 以及2 0 0 7 年1 0 月新加入的w i m a x 。i n t e m e t 技术的日益普及，促使移动通信技 术向全口方向发展。目前3 个标准都分别推出其加强版本h s d p a ，l x e v - d o ， t d h s d p a ，部分已经商用。 世界各国在推动3 g 通信系统商用化的同时，已经将目光重点放在对新一代 4 g 移动通信系统的研究上来。系统不只是简单地为了适应用户数和带宽的增加， 东南大学硕士学位论文 更为重要的是它必须适应多媒体的传输需求，将多媒体例如语音、数据、影像等 大量信息通过宽带信道高速传送出去；并且包括对通信服务质量( q o s ) 的更高 要求i l 2 3 4 】。对下一代移动通信系统在性能方面主要有以下要求：用户速率在准 静止情况下达2 0 m b i t s 以上，在高速移动情况下达2 m b i t s ；传输容量要达到现 有系统的5 1 0 倍；系统服务质量要求小区覆盖率达到或接近9 8 9 9 5 ；系统具 有不同传输速率间的自动切换能力，以保证通信质量，且网络传输成本低于3 g 等。无线通信的最大技术瓶颈在于空中接口，若要在高速无线信道中以高质量传 输如此高的数据率，必须选择一种强有力的传输技术。目前从通信传输的技术层 面来看，m i m o o f d m 技术在4 g 系统中受到了广泛的瞩目，有效的空间分集 增益，提高数据传输速率，使信道容量显著增加【1 , 2 , 3 】，它以其高频谱效率、强抗 噪能力等优点受到了众多无线通信专家的青睐。日本计划在2 0 1 0 年实现5 g b p s 系统的商用。中国也正进行1 g b p s 系统的研究。 自2 0 0 6 年起，东南大学移动通信国家重点实验室承担了8 6 3 课题“g b p s 无线 传输关键技术与试验系统研究开发”，将在原有的b 3 g 课题研究的基础上，确定 采用t d d 方案和支持多天线的多载波正交频分复用传输技术( m i m o o f d m ) ， 突破速率到达1 g b p s 无线传输所需的基础性硬件与软件关键技术，研制开发出无 线数据传输能力达到1 g b p s 以上的试验验证系统，以满足更大的数据传输速率需 求。 1 1 1mlm 0 技术 多输入多输出( m 蹦o ) 或多发多收天线( m t m r a ) 技术是无线通信领域 智能天线的重大突破。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容 量和频谱利用率，是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。 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 ) 技术由来已久，早在1 9 0 8 年马可尼 数据 第一章绪论 行信道编码器编码后，再对其进行分层编码，编码信号经调制 同时发射，从而极大的提高了数据传输速率，由于它在不同的 信息，因而真正体现了m m o 系统容量提高的本质。空间复用 实验室提出的b l a s t 系统。 在7 0 年代有人提出将多输入多输出技术用于通信系统，但是对无线移动通信 系统多输入多输出技术产生巨大推动的奠基工作则是9 0 年代有a t & t 实验室学者 完成的。1 9 9 5 年t e l a t a r 4 】给出了在衰落情况下的m i m o 容量；1 9 9 6 5 】年f o s h i n i a 给 出了一种多输入多输出处理算法一对角贝尔实验室分层空时( d b l a s t ) 算法； 1 9 9 8 年t a r o k h 等讨论了用于多输入多输出的空时码；1 9 9 8 年w o l n i a n s k y 6 】等人采 用垂直贝尔实验室分层空时( v _ b l a s t ) 算法建立了一个m i m o 实验系统，在室 内试验中达到了2 0 b i t s h z 以上的频谱利用率，这一频谱利用率在普通系统中极 难实现，这些工作受到各国学者的极大注意，并使得多输入多输出的研究工作得 到了迅速发展。 