（通信与信息系统专业论文）线性星座预编码ofdm和多天线关键技术研究.pdf

摘要 随着无线通信需求的日益增长和实现技术的日新月异，无线通信技术向更高数据传 输速率，更大系统容量，更高频谱利用率和更适合各种信道条件的方向发展。作为新一 代无线通信传输技术的主要侯选技术正交频分复用( o f d m ) 技术，和采用多个发射天 线和多个接收天线的多输入多输出( m “o ) 技术及这两种技术的相互结合可以大幅度 提高宽带无线通信系统的抗衰落能力和系统容量，本文以o f d m 技术和多天线m i m o 技术结合的一些关键问题为主要研究方向。 本文首先研究了o f d m 系统的频率分集问题。采用频域扩展的s p r e a d - o f d m 技术 和采用纠错编码的o f d m 技术是o f d m 系统利用频率分集的两种主要方法，本文将最 优的s p r e a d - o f d m 技术线性星座预编码o f d m ( l c p o f d m ) 与编码o f d m ( c o f d m ) 技术相比较，并提出了l c p o f d m 的l m m s et u r b o 均衡算法。本文进行了大量的仿真 比较，结果表明与采用同样纠错编码的c o f d m 系统相比，采用t u r b o 均衡算法的 l c p o f d m 有明显的性能优势；而在计算复杂度相近的条件下，l c p o f d m 性能也不 弱于c o f d m ：而且l c p o f d m 比c o f d m 有低得多的峰值平均功率比( p a p r ) 。 本文接着对经典的m i m o 技术进行了研究。m i m o 系统可以提供很高的容量和很 好的性能，但其解码的复杂度很高，而一些简化的解码方法虽然比较简单，但性能又较 差，有必要寻找性能较好复杂度适中的折中解码方法。本文对垂直分层空时传输 ( v b l a s t ) 系统的解码方法进行了研究，提出了分段检测的概念和一种新的分段检测 方法。分段检测方法通过对最先检测的几个分层采用最优的最大似然( m l ) 检测方法 来提高v b l a s t 系统总的检测性能。新的分段检测方法采用m m s e 准则来隔离未检测 分层集合对当前检测分层集合的干扰，仿真比较表明这种新的分段检测方法在性能上优 于其他几种主要的检测方法，同时具有较低的解码复杂度。 m i m o o f d m 系统因为采用了o f d m 调制，也存在频率分集的问题。本文提出的 v b l a s t _ o f d m l c p 系统将l c p o f d m 技术扩展到m i m o 系统上，通过采用无冗余 的l c p 预编码来提供最大的频率分集增益，并且设计了一种v b l a s t 和l c p 联合解码 算法。本文提出的v b l a s t - o f d m l c p 具有结构简单，分集增益大和没有边界分层损 耗的优点，其解码算法联合了v b l a s t 的判决反馈均衡( d f e ) 处理算法和l c p 预编 码的m l 解码算法，具有很好的性能和较低的复杂度。仿真表明l c p 预编码可提供明 显的分集增益，在复杂度适当增加的情况下，v b l a s t - o f d m l c p 与单纯的 v b l a s t o f d m 相比获得了明显的性能增益。 本文最后对m i m o o f d m 系统的信道估计进行了研究。对于m i m o o f d m 其信道 估计有不同于单天线o f d m 系统的特点，因为各个发射天线的信号在接收端迭加在一 起，为了将各个发射天线对应的信道准确估计出来，要采用独特的估计算法并努力降低 估计算法的复杂度。本文提出了m i m o o f d m 系统基于导频符号的信道估计算法和导 频符号的设计准则，利用该准则设计的导频符号可使信道估计的计算复杂度大幅度下 降，使该方法具有很强的实用性。另外对几种基于判决的信道估计方法及其适用性进行 了总结。 关键词：宽带无线通信正交频分复用( o f d m )多输入多输出天线系统( m i m o ) 空时传输线性星座预编码( l c p ) 检测方法信道估计 i i a b s t r a c t t h ew o r l do fw i r e l e s st e l e c o m m u n i c a t i o n si s r a p i d l ye v o l v i n g n e w w i r e l e s s t e c h n o l o g i e sw h i c hi m p r o v e t h et r a n s m i s s i o nr a t e ，s y s t e mc a p a c i t y , s p e c t r u me f f i c i e n c yo ft h e w i r e l e s ss y s t e ma n dw h i c ha r em o r e a d a p t e dt oc h a n n e lc o n d i t i o n sa r ec o n t i n u i n gt oe m e r g e i ti sb