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无线o f d m 与m i m o 系统中的信道缩短均衡器研究 专业：通信与信息系统 博士生：张萍 指导教师：秦家银 摘要 随着通信技术的飞速发展，未来无线通信要求有更快的数据传输速率、更高 的频谱利用率和更高的通信质量。正交频分复用( o f d m ) 技术具有高频谱效率 和较强的抗多径干扰能力，多输入多输出( m i m o ) 技术可以在不增加额外发射 功率的前提下极大地提高通信系统的频谱效率和通信链路的可靠性，它们已成为 未来无线移动通信( 如l t e 、4 g 、u w b 等) 的关键技术。 在o f d m 通信系统中，通常将循环前缀( c p ) 插入到o f d m 符号之前作为 保护间隔以消除无线多径衰落信道造成的载波间干扰( i c i ) 和符号间干扰( i s i ) ， 为了最大限度地消除i s i 和i c i ，一般要求c p 长度大于信道冲激响应长度。由于 无线信道的复杂性，在很多情况下，信道时延扩展很长而导致系统c p 的长度不 足，因此需要引入信道缩短均衡器( c s e ) 来缩短信道时延扩展长度，进而实现 使用更短的c p 来消除i s i 和i c i ，降低由c p 所造成的带宽和功率的损失。现有 的信道缩短均衡算法( 如m m s e 算法、m s s n r 算法、m g s n r 算法、m b r 算 法及m i n i s i 算法等等) 都定义了一个时延为，长度为，+ l 的能量窗，其最优 目标函数值都是在遍历最佳时延后得到的，通常最佳时延大于零。本文通过理论 、 与仿真证明了，对于实际的无线o f d m 系统而言，最佳时延应为0 。常规信道缩 短均衡器中遍历最佳时延的操作不仅增加了算法的复杂度，而且还导致无法彻底 去除i s i ，降低了系统的性能。 目前，信道缩短均衡器的设计与算法大多是针对有线通信系统( 如d s l ， d m t ) 的信道特性提出的，其信道模型是零极点的系统模型，信道缩短均衡算法 需要对系统的零点和极点都进行优化处理；即使是针对无线通信系统提出的 m b e r 算法也并未考虑无线通信系统的信道特性。针对实际无线信道的特点，设 计了一种基于零点消除的无线o f d m 信道缩短均衡器，该接收均衡器利用零点 消除的方式有效地缩短信道时延扩展长度，并采用反馈滤波器的形式来实现无限 冲激响应滤波器。该方案不仅降低了信道缩短均衡器算法的复杂度，而且也大大 简化了无线o f d m 系统的设计与实现。仿真结果验证了该方案和算法的有效性。 在时分双工( t d d ) 无线通信中，上行链路和下行链路采用相同的载频，当 移动终端的速度不大时可以采用上行链路的信道估计参数，对下行的数据进行预 均衡处理。预均衡技术不但可以使o f d m 系统更灵活有效地选择调整下行链路 系统参数( 如带宽、子载波分配等) ，而且可以大大简化移动终端接收机的设计。 本文设计了一种简单的发射机信道缩短预均衡器，并分析了预均衡器的性能。理 论和仿真结果表明，由于没有接收机端的噪声增强效应，发射机预均衡器的性能 要优于接收机均衡器。 m i m o 技术通过在通信系统的发射端和接收端同时配置多根天线，可以在不 增加额外发射功率和带宽的前提下极大地提高通信系统的频谱效率和通信链路 的可靠性。m i m o 技术与o f d m 技术的结合可以克服频率选择性衰落、增加系 统容量和提高频谱利用率，是未来无线通信技术研究的热点。m i m o o f d m 系统 中利用c p 来消除o f d m 系统的i s i 和i c i ，但c p 过长会降低数据传输速率，增 加系统复杂度。因此在i s i 严重的m i m o 信道，需要信道缩短均衡器来降低c p 的开销。现有的信道缩短均衡器大多是针对单输入单输出( s l s o ) 系统设计的， 很少有针对m i m o 系统的。针对无线m i m o o f d m 系统的特点，本文设计了一 种信道缩短均衡器，它能有效缩短m i m o 信道长度，且具有较低的计算复杂度。 仿真结果表明，设计的信道缩短均衡器能有效地降低系统的误码率。 本论文的研究得到了国家自然科学基金项目( n o 6 0 6 7 2 0 4 8 ) ；广东省科技计划 项目( n o 2 0 0 5 8 1 0 1 0 1 0 0 1 ) ；国家自然科学基金和广东省联合基金项目 ( n o u 0 6 3 5 0 0 3 ) 的资助。 