通常，多径会引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于 m i m o 系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。m i m o 系统在发送端和 接收端均采用多天线和多通道，m i m o 的多输入多输出是针对多径无线信道来说 的。图1 1 所示为m m o 系统的原理图。 发送 。 r l ( ” ( k ) j 空时 解码 图1 1m i m o 系统的原理图 接收 传输信号流s ( k ) 经过空时编码形成m 个信息子流g ( 七) ( f _ 1 ，2 ，m ) 。这m 个天 线发射出去，经空间信道后由n 个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空间 编码处理能够分开并解码这些数据流，从而实现最佳的处理。 东南火学硕士学位论文 特别是，这m 个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未 增加带宽。 在采用多天线发送和多天线接收的无线通信系统中，如果不同发射天线间的 距离足够远且不同接收天线间的距离也足够远，那么可以认为各发送接收天线间 的通道响应独立，这样多输入多输出系统可以创造多个并行空间子信道。而通过 这些并行空间子信道独立地传输信息，将使得各个发射天线到各个接收天线之间 的传播信号也是互相独立地，这将大大提高数据率，从而满足高传输速率、高传 输性能和高系统业务容量的要求。此外，m i m o 传输技术还能够很好地支持未来 移动通信系统新的分布式网络结构。而具有m i m o 信道的一个通信系统被称为 m m o 通信系统。 总之，m i m o 系统利用多天线来抑制信道衰落，即将多径无线信道与发射、 接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率，它是一种近 于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。根据收发两端天线数量，相对于 普通的s i s o 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 tm u l t i p l e o u t p u t ) 系统 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。 系统容量是表征通信系统的重要标志之一，表示了通信系统最大传输速 率。对于发射天线数为m ，接收天线为n 的多输入多输出系统，假定信道为独立地 瑞利衰落信道，并设m ，n 很大，则信道容量【6 】c 近似为： c = m i n ( m ， t 3 l 0 9 2 ( p 2 )( 1 1 ) 其中b 为信号带宽，p 为接收端平均信噪比，m i n ( m ，n ) 为m ，n 中的较小 者。上式表明，功率和带宽固定时，多输入多输出系统的最大容量或容量上限随 最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发送端采用多天线 或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而 言，多输入多输出对于提高无线通信系统的容量具有极大地潜力。另外，利用 m i m o 技术也可以提高信道的可靠性，降低误码率。 1 1 20 f d m 技术 o f d m 技术【7 8 9 ，1o 】的研究和使用起源于2 0 世纪6 0 年代的军事高频通信系统 中的频分复用( f d m ) 。在传统的频分复用系统中，数据频带被划分成多个互不 重叠的子带，数据在不同的子带上并行传输，利用带通滤波器在接收端实现子带 信号的分离。由于具有陡峭截止频率的带通滤波器难以实现，子带之间通常要留 有一定的保护频带，频谱效率低，因而限制了传统多载波技术的发展。6 0 年代中 期，r w c h a n g 提出了一种可以完全消除载波间干扰( i c i ) 和符号间干扰( i s i ) 4 第一章绪论 的j 下交信号多载波传输方案】。