e l i e v e dt h a tb y c o m b i n i n go f d m a n dm i m o t e c h n o l o g i e st h es y s t e mc a p a c i t ya n d t h e p e r f o r m a n c e o v e rf a d i n gc h a n n e l sc a nb eg r e a t l yi m p r o v e d i nt h i st h e s i s ，o f d m ，m i m oa n d t h e i rc o m b i n a t i o na r ei n v e s t i g a t e d t h i st h e s i sb e g i n sw i t ha ni n v e s t i g a t i o no f f r e q u e n c yd i v e r s i t ym e t h o d s o fo f d m s y s t e m s p r e a d - o f d m w h i c hu s e sl i n e a rc o n s t e l l a t i o n p r e c o d i n g ( l c p ) i sc o m p a r e d w i t h c o d e d - o f d mi nm a n y a s p e c t s al o wc o m p l e x i t yl m m s e t u r b oe q u a l i z a t i o na p p r o a c hf o r o f d m s y s t e mw i t hc o m b i n e d e r r o rc o n t r o lc o d i n ga n dl c p p r e c o d i n g i sp r o p o s e d t h r o u g h s i m u l a t i o na n d p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，i ti ss h o w n t h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e ds c h e m e o v e rf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e lr e a c h e st h em a t c h e df i l t e rb o u n d ；c o m p a r e dw i t ht h e s a l t l ec o d e do f d mw i t h o u tl i n e a rp r e c o d i n g ，t h ep r o p o s e ds c h e m es h o w s g r e a ti m p r o v e m e n t t h es e c o n dr e s e a r c ha r e ai n t r o d u c e san o v e la p p r o a c ht od e t e c tm i m o v b l a s t s i g n a l s m i m o s y s t e m w h i c hu s e sm u l t i p l ea n t e n n a sa tb o t ht h et r a n s m i t e ra n dt h er e c e i v e r p r o m i s e t o p r o v i d ev e r yh i e t as y s t e mc a p a c i t ya n dg o o dp e r f o r m a n c ea tt h es a m et i m e b u tt h ed e t e c t i o n m e t h o di sr a t h e rc o m p l e x s e v e r a ld e t e c t i o na l g o r i t h m sf o rt h ev e r t i c a lb e l ll a b o r a t o r i e s l a y e r e ds p a c et i m e ( v b l a s t ) s y s t e mi na f i a tf a d i n ge n v i r o n m e n ta r ec o m p a r e d a n dt h e c o n c e p t o f s e g m e n t e d d e t e c t i o ni s p r o p o s e d t h e n e w a p p r o a c hp e r f o r m t h e m a x i m u m l i k e l i h o o d ( m l ) d e t e c t i o nf o rt h ef i r s ts e v e r a ll a y e r sa n du