关键词：无线通信；o f d m ；m i m 0 ；多径；信道缩短均衡器 u n o v e lc h a n n e ls h o r t e n i n ge q u a l i z e r si no f d ma n dm i m o w i r e l e s ss y s t e m s m a j o r ：c o m m u n i c a t i o n sa n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ：p i n gz h a n g s u p e r v i s o r ：j i a y i nq i n a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y ，t h ef u t u r ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n sr e q u i r eh i g h e rd a t ar a t e s ，m o r ee f f i c i e n tf r e q u e n c yu t i l i z a t i o na n d b e t t e rc o m m u n i c a t i o nq u a l i t y o 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 ) a n dm 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 ( m i m o ) h a v eb e c o m et h ek e yt e c h n o l o g i e so f f u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ( s u c ha sl t e ，4 gu w b ，e t c ) d u et ot h eh i g h s p e c t r u me f f i c i e n c ya n dg o o da n t i m u l t i p a t ha b i l i t y , l i n kr e l i a b i l i t y i no f d ms y s t e m s ，c y c l i cp r e f i x ( c p ) i si n s e r t e db e t w e e no f d mt r a n s m i t t e d b l o c k st oc o m b a tm u l t i p a t hp r o p a g a t i o no nt h ef 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 l s ， p r o v i d e dt h a tt h el e n g t ho fc h a n n e ld e l a ys p r e a di ss h o r t e rt h a nt h el e n g t ho fc p i f t h i sc o n d i t i o ni sn o tm e t ，t h eo r t h o g o n a l i t yo fe a c hs u b c a r r i e rw i l lb ed e s t r o y e da n d i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) o c c u r s h o w e v e r , i ns o m eo u t d o o rr a d i oe n v i r o n m e n t ， t h el e n g t ho ft h em u l t i p a t hc h a n n e ld e l a ys p r e a dm a yb eg r e a t e rt h a nt h el e n g t ho fc p , a n dt h el o n gc pw i l lr e d u c et h es p e c t r a le f f i c i e n c yo fo f d ms y s t e m s h e n c e ，a n a d d i t i o n a lc h a n n e ls h o r t e n i n ge q u a l i z e r ( c s e ) i sr e q u i r e dt os h o r t e nt h ec h a n n e l i m p u l s er e s p o n s e ( c i r ) t ot h ed e s i r e dl e n g t h t h ee x i s t i n gc h a n n e ls h o r t e n i n g e q u a l i z e ra l g o r i t h m s ( s u c ha s t h em m s e ，t h em s s n l lt h em g s n r , t h em b r ，t h e m i n - i s ia n de t c ) e q u a l i z e dc h a n n e la sad e l a yb yas a m p l e sf o l l o w e db ya nf i r f i l t e rw h o s ei m p u l s er e s p o n s ei st h et a r g e ti m p u l s er e s p o n s e ( t i r ) o f1 ，+ 1 s a m p l e