但当时o f d m 系统的结构非常复杂，收发信机需 要大量的子载波振荡器组及相干解调器，代价昂贵，限制了o f d m 技术的进一步 推广。s b w e i n s t e i n 吞l l e b e r t 于1 9 7 1 年提出利用离散傅立叶变换来实现多载波基带 的调制及解调【l2 1 ，从而大大简化了多载波系统的复杂度问题。快速傅立叶变换 技术的成熟和超大规模集成电路( v l s i ) 技术的发展，大大减小了系统实现的 复杂度和成本，推动了o f d m 技术的实用化。1 9 8 0 年，p e l e d 和r u i z 提出了循环前 缀( c p ) 的概念l l 扪，不是在符号间插入空白的保护间隔，而是插入o f d m 符号 的周期扩展，以使信道和传送符号间的线性卷积近似成循环卷积。理论上，当循 环前缀长度大于信道最大时延长度时，系统将无码间干扰( i s i ) 。但循环前缀的 使用会造成一定程度能量的损失。c i m i n i 首先分析了o f d m 在移动通信中的应用 存在的问题和解决方法1 1 4 推动了o f d m 技术面向商业应用的研究工作全面展 开。8 0 年代后，o f d m 技术正式商用，首先用于高速调制有线上网。正交频分多 址( o f d m a ) 是将o f d m 和f d m a 相结合的多址方案，它s d m c c d m a 一起被 预计为第四代移动通信的主要技术，解决了o f d m 的多用户接入的问题。 1 2g b p s 无线通信系统简介 g b p s 试验系统以空时频一信号扩展一正交频分多址技术( s t f s s o f d m a ) 的系统方案为基础，是传统m i m o o f d m 技术的扩展。g b p s 试验系统工作在 3 5 g h z 频段，实际占用带宽小于1 0 0 m h z ，在室内多径丰富散射无线信道环境中 传播距离不少于5 0 米，实现的无线传输速率超过1 g b p s 。s t f s s o f d m 技术充分 利用时间、频率、空间的三维自由度，将信号能量尽可能均匀地在时域、频域和 空域扩散，以获得更多的分集增益，并降低峰均比( p a r ) ，使得系统能以较低 的复杂度对信号进行接收，获得良好的性能。 在算法链路上，g b p s 试验系统主要采用时分双工( t d d ) 、多天线( m i m o ) 、 空时编码、正交频分复用( o f d m ) 、交织、高阶调制( 1 6 q a m ) 和l d p c 编码 等高性能物理层传输技术，以实现g b p s 系统所需的高数据速率业务传输和高频谱 效率。o f d m 技术消除或减小了符号间干扰，避免了多径和多普勒频移的影响， 提高了系统频谱利用率。本系统o f d m 子载波数为1 0 2 4 ，有效数据子载波数为 7 6 8 。m i m o 技术为系统提供空间复用增益和空间分集增益，在大大提高信道容 量的同时提高了信道可靠性并降低了误码率。试验系统包括一个基站设备( b t s ) 和一个移动台设备( m t ) ，构成点对点的上、下行无线传输链路。基站和移动台 设备均配置为6 根天线。上行链路和下行链路都采用4 发6 收的天线模式。 东南大学硕七学位论文 1 3 论文内容安排 本论文主要研究了以m i m o o f d m 为基础的g b p s 系统辅助信道估计的导频 设计、信道估计算法分析与性能仿真和其算法在g b p s 系统中的实现方案，另外， 还对m i m o o f d m 系统中的天线选择算法进行了研究。论文安排如下： 第l 章主要介绍了移动通信系统的发展历程，简述了o f d m 和m i m o 的概念、 产生、发展，以及g b p s 无线通信的背景。 第2 章对基本的无线信道特性进行介绍，对m i m o o f d m 高速无线通信系统 信道进行分析及信道模型的选择。 第3 章介绍- t g b p s 系统结构，并列出g b p s 系统的主要参数。 