s et h ed f ep r o c e d u r e f o rt h er e m a i n i n gl a y e r s i tu s e sm i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o r ( m m s e ) c r i t e r i o nt os u p p r e s s i n t e r f e r e n c ef r o mu n d e t e c t e dl a y e r s c o m p a r e dw i t hd f e s ，t h es e g m e n t e dd e t e c t i o n i m p r o v e s t h ed e t e c t i o n p e r f o r m a n c e w i t hl i t t l ei n c r e a s eo f c o m p l e x i t y i n c r e a s i n g t h et h i r ds e c t i o no ft h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t san o v e ls c h e m et oo b t a i n f r e q u e n c y d i v e r s i t y f o rm i m o - o f d ms y s t e m av b l a s t _ o f d ms y s t e mw i t hl c pp r e c o d i n gi s p r o p o s e df o rw i d e b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s f r e q u e n c yd i v e r s i t yi s o b t a i n e dt h r o u g h l c p p r e c o d i n g o v e ro f d ms u b c a r r i e r s a l s oac o m b i n e dv b l a s t - l c pd e c o d e ri sp r o p o s e d t h ed e c o d e rc o m b i n e sc l a s s i c a lv b l a s ts u c c e s s i v ec a n c e l l a t i o nw i t hm a x i m u ml i k e l i h o o d d e c o d i n gf o rl c pp r e c o d i n g c o m p u t e rs i m u l a t i o ns h o w st h a tv b l a s t _ o f d m - l c ph a sa p e r f o r m a n c eg a i n o fa tl e a s t8 5 d bc o m p a r e dw i t hv b l a s t _ o f d m f i n a l l yc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d sf o ro f d ms y s t e mw i t hm u l t i p l et r a n s m i ta n t e n n a s a r ei n v e s t i g a t e d f o rp i l o t b a s e dc h a n n e le s t i m a t i o nd f t - b a s e dl sa n dl m m s em e t h o da r e s t u d i e d ap r a c t i c a lc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o di s p r o p o s e d i nt h ep r o p o s e dm e t h o dt h e c o m p l e x i t yo fl sa n dl m m s e m e t h o d si s g r e a t l yr e d u c e db yo 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 a n d t h e p e r f o r m a n c e d e m o n s t r a t e d b y s i m u l a t i o ni sc l o s et oi d e ac h a n n e l i n f o r m a t i o n f o rd e c i s i o n - d i r e c t e dc h a n n e le s t i m a t i o n ，3k i n do fm e t h o d sa l ed e s c r i b e da n d c o m p a r e d k e y w o r