s t h et i rw o u l df i ti n t oat a r g e tw i n d o wo f1 ，+ 1 s a m p l e ss t a r t i n ga ts a m p l ei n d e x a + li nt h es h o r t e n e di m p u l s er e s p o n s e g e n e r a l l yt h eo p t i m a ld e l a yi sb i g g e rt h a n z e r o t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h eo p t i m a ld e l a y s h o u l db ez e r of o rt h ep r a c t i c a lw i r e l e s so f d ms y s t e m t h ee r g o d i co p e r a t i o no f o p t i m a ld e l a yi nc o n v e n t i o n a lc h a n n e ls h o r t e n i n ga l g o r i t h mn o to n l yi n c r e a s e st h e i i i c o m p l e x i t y , b u ta l s oi su n a b l et oe l i m i n a t ei s ic o m p l e t e l y e a r l yc s ea l g o r i t h m sw e r eo f t e nb a s e do nw i r e l i n em u l t i c a r r i e rs y s t e m s ( s u c ha s d m t , d s l ) ，w h i c hg e n e r a l l yc o n s i d e r e d t h ee c h o p r o b l e m s i naf u l l d u p l e x e n v i r o n m e n t t h ec o m p l e x i t yo fc s ei sm a i n l yr e l a t e dt ot h ee c h op a t hi m p u l s e r e s p o n s e e v e nt h ep r o p o s e dm b e ra l g o r i t h mf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s d o e sn o tc o n s i d e rt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s s c h a n n e l s a c c o r d i n g t ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fg e n e r a lm u l t i p a t hw i r e l e s sc h a n n e l s ，an o v e lc s ef o ro f d m w i r e l e s ss y s t e m si sp r o p o s e d t h ec s ec a l ls h o r t e nt h ec h a n n e le f f e c t i v e l yb y e l i m i n a t i n gt h ez e r o so fa na l l z e r ow i r e l e s ss y s t e mm o d e l i ti sd e s i g n e da sas e r i e so f c a s c a d e df e e d b a c kf i l t e r s 、 ，i t hl o wc o m p l e x i t y , w h i c hg r e a t l ys i m p l i f i e st h ew i r e l e s s o f d ms y s t e md e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o p o s e d c s ec a l l e f f e c t i v e l y s h o r t e nt h ew i r e l e s sc h a n n e la n di m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m i nat i m ed i v i s i o nd u p l e x ( t d d ) w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h es a m ef r e q u e n c y c h a n n e li su s e df o rb o t hd o w