第4 章首先介绍了m i m o o f d m 系统基于训练序列与导频的信道估计，研究 系统中经典的信道估计算法，并推导出m i m o o f d m 系统l s 信道估计下的最佳 的导频设计。最后主要介绍和分析了基于m m s e 和l s 准则的插值算法如：样条插 值、线性插值、d f t 插值，并对在不同信道参数下的信道插值估计算法的性能作 了仿真比较分析。 第5 章给出g b p s 系统天线选择算法设计即采用不同天线选择时系统的性能比 较分析。 6 第二章m i m o 无线信道综述 第二章m i m o 无线信道综述 2 1 引言 m i m o 通信系统是目前研究比较活跃的领域。m i m o 被视为是进一步增大系 统容量和提高频谱效率与功率效率的革新技术。使得高速移动i n t e r n e t 接入、大容 量无线本地环、无线视频传输、无线多媒体等应用将成为可能。因此有关m i m o 系统的相关研究，j z i ：i m i m o 空时信道的研究，m i m o 空时编解码技术，m i m o 发 送分集和接收分集技术的研究，m i m o 自适应空时编码调制技术研究等等是当前 国际上的研究热点。目前3 g 增强型技术已引入m i m o 技术，相信在未来移动通信 中m i m o 将发挥重要作用。本文的主要工作是估计无线通信系统的信道，因此建 立m i m o 信道模型就显得非常的重要。在本章里，作者对于m i m o 信道模型特性 的认识是从传统的无线信道分析出发，在参阅经典的描述无线信道文献的基础 上，最终给出m i m o 信道模型，从而为后面各章的算法提供理论依据。 本文给出了几种经典的无线信道模型：经典a w g n 信道，线性滤波器加 a w g n 信道和多径衰落信道，当然在宽带高速通信要求下，多径衰落信道模型更 为合理。依据多径衰落信道的二阶统计特性，给出了描述该种信道的经典术语， 以其更好把握信道的特性。进一步，给出了一种多径衰落信道的确定性描述方法： 等效离散时间白噪声滤波器( f 取) 模型，这将作为本文中的时不变信道估计的 信道模型。最后简单讲述了多径衰落信道的仿真。 在无线信道描述的基础上，作者引出了m i m o 通信系统的描述。有些文献中 考虑了m m o 系统天线间的相关性，从而意味着m i m o 子信道i n j 的相关性。而在 本论文中，我们仅考虑最理想的情况，即m m o 子信道是不相关的。 2 2 信道模型综述 首先，我们抛开m i m o 体制，仅考虑简单的s i s o 情况，在此基础上，将各种 信道模型推广到m m o 情形。同时，我们会明白m i m o 通信体制研究和信道分析 是独立的概念。 2 2 。1 经典的a w g n 信道 此时若发送信号为s ( t ) ，那么接收信号为r ( t ) = s ( t ) + n ( t ) ，其中( n ) t 为高斯白噪声 过程的一个实现样本，这是一种理想的情况，对发送信号的带宽没有任何限制， 并且没有信道估计的必要。 东南大学硕上学位论文 2 2 2 线性滤波器 i 【 a w ( i n 信道 这种情况下，信道是带限于特定的带宽v c h zf 勾，在这种情况下，信道可以建 模为等效低通频率响应为c ( f ) ( 1fl w ) 的线性时不变滤波器，相应地，其等效 低通脉冲响应表示为c ( f ) 。现在我们将c ( f ) 写为 c ( f ) = ie ( f ) le 妒厂( 2 1 ) 其中 c ( f ) ) 是信道的幅度响应特性，而o ( f ) 是信道的相位响应特性。进一 步，定义包络时延为 f ( 厂) = 一万1 了d o ( f ) ( 2 2 ) 如果称该带通信道为非失真的或是理想的，那么：对于任ifl w ，ic ( f ) l 为常 数；而o ( f ) 是厂的线性函数，即对任意i 厂i o ) ( 2 1 5 ) 1 0 ( ，- 0 ) 其中仃是包络检波之前所收到的接收信号的均方根值。 另一种常见的模型是，信道中存在能量较大幅度已知的直射路径，同时信道 中还存在大量的独立路径。如果发射机和接收机之间的多径传播中存在一个主要 的静态信号( 非衰落) 分量，即存在视距传播路径( l o s ，l i n eo fs i g h t ) ，则接 收信号的包络符合莱斯( r i c i a n ) 分布。