d s ：w i d e b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n so f d mm i m o s p a c e - t i m et r a n s m i s s i o n l i n e a rc o n s t e l l a t i o np r e c o d i n g d e t e c t i o n ，c h a n n e le s t i m a t i o n 独创性声明 鞠7 8 8 8 本人声明所呈交的学术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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 日期：2 0 0 3 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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电子版，允许论文被查阅和借阅。本人 授权华中科技大学可以将本学位论文或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“、，) 学位论文作者签名： f 1 期：2 0 0 3 年月目 指导老师签名： 日期：2 0 0 3 年月日 豢爨佟者、导师同意 匆垒文公布 1 绪论 在最近的l o 到2 0 年内，无线通信成为了通信领域的发展热点，各种新的无线通信 技术成为学术界和产业界的研究和丌发的热点。人们不但采用无线通信来扩展自身的通 信范围，同时也大量采用无线通信来替代不方便的有线通信。随着无线通信需求的同益 增长和实现技术的f 1 新月异，无线通信技术向更大传输速率，更大系统容量，更高频谱 利用率和更适合各种信道条件的方向发展，研究者面l 临越来越多新的技术挑战，技术创 新层出不穷，引发了相关研究和文献的爆炸式地增长。本文的研究工作只能涉及其中的 一小部分，主要集中在o f d m 和多天线传输技术的领域内，力求反映该方面无线通信 关键技术的发展趋势，并对其中一些关键问题进行回答。 1 1 无线通信的发展现状和4 g 本节讨论当前一些热点无线通信技术和研究者面临的主要技术挑战。 1 ) 宽带固定无线接入 近年来，随着用户对i n t e m e t 上网的需求继续快速增长，仅仅靠在固定有线网 ( p t s n ) 加装不对称数字用户线( a d s l ) 和电缆调制解调器( c a b l e m o d e m ) ，已经不 能满足用户的需要，而且这些有线方式受到诸多因素的影响。和其它技术相比，宽带无 线接入( b w a ) 具有自身独特的优势及广泛的市场应用前景。 与传统的有线接入方式相比，宽带无线接入( b w a ) 具有如下优势：支持的数据速 率高，频率复用度高，系统容量大，不用重新布线，启动资金较小，提供服务速度快， 无线系统安装调试容易。运营维护成本低，在发展方面极具灵活性，系统具有良好的可 扩充性，可根据用户需求进行系统设计或动态分配系统资源，因而不会造成资金或设备 的浪费。 当前比较有代表性的宽带无线接入技术是i e e e 协会的8 0 2 1 6 1 1 标准，陔标准整合 了i m d s ( 本地多点分配系统) 、m m d s ( 多点多信道分配系统) 技术，形成了从2 g h z 到 6 0 g h z 频带范围内的宽带无线接入的统一标准。 与其他宽带接入技术相比，b w a 系统面临着许多严峻的挑战。首先无线信道的空 间损耗、多径干扰和时延扩展是b w a 系统首先必须面对的问题。其次由于用户终端( s s ) 多架设在室内，s s 与b s 之间存在非视距( n l o s ) 的传输环境，给b w a 系统的设计 提出了更高的要求。另外理论上固定无线通信适合采用多天线技术，包括智能天线技术 和多输入多输出( m i m o ) 技术，但在实际系统中如何降低采用这些技术带来的高复杂 度也是一个难题。 2 ) 无线局域网w l a n 和无线个域网w p a n 无线局域网被看作传统有线网络的延伸，在某些环境还可以替代传统的有线网络。 与之相比，无线局域网有以下显著的益处：具有好的移动性，设备安装快速、简单、灵 活，消除布线的繁琐工作，网络可遍及有线不能到达的地方，减少投资，具有好的扩展 能力。 目前作为无线局域网协议族中最成熟的i e e e 8 0 2 1 1 b 主要是工作在2 4 g h z 频段， 频段范围为2 4 t o2 4 8 3 g h z ，物理层的调制方式为采用c c k ( 补码键控) 的直接序列扩 频( d s s s ) ，最高通信速率达l l m b p s 。新的i e e e 8 0 2 1 l a 扩充了标准的物理层，规定该 层使用5 g h z 的频带，频段范围为：5 1 5 - 5 2 5 、5 2 5 5 3 5 及5 7 2 5 5 8 2 5 g h z ，采用o f d m ( 正交频分复用) 来传输数据，其物理层的吞吐量最高达5 4 m b p s 。 