n l i n ka n du p l i n kt r a n s m i s s i o n s i ft h ec h a n n e lc o h e r e n t t i m ei sm u c hg r e a t e rt h a nt h es u mo ft h ec o n v e r s i o ni n t e r v a lb e t w e e nd o w n l i n ka n d u p l i n ka n dt h ep r o c e s s i n gt i m eo ft h ea l g o r i t h m ，o f d ms y s t e mc a l le x p l o i tt h e r e c i p r o c i t yo ft h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o nb e t w e e nd o w n l i n ka n du p l i n k ，t h ec h a n n e l s h o r t e n i n ge q u a l i z a t i o nc a l lb em o v e df r o mt h em o b i l et ot h eb a s es t a t i o ni nt h e f o r w a r dl i n k t h i sp r e e q u a l i z e rs y s t e mc a nc h o o s et h e p a r a m e t e r s s u c ha st h e b a n d w i d t ha n dt h es u b e a r r i e rn u m b e rm o r ef l e x i b l yt h a nc o n v e n t i o n a lo f d ms y s t e m s f u r t h e r m o r e ，i tc a ng r e a t l yr e d u c et h em o b i l ec o m p l e x i t y t h e r e f o r e ，t h ep r e c s ea t t h et r a n s m i t t e ro ft d do f d ms y s t e mi sp r o p o s e d t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e c s ea tt h et r a n s m i t t e rh a sb e t t e rp e r f o r m a n c e t h a nt h ec s ea tt h er e c e i v e r , d u et ot h en o i s ea m p l i f i c a t i o no ft h er e c e i v e r s m i m ot e c h n o l o g y , w h i c hu s e sm u l t i p l ea n t e n n a sa tb o mt h et r a n s m i t t e ra n d r e c e i v e r , c a na c h i e v es u b s t a n t i a l l ys p e c t r u me f f i c i e n c ya n dl i n kr e l i a b i l i t yw i t h o u ta l l a d d i t i o n a lb a n d w i d t ho rt r a n s m i tp o w e r t h ec o m b i n a t i o no fm i m ot e c h n o l o g ya n d o f d mt e c h n o l o g yc a no v e r c o m et h ef r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g ，i n c r e a s es y s t e m c a p a c i t y ，i m p r o v es p e c t r u mu t i l i z a t i o n i nm i m o o f d ms y s t e m ，ac y c l i cp r e f i x i v w h o s el e n g t hi se q u a lt ot h em i m oc i ri si n s e r t e di ne v e r yb l o c kt oe l i m i n a t e i n t e r - b l o c ka n di n t r a - b l o c ki n t e r f e r e n c e o ns e v e r ei s im i m oc h a n n e l s ，al a r g ef f t s i z ei sr e q u i r e dt oc o m p