这种情况下，从不同角度随机到达的多 径分量叠加在静态的主要信号上，接收机包络检波器的输出端会在随机多径分量 上叠加一个直流分量。则接收信号包络的概率密度函数为： p ：j 考p 丢l ( 争( 俐止。) ( 2 1 6 ) l 0 ( r o ) 其中参数a 是主信号幅度的峰值。厶( ) 是第一类零阶修正贝赛尔函数。 2 3 5 相干带宽一频率选择性衰落 无线信道的一个主要参数是多径时延扩展乙，它定义为较大能量路径的最 和最小时延之差 l = m a xff ，1 ( f ) 一f p 2 ( f ) l ( 2 1 7 ) p l , p 2 。 应地在频率域上，用下式来定义信道的相干带宽： 毋= 1 乙 ( 2 1 8 ) 相干带宽芝表示信道对不同频率信号衰落的相关性。令t 为传播信号的时间 隔，w = 1 丁为传输信号的带宽。如果满足w b c 时，信道被称为频率选择性信道，信道由多 个抽头表示，此时会产生码间干扰( i s i ，i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 。 2 3 6 时变效应 无线信道的时变性是由发射机和接收机的相对运动或者信道中其他物理的 运动引起的。描述无线信道时变性的两个重要参数是多普勒扩展和相干时l 训。 2 3 6 1 多普勒频移 无线信号在传输过程中，由于移动台或者路径上反射物的快速移动，会导致 接收信号的频率发生一定程度的偏移。当两者作相向运动时，接收信号的频率将 高于发射频率，当两者作相反运动时，接收信号的频率将低于发射频率，这种现 象称为多普勒效应。由多普勒效应造成的频率偏移取决于两者相对运动的速度， 可以表示为： 乃= c o s o ( 2 1 9 ) 几 其中v 是移动台的速率，五是发射波的波长，秒为入射波与移动台移动方向 的夹角。当0 = 0 时，多普勒频移有最大值为五= v 名，称为最大多普勒频移。 2 3 6 2 多普勒扩展 在接收端获得的信号通常是来自多个不同反射径上的信号，这些信号从不同 的入射角被天线接收。当移动台之间不存在直达径，且入射径数足够多时，可以 假设入射角服从( 一万， 的均匀分布，由此可以得到接收信号功率谱为： ，= 老 1 - ( 等，2 - 2 。， 上式中，是各向同性天线接收到的平均功率，丘为发射信号的频率。此式即 表示c l a s s i c 谱，由此可以看出虽然发射频率为单一频率z 的信号，接收信号的功 率谱却扩展到了从z 一乃到z + 以的范围，这个过程就是多普勒扩展。 2 3 6 3 相干时间 相干时间在时域上描述信道的频率色散的时变特性。它与多普勒扩展成反 比，是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。用式( 2 2 1 ) 来定义信 道的相干时间： 。lllilllll 东南大学硕l 学位论文 2 4m i m o 信道模型 巾 1 c 2 7 jt ( 2 2 1 ) 假设每对收发天线之间最大可分辨路径的数目为三，则m m o 信道的统计模 型可以表示为： r i ( f ) = z t t ，万( f 一一) ( 2 2 2 ) - i 其中f ，表示第z 径的延时系数，h ，c 。m 表示第z 个独立可辨路径的信道矩 啊脚 h ，：i ； h “( f ) 啊，( z ) 五n r , n t ( ，) ( 2 2 3 ) 其中坼为发射天线数，以为接收天线数，k ，。( ，) 表示发送天线门到接收天线m 间第，径的信道系数，并假设r 坼个信道具有相同的统计特性。 当角度扩展较小而天线间距不够大时，信道在空间上存在相关性，即不同信 道系数之间不独立。由于只考虑信道的空间相关性，与信道时延无关，将第，径 阵， 其相 可得 。) 得 解为 第_ 二章m i m o 无线信道综述 r = r ；or 月，其中r r c 坼州r 为发射天线相关阵，r 月c 州一为接收天线相关 阵，此时信道矩阵h = r ：2 h 。r y 2 。 