w p a n 在一个活动半径较小的区域内( 一般为1 0 米) 实现了一个业务类型丰富， 无缝连接各种智能设备的移动通信网。w p a n 网的核心是短距离的无线链接技术。目前， 为大家所熟悉的短距离无线通信技术还有b l u e t o o t h 技术。蓝牙系统实际上就是解决 w p a n 应用的第一种技术，具有很强的实用性，但通信速率偏低，主要适合音频数据的 传送。最近由i e e e 8 0 2 1 5 3 提出的无线个人域网( w p a n ) 主要是针对未来的多媒体应 用的，它在便携式消费者电器和通信设备之间建立无线连接，是比w l a n 覆盖范围更 小、数据速率更高、有一定q o s 保证、使用更灵活的一种网络。其应用包括高质量声像 配送、多兆字节音乐和图像文档传送等。 w l a n 和w p a n 都工作在室内复杂环境中，遮挡和多径传播效应十分明显，另外 因为w l a n 和w p a n 一般都应用于便携设备，为了降低能源消耗，延长电池使用时间， 必须严格控制发射功率，多媒体的通信要求更高的通信速率，这些相互矛盾的需求给 w l a n 和w p a n 的相关技术研发和系统设计带来了极大的挑战。 3 ) 新一代蜂窝移动通信系统，4 g 2 无线传输链路技术是蜂窝移动通信系统的重要组成部分，同时也是不断推进蜂窝移 动通信系统更新换代的关键技术之一。一- 卜世纪末，互联网技术的广泛应用和人们对数 据传输业务越来越多的依赖冲击着第三代移动通信技术( 3 g ) 的发展，同时，第三代移 动通信技术的演进策略也阻碍了其自身的发展，其中最显著的特征是i p 技术的融合进 度缓慢。因此，旨在提供高速率数据传输业务、无缝融合互联网技术的新一代无线传输 链路技术的研究成为各国通信企业的研究重点和发展目标。 目前比较有代表性的研究机构和技术包括i e e e 的8 0 2 2 0 工作组，n t td o c o m o ， i t u r 第8 研究组等，都还处于研究阶段，没有形成统一的标准。 高速率、高容量、低费率、多业务、可自适应、可扩展、具备q o s 保证是新一代蜂 窝移动通信系统的技术发展趋势。提高频谱利用效率，增加系统有效用户容量，适应无 线传输环境下的高速分组数据传输是新一代蜂窝移动通信系统无线传输链路技术必须 解决的技术难点。 而第4 代移动通信技术( 简称4 g ) 包含了更宽泛的概念，不仅要求开发更好更新 的无线传输链路技术，而且要求整合所有现有的无线通信技术包括g s m ，3 g ，b w a ， w l a n ，w p a n 等和有线网络，使之成为一个无缝的整体网络。 总之，无线通信向着更高速率、更高容量、更高频谱利用率、更适合各种传输信道 包括n l o s 信道、更高效率( 降低实现复杂度和能源消耗) 的方向发展，对新无线通信 技术的开发和新无线通信系统的设计提出了更高的挑战。 1 2 关键技术研究现状 在此简要回顾一下无线通信领域内的一些关键技术包括：o f d m 技术，m i m o 技术， 空时编码和空时传输技术等以及她们的相互关系。 随着无线通信技术和i p 数据网络技术的发展，o f d m 技术作为新一代无线通信传 输技术的主要侯选技术，越来越受到研究界和产业界的重视，事实上在i e e e 协会关于 无线通信的新一代标准中大量采用了o f d m 技术，主要包括8 0 2 1 6b w a ，8 0 2 1 1a w l a n ，8 0 2 1 5 3w p a n 等，而且在新一代蜂窝移动通信系统标准中也极有可能采用 o f d m 作为基本的传输技术。o f d m 技术的使用可以提高系统的无线频率使用效率，并 具有强大的抗噪声能力，抗多径干扰能力，抗衰落能力和适合高速数据传输的特点，因 而倍受无线通信专家的青睐。 自从o f d m 为代表的多载波调制技术在2 0 世纪五六十年代被提出以来 2 ，经典的 o f d m 技术研究。包括o f d m 系统的同步口1 1 ，信道估计6 】【7 】，p a p r 等问题 8 9 】 1 0 m 1 的研究经过几十年尤其是近十的研究，已经取得了相当多的研究成果，使o f d m 系统 已经可以达到实用化的要求，i e e e8 0 2 “a 标准在技术上的成功就是证明1 1 4 。 当前对o f d m 技术的研究主要集中在将o f d m 技术与其他能大幅度提高通信系统 容量和性能的技术相结合的研究上，其中最为有代表性的就是将o f d m 技术和多天线 技术结合起来。 采用多个发射天线和多个接收天线的多输入多输出m 1 m o 技术能成倍地提高系统 的容量和数据传输速率，已经成为近年来的研究热点。m i m o 技术的提出还是近十年的 事，1 9 9 6 年g j f o s c h i n i 提出在无线通信中用多元天线( m e a ) 构造的分层空时结构【7 】【引， 1 9 9 8 年v a h i d t a r o k h 在此启发下，首先提出空时编码( s t c ) 概念。m i m o 系统的的容量， 编码和解码等经典问题的研究也取得了突破性的研究成果，为m i m o 系统进入实用化 提供了理论基础。 