e n s a t ef o rt h ed e c r e a s i n gs y s t e mt h r o u g h p u td u et ot h ec y c l i c p r e f i xo v e r h e a d ，h o w e v e r ，l a r g ef f t s i z ew i l li n c r e a s et h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y ， p r o c e s s i n gd e l a y ，a n dm e m o r yr e q u i r e m e n t s a ne l e g a n ts o l u t i o ni st oi m p l e m e n ta c s et os h o r t e nt h ec i ra n dh e n c er e d u c et h ec y c l i cp r e f i xo v e r h e a d t h ec s e sh a v e b e e nw e l ls t u d i e df o rs i s os y a e m s t h u st h ec s ef o rm i m oc h a n n e l si sp r o p o s e d ，i t c a ns h o r t e nt h em i m oc h a n n e le f f e c t i v e l y 、析t hl o wc o m p l e x i t y s i m u l a t i o nr e s u l t s p r o v et h ev a l i d i t yo ft h ep r o p o s e dc s e k e yw o r d s ： w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ；o f d m ；m i m o ；m u l t i p a t hc h a n n e l s ； c h a n n e ls h o r t e n i n ge q u a l i z e r v 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 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：张薯 日期：7 a g o 年彭月厂日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的 电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内 容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存 学位论文。 学位论文作者签名：弓么样 导师签名：东衣敬 日期：幻口年占月f 日日期：z o l u 年占月日 中山大学博士学位论文无线o f d m 与m i m o 系统中的信道缩短均衡器研究 1 1 前言 第1 章绪论 近二十年来，无线移动通信的发展迅猛，它是近几年通信各领域中发展得最 快的领域之一【1 4 1 ，技术的快速发展使得无线通信成为推动全球经济发展的主要 动力之一。近几年来，移动通信产品在通信设备市场所占的份额已超过5 0 ，手 机用户连续十年以超高速增长，截止2 0 0 8 年，中国的手机用户已经超过6 5 亿， 并且仍然以较高的速度发展，目前我国的移动电话用户数已经超过了固定电话的 用户数。随着第三代无线移动通信系统( 3 g ) 在全球范围内大规模的商用，使 得网络能够更加快速和广泛的应用。在无线通信中，话音业务已经趋近饱和，而 数据业务正呈现出爆炸性的增长趋势【5 】。未来的移动通信系统不仅要有大的系统 容量，而且还要能支持话音、数据、图像、多媒体等多种业务的有效传输，最终 实现任何人可以在任何时候、任何地方与其他任何人以任何方式进行通信的目 标。 到目前为止，移动通信系统的发展已经经历了三代： 第一代移动通信系统( 1 g ) 采用了模拟通信技术传送语音业务，典型系统有 美国高级移动电话业务( a m p s ) 和全接入通信系统( t a c s ) 。 第二代移动通信系统( 2 g ) 采用了数字通信技术，提供语音业务并具备低速 数据服务能力，主要代表有全球移动通信系统( g s m ) 和码分多址复用( i s 9 5 c d m a ) ；并演进出现了2 5 代的通用无线分组业务( g p r s ) 、改进数据率g s m 服务( e d g e ) 和c d m a l x 等。 第三代移动通信系统( 3 g ) 主要以c d m a 技术为核心，提供语音业务和多 媒体业务，为用户提供更高的数据率的移动接入。其最初有三个空中接口标准： 宽带c d m a ( w c d m a ) 、c d m a 2 0 0 0 和时分同步c d m a ( t d s c d m a ) ，2 0 0 4 年又增加了微波存取全球互通( w i m a x ) 标准以提供中高速的数据业务。