2 5m i m o 衰落信道仿真模型的实现 2 5 1 衰落信道仿真模型的实现步骤 本文采用的信道模型实现无线m i m o w s s u s 信道，具有多径引起的快衰落， 信道抽头的包络满足瑞利分布，相位满足 o ，2 万) 的均匀分布，具有多径时延扩展， 各径独立，由多径引起的信道多普勒扩展功率谱为c l a s s i c 谱，m m o 相关模型为 发射接收相关分离模型。图2 4 为信道模型的生成步骤。 t 甲 珊 。17 1 麓 由天线相关矩阵和不相关 衰落径合成具肯空间 相关性的信道径 。 ，( 发，收相关性分离模型) i 图2 4 仿真信道生成步骤 2 5 2 改进的d a k e s 模型 改进的j a k e s 模型能生成任意抽头数的时变信道，各抽头独立，每径包络满 足瑞利分布，信道谱为c l a s s i c 谱。第k 抽头信道的生成公式如下： f1 n o i 瓦( ，) = 7 上n oy n = 0 c o s ( 2 万厶c o s a n , t + 九) + j s i n ( 2 z r f d s i n a n k ，+ 九) ( 2 2 4 ) k = 0 ，1 ，2 ，m - 1 n o = n 4 2 z n2 兀k 7 r a n k2 百+ 一m n + 互面 m 为抽头个数，n 为j a k e s 模型每抽头使用径数，允和以为初始相位，本文 仿真初始相位随机产生，每个服从 o ，2 万) 均匀分布。 1 7 东南火学硕l 学位论文 2 5 3 抽头延时模型 m i m o 信道的离散输入输出信号可以表示为 l y ( 尼) = h ，( k ) x ( k - r f ) + n ( 足) ( 2 2 5 ) 是每信道径数，是第，径延迟( 相对采样率归一化) ， x ( 尼) = h ( 足) ，j c 2 ( 尼) ，( 尼) 】7 ，n ( 后) = i n 。( 七) ，z ：( 尼) ，甩( 尼) n y ( 足) = 【y 。( 足) ，y ：( 足) ，y ( 足) 】7 分别是良时刻的输入信号矢量，噪声矢量，输出信 号矢量。h ，( 七) 是在七时刻第，径的信道矩阵， 延迟模型图如下， 发射信 l 啊( 七，z ) 啊m ( 七，z ) l h 肚) = i i+ ； i ( 2 2 6 ) 【- ，( 七，z ) h a , r ，( 七，例 图2 - 5 抽头延迟模型 落信道仿真模型测试 模型选用s u i 3 信道，仿真系统模型参数见表2 1 ，s u i 3 信道模型参数 表2 - 1 m i m 0 相关衰落信道系统仿真参数 参数 数值 载波频率 3 5 g h z 采样频率1 2 2 8 8 m 天线配置4 发6 收 第- 二章m i m o 无线信道综述 子载波数目 1 0 2 4 每帧符号数 4 9 0 帧数8 0 表2 - 2s u i - 3 信道模型3 径抽头延时线参数 t a p r e l a t i r et a pd e l a y r e l a t i r et a pa m p l i r u d e m a xd o p p l e r n u m b e r ( n s ) d b f r e q u e n c y h z loo oo 4 2 4 0 0- 5o 3 39 0 0- 1 00 5 由表2 2 中的数值可以计算得出s u i 3 信道模型的均方根时延扩展为2 6 4n s 发射天线相关阵和接收天线相关阵如下，其中所选0 8 ，风选0 9 。 r r ：f ，1。 l 岛耻匕 ( 2 2 7 ) 2 5 5 模型抽头衰落特性测试 图2 6 是仿真信道抽头归一化包络的统计曲线和理想瑞利信道的分布曲线， 两者完全重合。 梧 求 婚 四 球 擐 划 堆 j 一j - - 琴鬈- 一 。z 一 _ +。 。4 。 f _ 一j 。 +。l 。+。一 。-_。-。i 。 。 。4 ：瑞捌分布理论值 十：1 ”17 ”“ 年 f+ 改进j a k e $ 模型抽头分布 士 一 o 511 52 信道抽头包络值 图2 - 6 信道抽头分布 1 9 1 9 8 7 6 5 4 3 0 o o