文献提出将m i m o 技术和o f d m 技术结合起来进行研究，m i m o 技术假设信 道是窄带和平坦衰落的，而宽带无线通信是目前发展的主流，o f d m 技术可以将频率选 择性衰落的宽带信道划分为多个并行的窄带平坦衰落信道，每个窄带信道正好适合采用 m i m o 技术，包括分层空时技术和空时编码技术。对m i m o o f d m 系统的研究表明该 技术很适合未来无线通信更高速率、更高容量、更高频谱利用率的要求，但其高复杂度 制约了当前被大规模采用的可能性。近年来，以i e e e8 0 2 1 6 a 技术为代表的b w a 系统 已经尝试采用较简单的空时分组编码和o f d m 技术相结合的方法来提高系统的数据传 输速率。可以预见随着实现技术的提高，m i m o o f d m 将越来越趋于实用化，对 m i m o o f d m 及其相关问题进行更深入的研究己是当务之急。 2 0 0 2 年国内也大规模启动了新一代无线移动通信系统无线传输链路技术研究工作， 其中m 1 m o - o f d m 是其中的一个研究重点。尤其要提到的是2 0 0 2 年2 月2 6 日，华中 科技大学和上海交通大学、武汉汉网高技术有限公司联合共同投标的国家科技部”新一 代蜂窝移动通信系统无线传输链路技术研究”项目( 4 g ) ，经过国家科技部招标评审专家 组评定，一举中标( 见附录2 ) 。本文的主要工作都是在该项目的资助下进行的。 4 1 3 论文选题和内容要点 奉论文在国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 重大专项课题”新一代蜂窝移动通信 系统无线传输链路技术研究”项目( 见附录2 ) 的资助下，以o f d m 技术和空时传输技 术的结合为重点，其中主要研究以下一些问题： 1 ) s p r e a d o f d m 和o f d m 系统比较的优势问题 o f d m 作为一类技术的总称，不仅包括直接采用纠错编码的o f d m ( c o f d m ) 技 术，还包括在纠错编码前进行频域扩展的s p r e a d - o f d m 技术，c o f d m 和s p r e a d o f d m 是不同的利用频率分集的方法，下一代无线通信系统应该采用o f d m 还是s p r e a d o f d m 技术仍是一个值得争论的焦点问题。本文将最优的s p r e a d o f d m 技术线性星座预编码 o f d m ( l c p o f d m ) 与c o f d m 技术相比较，并提出了l c p o f d m 的l m m s et u r b o 均衡算法。 2 ) m i m o 系统的复杂度问题 m i m o 系统可以提供很高的容量和很好的性能，但其解码的复杂度很高，而一些简 化的解码方法虽然比较简单，但性能又较差，有必要寻找性能较好复杂度适中的折中解 码方法。本文对m i m o 系统的一种v b l a s t 系统的解码方法进行研究，提出了一种折 中的解码算法。 3 ) m i m o 0 f d m 系统的频率分集问题 采用了o f d m 系统后，因为信道频率选择性衰落的影响，每个子载波信道的信道 响应不同，有的子载波信道可能因为信道的原因而出现高的误符号率，达不到期望的系 统容量，为了解决这个问题，可以采用子载波信道间的纠错编码来提供频率分集。本文 提出的一种m i m o o f d m 系统通过采用无冗余的l c p 预编码来提供最大的频率分集增 益。 4 ) m i m o o f d m 的信道估计问题 o f d m 系统必须进行信道估计，才能进行正确的解调和解码，对于m i m o o f d m 其信道估计有不同于单天线o f d m 系统的特点，因为各个发射天线的信号在接收端迭 加在一起，为了将各个发射天线对应的信道准确估计出来，要采用独特的估计算法并努 力降低估计算法的复杂度。本文提出了基于导频符号的信道估计方法和导频符号的设计 5 准则，可大幅度降低信道估计的复杂度。 图1 1 几个研究问题以及关键技术的相互关系 本文主要研究的问题以及关键技术的相互关系可用图1 1 来说明，其中 问题( 3 ) m i m o o f d m 的频率分集问题和问题( 4 ) m i m o o f r m 的信道估 计问题属于m i m o o f d m 的特有问题； 问题( 1 ) 研究的是o f d m 系统的频率分集问题，回答了s p r e a d o f d m 和o f d m 系统比较的优势问题，而问题( 3 ) 是问题( 1 ) 在m i m o 环境中的自然扩展： 问题( 2 ) 关注了m i m o 系统的处理复杂度问题，其应用可以直接扩展到对复 杂度更敏感的m v i o o f d m 系统中； 问题( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 都涉及到l c p 预编码或m i m o 系统带来的信号混迭的 问题，通过合适地建模，都可以用线性的方法如迫零( z f ) 和最小均方误差 ( m m s e ) 或非线性的最大似然( m l ) 方法进行解决，这也是本文的重要线索 之一。 