w i m a x 中山大学博士学位论文无线o f d m 与m i m o 系统中的信道缩短均衡器研究 标准提出后，整个无线通信领域开始了新一轮的技术竞争，加速了蜂窝移动通信 技术演进的步伐。 由于c d m a 系统是一个干扰受限的系统，3 0 在技术有上有一定局限性：业 务间的过多干扰难以进一步支持诸如1 0 0 m b p s 的更高通信速率；空中接口标准 对核心网的限制，使其难以提供满足不同服务质量( q o s ) 要求的多速率业务【6 】； 分配给3 g 的频谱资源已趋于饱和；3 g 采用的语音交换架构仍承袭了2 g 的电 路交换，而非纯i p 方式等。目前3 g 仍是基于地面标准不一的区域性通信系统， 其最高传输速率尽管可达2 m b p s ，但仍无法满足多媒体通信的要求。在多媒体服 务与应用广泛推广的未来，3 g 在速率、服务质量、无缝传输等方面的局限性也 将日益显露，势必走向容量更大、速率更高、功能更强的下一代移动通信系统。 目前对所谓3 9 代的长期演进3 g p p l t e 标准征集已经结束，有不少国家和组织 已经开始了四代无线移动通信系统( 4 g ) 的研究。 1 2 第四代移动通信系统关键技术 国际电信联盟( i t u ) 已开始研究制定4 g 系统标准【7 锕，未来的移动通信系 统将充分与互联网( 如无线局域网，w l a n ) 融合，实现通信的移动化、宽带化、 i p 化。它具有以下主要特点：1 ) 数据传输速率高：提供的上下行数据传输速率 可达5 0 m b p s 1 0 0 m b p s ，甚至更高( 广域覆盖范围达到1 0 0 m b p s ，局域覆盖范围 达到1 g b p s ) ；2 ) 端到端的延迟小于1 0 m s ，大大缩短接入服务器的耗费时间， 以保证无缝服务；3 ) 能实现各种网络( 如商业无线网络、局域网、蓝牙、广播、 电视卫星通信等) 的无缝衔接并相互兼容；4 ) 基于全i p 和v o l p ；5 ) 具有频谱 适应性，接入带宽、双工方式可自适应调整( 如认知无线电) ，从而使得终端和 网络组成更灵活。 4 g 系统支持的业务从语音到多媒体业务，包括实时的流媒体业务，具有更 高的数据率和频谱利用率，更高的安全性、智能性和灵活性，更高的传输质量和 服务质量( q o s ) ，因此需要先进的技术进行支持。4 g 系统的关键技术主要包括： 2 中山大学博士学位论文无线o f d m 与m i m o 系统中的信道缩短均衡器研究 1 、正交频分复用( o 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 ) 赫：【9 l 正交频分复用( o f d m ) 技术将高速的数据流转换为低速的数据流分配到子 载波上并行传输，增大了码元周期，使数据符号持续的时间大于信道延迟时间， 从而可以将每个子信道视为平衰落信道；而且每个o f d m 之间还插入了循环前 缀【1 0 1 ，从而可以有效减小由信道时间弥散引起的符号间干扰( i n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ，i s i ) 和载波间干扰( i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ，i c i ) 。由于每个子 信道变为平坦衰落，在接收端只需用简单的一阶频域均衡器补偿信道传输的失 真，大大简化了均衡器的设计；而且o f d m 系统在发射端和接收端可以使用成 熟高效的快速傅里叶变换i f f t 和f f t 进行子载波的调制和解调【l1 1 ，降低了收发 信机的复杂度。 o f d m 系统允许各子载波的频谱相互重叠，其子载波之间相互正交【1 2 】，每个 子载波之间不需要保护频带，相对于传统的频分复用系统或是一般的多载波系 统，这大大增加了频谱的使用效率。同时o f d m 系统的发射端还可根据各子载 波的信道状态动态地进行资源分配，让信噪比( s i g n a lt on o i s er a t i o ，s n r ) 高 的子载波传输更多信息，进一步提高频谱利用率，提高系统性能。由于o f d m 具有上述抗衰落能力强、频谱效率高、适合高速数据传输、易于实现等特点，被 普遍认为是4 g 系统的首选技术。 2 、多输入多输出( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ) 技术 多输入多输出( m i m o ) 技术在发射端和接收端分别采用多个天线，充分利用 空间资源，为系统提供空间复用增益【1 3 , 1 4 1 ；在不增加系统频谱资源和天线发射功 率的情况下，可成倍增加信道容量：另一方面多天线可为系统提供空间分集增益 1 5 - 1 9 】，大大提高信遣的可靠性，降低传输误码率；从而提高无线通信系统传输速 率，改善无线通信系统传输质量。 同传统的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 ，s i s o ) 系统相比，m i m o 系统为 传输方案的设计提供了额外的空间自由度【1 4 1 ，它在一定程度上可以利用传播中的 多径分量，用以抵抗多径衰落，同时使用合适的空时码【1 5 l 能提供比s i s o 系统更 大的容量【例。