通过对以上相互关联的研究问题和关键技术的研究，本文试图回答o f d m ，m t m o 以及o f d m 和m i m o 相互结合的一些关键问题，为新一代无线传输链路技术的体制选 择和算法实现提供一定的理论基础和仿真依据。 基于以上研究内容，本文的组织如下： 第二章探讨的o f d m 系统的频率分集问题，简要介绍宽带无线信道的特点，o f d m 技术，以及关于o f d m 和s p r e a d o f d m 技术的争论，讨论l c p 预编码的理论基础和 l c p o f d m 技术( s p r e a d o f d m 的一种) 的频率分集的最优特性，提出一种l c p o f d m 系统的t u r b o 均衡算法，比较t u r b o 均衡l c p o f d m 系统和c o f d m 系统的性能，阐述 l c p o f d m 系统的优势。 第三章探讨降低m i m o 系统的复杂度的方法，简要介绍了m i m o 系统的几种类型， 以其中的v b l a s t 系统为主要的研究对象，研究v b l a s t 系统的解码方法，提出一种 新的v b l a s t 系统分段检测方法。 第四章探讨m i m o o f d m 系统的频率分集问题，主要关注用无冗余的l c p 预编码 方法提供频率分集，提出了v b l a s t - o f d m 系统用l c p 预编码获得频率分集的方法和 对应的联合解码方法。 第五章探讨m l m o o f d m 的信道估计问题，对基于导频符号的和基于判决符号的 信道估计方法进行了总结，分析其适用性，并提出了一种导频符号设计准则，其对应的 信道估计算法可以得到大幅度地简化。 第六章总结本文的研究工作，并讨论今后有待研究的问题。 20 f d m 和线性星座预编码o f d m 在无线环境中，信号往往受到多径干扰也即频率选择性衰落的影响，单载波通信系 统利用均衡算法来对抗多径干扰。多载波系统如正交频分复用( o f d m ) 则通过 d f t i d f t 将无线信道划分成许多很窄的子信道，每个子信道近乎平坦衰落，避免了复 杂的均衡算法。 正交频分复用o f d m 调制是一种多载波调制方式。o f d m 的多个载波相互正交， 一个信号内包含有整数个载波周期，每个载波的频点都是和相邻载波零点重叠，这种载 波问的部分重叠提高了频带利用率。而且o f d m 系统中循环保护前缀的使用，有效地 减少和克n t 码间干扰带来的影响。对于频率选择性衰落信道，o f d m 系统可通过采用 纠错编码和交织的方法利用频率分集，改善系统性能。 频域扩展o f d m ( s p r e a d o f d m ) 包括线性预编码o f d m ( l p o f d m ) 是o f d m 系统在频率选择性衰落信道中利用频率分集的另一类有效方法，其中关于线性星座预编 码( l i n e a rc o n s t e l l a t i o np r e c o d i n g ) o f d m ( l c p o f d m ) 的研究和应用最引人注目。 线性星座预编码的理论基础是多维调制技术”】，多维调制技术最初用于平坦瑞利衰落信 道来获得所谓信号空间分集。与传统的编码o f d m ( c o f d m ) 相比l c p o f d m 可以提 高系统性能或降低对纠错编码的要求。另外频域扩展预编码还可以降低o f d m 系统的 峰均比( p a p r ) i t s 1 9 1 。 下一代无线通信空中接口技术是选用c o f d m 还是s p r e a d o f d m 技术，是一个研 究晃的争论焦点。本章将重点研究s p r e a d o f d m 技术中性能最好的l c p o f d m 技术， 并与c o f d m 进行性能和复杂度的比较。 本章将首先介绍o f d m 系统的频率分集问题，比较c o f d m 和s p r e a d o f d m 的性 能，介绍l c p 预编码的理论基础，并重点讨论l c p o f d m 系统的均衡方法，提出联合 纠错编码和l c p 预编码的o f d m 系统的t u r b o 均衡算法，一定程度上回答c o f d m 和 l c p o f d m 两种频率分集利用方法的比较问题。 2 1 频率选择性衰落信道，均衡和频率分集 无线信道由于地面情况复杂，信道条件恶劣，传输信号受干扰大，具有多径效应和 时变性两个特征2 0 1 。参考图2 1 ，多径效应是指接收机接收到的信号是通过不同路径到 达的，这些幅度衰减和时延不同的信号相互重叠，就造成接收端判断错误，严重影响信 号传输质量。这个特性也称为信道的时间弥散性，同一个信号中不同的频率成分体现出 不同的衰落特性，所以也称为频率选择性衰落。 多条传播 路径 基站 一、 、 、- 图2 1 无线信号的多径传播效应 无线信道的冲击响应在基带可表示为 h ( r ，f ) = h 女( f ) 占( r 一“) ( 2 1 ) k 其中靠是第k 条径的时间延迟，而( ) 是第k 条径的复数幅度，h k ( f ) 符合瑞利分布。 