研究表明，在窄带频域平衰落信道中，m i m o 系统能够实现比s i s o 系统更高的频带效率【2 0 ，2 1 1 。如采用m i m o 技术的无线局域网系统在室内环境下 中山大学博士学位论文无线o f d m 与m i m o 系统中的信道缩短均衡器研究 频谱效率可达2 0 4 0 b p s h z ，而传统的无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅 为l 5 b p s h z ，点到点的固定微波系统中频谱效率也只有1 0 1 2 b p s h z 。 随着传输数据速率的提高或者是信道的时延扩展增大，无线信道表现为频率 选择性衰落信道。传统的m i m o 技术是一种窄带传输技术，不能直接应用于频 率选择性衰落信道，也无法满足宽带高速的数据传输要求。o f d m 技术可以把 宽带频率选择性信道转变成多个平坦衰落信道，因此通过在m i m o 系统的各个 收发信机中分别采用o f d m 传输方案的m i m o o f d m 系统，可以结合m i m o 技术和o f d m 技术的优势，既能抵抗频率选择性衰落，又能够实现较高的频谱 效率，充分利用时间、空间和频率三种分集技术，大幅度地提高无线通信系统的 信号传输质量和传输效率。如m i m o o f d m 系统可支持1 g b p s 以上的极高速无 线传输【2 2 1 ，在采用v b l a s t 算法的理想情况下频谱效率可以达到2 0 4 0 b p s h z ， 具有极高频谱利用率。因此被普遍认为是未来宽带无线通信的典型技术之一。 3 、软件无线电( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ) 技术 软件无线电( s d r ) 的基本思想是将硬件作为基本平台，将各种无线及个人 通信功能通过软件编程实现，使其成为一种多工作频段、多工作模式、多信号传 输与处理的无线电系统。从而使通信系统摆脱硬件系统结构的束缚，用最小编程 代价实现系统改进、升级以及实现各系统间的互联和兼容。在4 g 众多关键技术 之中，软件无线电( s d r ) 技术是通向未来4 g 的桥梁。 4 、智能天线技术 智能天线技术是在软件无线电基础上提出的天线设计新概念，它是数字多波 束成形技术与软件无线电的结合。它通过在基站使用天线阵和相干无线收发信机 来实现射频信号的收发，并通过基带数字信号处理器对各天线上的接收信号进行 优化合并，实现波束成形。该成形波束可在空间域上抑制信号干扰，自动数字波 束调节跟踪期望信号，既能改善信号质量又能增加传输容量，被认为是下一代移 动通信的关键技术。 此外，还有自适应技术( 包括自适应编码调制，自适应空中接口) ，无线链 路增强技术，空时编码技术等等，在此不做一一赘述。 4 中山大学博士学位论文无线o f d m 与m i m o 系统中的信道缩短均衡器研究 1 3 本文结构与内容安排 由上述的阐述可知，以o f d m 、m i m o 技术为代表的无线通信技术已成为下 一代宽带移动通信系统的核心技术，是通信领域备受关注的研究热点。对于未来 移动通信越来越高的传输数据速率和传输质量的要求，以及无线多径信道的复杂 性，当前o f d m 和m i m o 系统中还有不少问题尚待解决。本文重点研究了o f d m 和m i m o 系统中的时域均衡问题。在分析研究现有文献的基础上，从理论上研 究了目前时域均衡算法的缺陷，提出了解决方案，并通过仿真得到了验证：此外 还设计了一种无线信道缩短均衡器，理论分析和仿真结果表明了该均衡器的有效 性，且具有更低的复杂度。 本论文的具体内容安排如下： 第一章，首先简单介绍了移动通信的发展历程及发展趋势；然后介绍了下一 代移动通信系统中的核心技术，其中重点介绍了与本文研究内容相关的o f d m 和m i m o 技术：最后给出了论文的结构安排。 第二章，介绍了无线信道的特性，其中重点阐述了小尺度衰落下的信道特性； 然后介绍了无线信道的输入输出基带模型。 第三章，首先回顾了o f d m 系统的发展历史及其应用，介绍了其特点；然 后分析了o f d m 系统的基本原理；最后讨论了o f d m 技术中的一些与本论文有 关的关键环节，包括循环前缀和均衡技术。这是论文研究工作的基础。 第四章，首先介绍了信道缩短均衡器的发展历程和研究进展，以及其应用； 然后从理论上重点、分析讨论了两种现有的经典信道缩短均衡器及其缺陷，提出了 相应的解决方法；最后通过仿真验证了理论分析的有效性。 第五章，首先针对实际无线信道的特点，设计了一种基于零点消除的无线 o f d m 信道缩短均衡器，该方案不仅降低了信道缩短均衡器算法的复杂度，而且 也大大简化了无线o f d m 系统的设计与实现；然后在时分双i ( t d d ) 无线通 信系统中，设计了预均衡器，并分析比较了它的性能。 