在本文的仿真中，为了加快仿真的速度，促进结果的尽快收敛，采用了功率时延剖面呈 指数衰减的多径信道模型 ( f ) = h t 6 ( f 一七，) ( 2 2 ) k 其中，是系统采样间隔，转换到离散时间，可表示为 ( ) = h 女占( h 一) ( 2 3 ) k 9 、d 嫦 r ， ， 1 l ， ， 1 其中的h 。的取值相互独立，即系统中的每条路径独立衰落，h 。的取值在每一个帧内保 持不变，在下一个帧则根据瑞利衰落跳变n - 个独立的新值。p 女= g ( 1 l h 是第k 条径 的平均能量，p = p o 1 0 1 ，即径的平均能量随时延指数衰减，其中c 代表了衰减的 速度。 尤其在移动通信、室内通信等通信环境下，多径干扰是非常严重的，系统必须具有 很强的抗干扰能力，才能保证通信的畅通。扩频技术具有很强的抗多径能力，它足利用 扩频所用的扩频码的相关特性来达到抗多径干扰，甚至可利用多径能量来提高系统的性 能。 多径效应会使信号产生码问干扰，接收端必须采用均衡技术来消除信道的影响。单 载波系统一般通过训练序列对信道响应进行估计，并通过某种自适应算法不断更新均衡 器的系数以跟踪信道的变化。根据白适应均衡器的输出是否被用于反馈控制，均衡技术 通常可分为线性均衡和非线性均衡两类。线性均衡器相对简单，信道衰落不严熏时可以 较好的消除信道影响，常用的算法有迫零( z f ) 算法和最小均方误差( m m s e ) 算法。 当无线信道多径衰落严重时，信道频域响应中会出现很深的“凹槽”。为了补偿“凹槽” 附近的幅度衰落，线性均衡器必须对该段频谱进行放大，从而也使该频段的噪声增强。 而非线性均衡器在这种恶劣的信道下会有较好的效果，判决反馈均衡器( d f e ) 是非线 性均衡器中常见的一种，在实际系统中得到广泛应用。近年来更复杂的最大似然序列均 衡技术( m l s e ) 也逐渐应用于移动无线信道的均衡器中。理论上，理想时域均衡的单 载波系统和下面将要介绍的多载波系统性能是一样的，但是受硬件资源的限制，实际的 时域均衡器通常达不到最佳性能。不管是线性还是非线性均衡，传统的时域均衡器复杂 度都与信道的最大时延扩展成正比，而多载波的频域均衡复杂度与信道最大时延扩展的 对数成正比。均衡器成了制约单载波系统性能提高的“瓶颈”。 多载波正交频分复用( o f d m ) 是一种并行传输技术，它在指定频带上设置足个等 间隔的子载波，每个子载波被单独调制，符号周期是同速率单载波系统的世倍，对符号 间串扰的敏感性较单载波系统大大降低，从而能够更有效的对抗多径干扰。同时，o f d m 系统可在各个符号间插入保护间隔来消除符号间干扰( i s i ) 。o f d m 信号的调制和解调 可采用i f f t 和f f t 实现。而多载波信号的均衡可通过简单的单点均衡器来完成，这也 1 0 是o f d m 系统的一大优点。相对单载波系统，多载波o f d m 系统存在着峰平比高和对 相位噪声敏感等缺点，这要求发射机的功率放大器具有更宽的线性范围，同时要求接收 机采用相位噪声系数更小的调谐器和其他模拟器件，从而增加了系统成本。 多径传播效应会造成接收信号的多径衰落，这点对通信很不利。但如果多条传播路 径在时间上可分离，则可以利用无线传播路径之间的独立性，获得多径分集。如扩频通 信系统，通过扩频和解扩的过程隔离多条传播路径之间的于扰，每条传播路径各自独立 恢复发射符号，将从各条传播路径恢复的发射信号按某种最优准则合并在一起，通过这 种方式，扩频通信系统可获得多径分集。 而对于o f d m 系统，多径分集更多被称为频率分集。o f d m 虽然避免了复杂的均 衡算法，但是频率选择性衰落的影响仍然存在，在o f d m 系统中各个子信道的信躁比 并不相同，尤其对一些受到严重衰落的予信道，能够正确恢复该子信道符号的概率很低， 所以单纯的o f d m 并没有实用价值，必须使用冗余纠错编码保护和编码符号在子信道 问的交织来提供频率分集，这种方式称为编码o f d m 系统( c o f d m ) 。 其他的o f d m 系统频率分集方法如m c c d m a 2 1 2 2 1 和s p r e a d o f d m 2 3 1 通过在 o f d m 的频率域内引入线性变换或扩展，即在o f d m 逆离散傅立叶变换( i d f t ) 之前 加上如沃尔什哈达码变换( w h t ) 或离散傅立叶变换( d f t ) ，来获得一定的频率分集 增益。最近其他线性变换如多维信号集【1 8 埽口线性预编码( 线性星座预编码) 2 4 1 也被用于 o f d m ，这两种方法都是基于多维调制技术 】，多维调制技术最初用于平坦瑞利衰落信 道来获得所谓信号空间分集。在本文中将这类方法统称为线性预编码o f d m 系统 ( l p o f d m ) ，对于无冗余的l p o f d m 系统，称为线性星座预编码o f d m 系统 ( l c p o f d m ) 。 2 2 o f d m 和c o f d m 技术简介 利用多个并行的传输通道和按照频率进行复用的技术最早在2 0 世纪五六十年代就 被提出了【2 2 5 1 2 6 ，它的基本思路是利用多个频谱互相重叠的频分复用子信道进行并行数 据传输，这种方法可以避免复杂的均衡算法尤其是在高速数据通信的情况下，而且还可 以用来躲避窄带干扰，能很好地适应多径