第六章，首先介绍了m i m o o f d m 系统及其应用；然后针对无线 中山大学博士学位论文无线o f d m 与m i m o 系统中的信道缩短均衡器研究 m i m o o f d m 系统的特点，设计了一种信道缩短均衡器，它能有效缩短m i m o 信道长度，且具有较低的计算复杂度。仿真结果表明，设计的信道缩短均衡器能 有效地降低系统的误码率。 最后是本文的结束语。 6 中山大学博士学位论文无线o f d m 与m i m o 系统中的信道缩短均衡器研究 第2 章无线信道模型及信道特性 无线通信系统的性能主要受到无线信道的制约。无线通信的传播路径非常复 杂，从简单的视距传输到遭遇各种复杂的地形，如建筑物、山脉和树叶等，可能 会经历直射，各种反射、折射、散射和绕射等。而且，无线信道容易受到噪声、 干扰及其它信道因素的影响，这些因素还会由于用户的移动和信道的动态变化而 随机变化。因此无线信道的建模是无线通信系统优化设计的关键因素之一，也是 移动无线通信系统设计中的难点。建立准确的路径损耗传播预测模型可以减少相 邻小区之间的干扰、优化通信系统设计，通常利用统计模型与方法对其进行描述 2 - 2 1 。 2 1 无线信道特性 发射机通过无线信道向接收机发送信号，接收信号会受到路径损耗、阴影效 应和多径传播的影响。路径损耗是由发射功率的辐射扩散及信道的传播特性造成 的，它会引起长距离上( 1 0 0 m 口1 0 0 0 m ) 接收功率的变化；阴影效应则是由发射 机和接收机之间的障碍物造成的，它引起障碍物尺度距离上( 室外环境为 1 0 m 口1 0 0 m ，室内则更小) 接收功率的变化；二者在相对较大的距离上引起功率 的变化，称为大尺度传播效应或大尺度衰落。多径信号传播是由发射机和接收机 之间多条路径的信号干涉引起的接收功率变化，它发生在载波波长数量级距离 上，距离较短，称为小尺度传播效应或小尺度衰落。 7 中山大学博士学位论文 无线o f d m 与m i m o 系统中的信道缩短均衡器研究 2 1 1 无线信道的大尺度衰落 大尺度路径损耗传播模型描述发射机和接收机之间长距离上平均场强的变 化，反映由路径损耗和阴影效应引起的接收功率随距离变化的规律，与频率无关， 用于预测平均场强并估计无线信号覆盖范围。 自由空间模型预测接收功率的衰减为发射机与接收机之间( t - r ) 的距离函 数，距离发射机d 处的天线接收功率只( d ) 由f r i i s 公式给出【l 】： 删) = 器 ( 2 1 1 ) 其中为发射功率；g r 是发射天线增益；g ，是接收天线增益；d 是发射机与接 收机之间的距离，单位为m ；五为波长，单位为m ；孝是与传播无关的系统损耗 因子( 包含传输线衰减、滤波损耗和天线损耗，通常有f 1 ) 。 路径损耗为信号衰减，它一般定义为有效发射功率与接收功率的分贝差，单 位为d b 。则自由空间传播损耗应为： p l ( d b ) = 1 0 l 0 9 1 0 每= - 1 0 l o g ( 蒜) ( 2 - 2 ， 路径损耗传播模型一般都是根据理论分析和测试结果而产生的，常见的有可 以用于室内和室外信道的对数距离路径损耗模型，即平均接收信号功率随距离的 变化呈对数衰减；用于室外的l o n g l e y r i c e 模型，d u r k i n 模型，o k u m u r a 模型( 预 测城区信号时使用最广泛的模型) ，h a m 模型，c o s t - 2 3 1 模型，w a l f i s h 和b o r t o n i 模型等，文献【1 1 对各种模型进行了详细的介绍。 信号在无线信道传播过程中会遇到障碍物而产生阴影效应，这些障碍物会以 吸收、反射、散射和绕射等方式随机衰减信号功率，严重时甚至会阻断信号。理 论研究和实测数据【1 ，2 3 1 表明，在室内和室外无线传播环境中，发射功率和接收功 率的比值，7 = 呈正态分布，称为对数正态阴影模型。有 8 中山大学博士学位论文无线o f d m 与m i m o 系统中的信道缩短均衡器研究 p c 驴瓦1e 冲( _ 掣) p 3 ， 其中= l o l o g l o ( 玎) ，t l d b 的均值，是的标准差( 室外信道一般在 4 d bt q1 3 如之间【1 1 ) ，单位均为d b 。通常用平均分贝路径损耗作为对数正态 阴影模型的参数，它取决于路径损耗和所在区域内的建筑物属性。 2 1 2 无线信道的小尺度衰落 小尺度多径衰落传播模型描述移动台在极小范围内移动时，信号在短距离或 短时间传播后，其幅度、相位或多径时延快速变化而导致接收场强的快速变化( 大 尺度路径损耗的影响可以忽略不计) ，用于确定移动通信系统应该采取的技术措 施。 无线信道中影响小尺度衰落的因素有很多，主要包括： 1 ) 多径传播。无线信道的反射及散射导致信号幅度、相位及时间的随机变化， 使得其在不同的时间、空间独立到达接收机，从而引起小尺度衰落、信号失 真；而且多径传播会延长信号到达接收机所用的时间，产生码间干扰。 2 ) 移动台和环境物体的运动速度。基站和移动台的相对运动，以及无线信道中 的物体处于运动状态，都会引起随机频率调制，产生多普勒频移。 3 ) 信号的传输带宽。如果无线信号的传输带宽大于多径信道带宽，会产生频率 选择性衰落( f r e q u e n c y s e